预紧力作用下PEMFC的性能分析

建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维稳态模型,探究气体扩散层有效孔隙率分布随流场脊压力作用的变化趋势,剖析阴极氧气、阴极水浓度以及电流密度的分布规律。在流脊施加力的作用下,流脊下扩散层区域有效孔隙率降低,最低处可降至0. 14,较扩散层原始的有效孔隙率下降了65%,将阻碍反应物和生成物的扩散行为;位于流道拐弯处的流脊下方的扩散层区域内,生成物发生聚集,最高水浓度达到19. 80 mol/L,导致反应物供应量不足,引发电流密度下降;流场结构导致流脊下方的扩散层电流密度增大,流道流脊交界处扩散层表面电流密度集中,扩散层中出现横向电流。     

PEMFC树状分形流场传递过程的数值分析

对树状分形流场的质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行了三维数值模拟。建立了三维稳态两相等温模型来研究树状分形流场燃料电池内的流体流动、多组分的传递过程和电化学反应过程。分别从PEMFC在大电流密度时和小电流密度时的氧气浓度、水蒸气浓度、液态水浓度和膜中的水含量、电流密度来进行了讨论。结果表明:在大电流密度下物质的传输速度变大,阴极生成更多的液态水,流场和扩散层中的氧气浓度要比低电流密度时要小。膜中的水含量在流道入口处最小,故此处膜对质子的传递性能最差。     

PEMFC阴极排水的研究

采用可视化方法研究了直条单流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极排水过程。通过分析流道首次液态排水时间和平均液态排水间隔时间的变化,研究了电流密度、增湿温度和气体流速等对阴极排水过程的影响。阴极气体非饱和增湿时,生成水以水蒸气和液态水两种方式排出,水蒸气排水为连续过程,液态排水为间歇过程。随着电流密度和相对湿度的提高,液态水的积累速度增加;随着气体流速的增大,生成的水以水蒸气方式排出的比例增大。     

PEMFC气体扩散层变形对流道内水传输的影响

建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道内气体扩散层(GDL)表面的微型凹槽模型,考虑到GDL表面微型凹槽处疏水涂层的脱落,将微型凹槽内的壁面当作亲水性壁面处理,运用FLUENT软件中的Volume of Fluid(VOF)模型模拟PEMFC处于工况下流道内液态水的传输现象,得出了在GDL表面的亲水性微型凹槽会阻碍流道内液态水的传输及排出的结论,并通过对比三组不同空气流速下流道内液态水的体积分数,分析了空气流速对流道内水传输的影响,对于正确认识PEMFC流道内的水传输现象和提高PEMFC的水管理性能具有重要意义。     

阴极湿度与电流密度对PEMFC性能的协同影响

采用数值模拟与实验测试相结合的方法,研究了不同电流密度下阴极湿度(40％、70％和100％)对PEMFC性能的影响.在低电流密度下,不同阴极进气湿度无明显差别;在中电流密度下,采用70％阴极湿度的电池性能较好;在高电