基于质子交换膜动态特性的PEM燃料电池建模与仿真

质子交换膜是燃料电池的核心部分,膜的含水量及膜内阻对燃料电池的性能至关重要。基于质量守恒、能量守恒、电荷守恒和电化学反应动力学,将燃料电池划分为阳极气道、阳极扩散层/催化层、质子交换膜、阴极气道、阴极扩散层/催化层5个控制体,建立了简化的半机理半经验动态模型,描述了H2O和H2等各组分在相应控制体内及燃料电池关于电压、温度、压力和膜含水量等一些重要变量(如电压、温度、压力和膜含水量等)的动静态特性;描述了水通量密度、质子通量密度和含水量等膜内变量(如水通量密度、质子通量密度和含水量等)的动态过程。仿真结果表明,该模型能够较准确地反映运行参数对PEMFC动静态性能的影响。     

直流道PEMFC的综合三维数学模型及其性能模拟

目的 研究质子交换膜燃料电池中扩散层厚度、孔隙率和催化剂颗粒尺寸等参数对电池性能的影响.方法 对直流道质子交换膜燃料电池建立综合的三维多组分数学模型,电化学反应速率采用团聚块模型修正,自主开发程序代码对电池的极化性能进行数值模拟,利用该模型研究了扩散层厚度、孔隙率和催化剂颗粒尺寸等参数对电池性能的影响.结果 增大气体扩散层孔隙率有利于提高电池的极化性能,但是应考虑孔隙率增加引起的不利影响;存在最佳的扩散层厚度使电池的极化性能最优;减小催化剂颗粒的特征尺寸可以提高电池的极化性能.结论 利用直流道质子交换膜燃料电池的综合三维数学模型,可以进行燃料电池极化性能的模拟,并能对电池的主要结构参数进行优化.     

基于COMSOL的质子交换膜燃料电池梯度扩散层的数值模拟

为了研究质子交换膜燃料电池的扩散层结构对燃料电池导电、排水、导气等性能的影响,利用COMSOL Multiphysics软件对质子交换膜燃料电池进行仿真模拟分析,主要针对扩散层孔隙率沿厚度方向梯度变化的规律及燃料电池阴极侧传质过程和电池性能进行了模拟分析。结果表明：采用梯度结构的扩散层可以减小阴极水淹现象的发生,孔隙率梯度分布的扩散层电池性能优于孔隙率均匀分布的扩散层的电池性能;在平均孔隙率相同时,孔隙率梯度结构变化越大,阴极侧排水能力越强,液态水残留量越少。     

孔隙率间隔分布扩散层的PEM燃料电池性能

为了考察质子交换膜燃料电池气体扩散层的结构对排水、导电、导气等性能的影响,综合考虑电化学反应、水的相变及传输、氧气的传输、膜中水传输等因素,研究了在平面内孔隙率间隔变化分布的气体扩散层对燃料电池性能的影响.结果表明,由平面内孔隙率间隔分布的气体扩散层组成的燃料电池,其性能高于由普通扩散层组成电池的性能,因为平面内孔隙率间隔分布的气体扩散层都能够提高其液态水和气体的通过能力,从而提高电池的性能.     

NH_4Cl薄层液膜下X70钢腐蚀的电化学研究

采用电化学阻抗法和阴极极化曲线法研究了X70钢在含NH4Cl薄层液膜下的电化学行为.研究了液膜厚度、NH4Cl浓度对X70钢腐蚀行为的影响.结果表明,液膜厚度降低,X70钢腐蚀电位正移,阴极极限扩散电流增大.液膜厚度为130μm时,阴极极限扩散电流达最大值.液膜厚度为130~100μm时,阴极极限扩散电流反而降低.液膜厚度进一步减薄,阴极极限扩散电流又增大.薄层液膜下,NH4Cl浓度增大,阴极极限扩散电流减小,抑制了阴极过程;随着NH4Cl浓度增大,X70钢腐蚀的电荷传递电阻减小,对阳极过程有一定的促进作用,从而加速X70钢的腐蚀速率.     

相对湿度对PEMFC水传输和分布的影响

建立了一个二维稳态两相等温的质子交换膜燃料电池模型用于研究相对湿度对电池水传输的影响。模型综合考虑了电池中的动量守恒、质量传输、电荷守恒、催化层中的电化学反应,以及扩散层中液态水的凝结。通过计算分析电池内部的水分布和水传输表明:燃料电池的进气均需要加湿,以保证电解质膜的湿润,使其具有很好的导电能力;阴极进气加湿在75%左右电池性能可以达到最佳;阳极进气干燥对电池的性能影响较大。     

商业尺寸质子交换膜燃料电池性能实验研究

实验测试了不同电池操作温度和反应气加湿温度下,反应面积为256 cm2商用质子交换膜燃料电池的性能,通过对极化曲线的测量,重点分析了操作温度与加湿温度对不同厚度质子膜含水量及电池阴极水泛滥的影响.结果表明,质子膜含水量及阴极液态水移除主要取决于加湿温度和操作温度的最佳匹配.当操作温度低于加湿温度时,电池性能随操作温度升...     

基于混合区域法的质子交换膜燃料电池的计算模拟

利用一个新的混合区域法对质子交换膜燃料电池进行了模拟计算.这个新方法是建立在一套完整的守恒方程基础之上的,它包括了质量守恒、动量守恒、化学组分守恒、质子和电子守恒、水容量在交换膜中的守恒等.在这个混合区域法中,水浓度守恒方程只是在电池两极的气道、气体扩散层和催化层中求解,而在质子交换膜中,求解了一个水容量守恒方程.这2个方程通过内部边界条件在交换膜和催化层的交界面相连接.另外,在催化层中求解水浓度守恒方程时,还利用了一个"假象的水浓度"的概念,从而可以准确地考虑水在膜介质中的传递.这个方法适用于质子交换膜燃料电池的三维计算模拟,其计算区域包括电池两极的双极板、气道、气体扩散层和催化层、以及中间的质子交换膜.研究表明这个新方法可以给出比单区域法更准确、更合理的计算结果.     

阴阳极室同时氧化对煤气废水处理效果的研究

在棉布隔膜电解槽中,使用Ti/IrO2/RuO2阳极、自制的碳/聚四氟乙烯(C/PTFE)充氧阴极,研究了电化学催化氧化降解煤气废水的效果.结果表明,在阴极室,C/PTFE充氧阴极通过外界曝气提供的O2在阴极还原产生H2O2,采用电子自旋共振法(ESR)阴极室中检测到羟自由基(HO.)的存在.煤气废水中挥发酚和COD去除率均随电解时间的延长而升高、随电流密度的增加而升高,电解质浓度对煤气废水中挥发酚和COD的去除情况没有明显规律性的影响.煤气废水的降解是在阳极的直接、间接氧化及阴极产生的H2O2、HO.和O2-.自由基的氧化共同作用下完成的,阴、阳极室同时电催化氧化降解煤气废水取得了较好的效果.     

三维质子交换膜燃料电池的完整模型

通过聚集体模型描述催化层结构,建立了阴阳极包括蛇形流道、多孔扩散层、质子交换膜和催化层的完整质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维流体力学模型,重点研究稳态条件下的基本工作参数分布和气体扩散层渗透率的影响.模型方程借助于计算流体力学软件-F luent求解.模拟的极化行为验证了模型的有效性,说明在燃料电池模型中充分考虑催化层的必要性.计算结果表明流体流速、压力、反应气体组成和局部电流密度等参数的空间分布明显,并且受气体扩散层渗透率影响明显,优化气体扩散层结构至关重要.     

PEMFC梯度扩散层水传输模型的研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC：Proton Exchanges Membrane Fuel Cell）水管理是其可靠高效运行的关键，利用多孔介质毛细压力理论建立了PEMFC梯度扩散层液态水传输模型。在此基础上计算了催化层／扩散层和扩散层／流道界面上相饱和度差值为一定值时不同结构扩散层的液态水通过能力，就扩散层孔隙率对液态水传输的影响进行了分析。认为扩散层的过水流量随孔隙率的增加而增加，同时又随孔隙率的增加而增加。即如果扩散层具有较大孔隙率和较大孔隙率梯度，PEMFC可以发出更大的电流密度，而膜电极可能不会产生水淹现象。     

Elucidating the operating behavior of PEM fuel cell with nickel foam as cathode flow field

Metal foam material, which serves as an alternative replacement of the conventional flow distributor of proton exchange membrane(PEM) fuel cell, has been attracting much attention over last few decades. In this work, three-dimensional modeling work for PEM fuel cell containing metal foam as cathode flow distributor has been carried out. The fuel cell performance and operating characteristics of metal foam flow field and conventional parallel flow channel have been compared and discussed.The cell performance has been reasonably validated based on the corresponding experimental tests conducted in this study. The superior performance of PEM fuel cell with metal foam as cathode flow field benefits a lot from the uniform gas flow. The porous metal foam material provides more pathways for the water delivery at the interface of metal foam flow field and gas diffusion layer(GDL), accelerating water removal capability of cathode. Because of the significant oxygen transfer loss in diffusion limited parallel channel, the operation of PEM fuel cell with parallel channel is found to be more sensitive to cathode humidification and oxygen supply at inlet. Due to the more uniform and effective electron transport though the porous electrode, it is possible to use thinner GDL in metal foam PEM fuel cell. It is expected that this study could give a good baseline of operating behavior of PEM fuel cell with metal foam flow distributor.     

PEMFC阴极催化剂性能的探讨

依据PEMEC阴极催化剂层内氧消耗和电流生成平衡的原则，建立了反映阴极催化剂层性能的数学模型，并用实验验证了此模型的有效性。分析了过电压、质子传导率和催化剂表面积等参数对催化剂层性能的影响。     

交指状流场质子交换膜燃料电池的数值分析

为研究流场结构设计对电池内的流动、组分传递和电池性能等的影响,建立了一个稳态的三维非等温质子交换膜燃料电池数学模型,应用此模型对一个交指状流场设计的电池单体（电极面积为64 cm ×65 cm）进行了数值研究.数值计算得到了电池的温度、组分质量浓度和局部电流密度等的空间分布,分析了不同电池反应物湿度等对电池特性的影响.结果表明,受传质的影响,沟道下方阴极催化层的温度大于相应沟脊下方的区域;与饱和气流进气的基本工况相比,降低阴极的进气湿度能提高电池的性能,而降低阳极的进气湿度则会导致电池性能的下降.     

不同流道结构质子交换膜燃料电池内传递现象的三维模拟

应用计算流体力学方法，建立了用于模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）传递特性和电化学性能的稳态、等温的三维数学模型。计算了传统流道和交叉梳状流道燃料电池的流场、电流密度和组分浓度等的多维分布。与传统流道的燃料电池相比，交叉梳状流道所产生的电极内强烈的强制对流机理提高了反应物和产物的传输速率，从而改善了电池的极限电流和极化性能等。利用模型估算的极化特性和文献实验结果吻合较好。     

Preparation and characterization of highly ordered NiO nanowire arrays by sol-gel template method

Highly ordered nickel monoxide （NiO） nanowire arrays were fabricated by sol-gel synthesis within the pores of anodic alumina membrane （AAM）. Scanning electron microscopy （SEM）, high resolution transmission electron microscopy （HRTEM） and X-ray diffraction （XRD） were used to characterize the topography and crystalloid structure of NiO nanowire arrays. The length and diameter of the NiO nanowires depended on the thickness of the AAM and the diameter of the pores. The results indicated that the NiO nanowires were uniformly assembled into the ordered nanopores of the AAM and paralleled to each other. Nickel monoxide nanotubes were also fabricated with the same method by changing the immersing time. This new method to prepare NiO nanowire arrays may be important from gas sensors to various engineering materials.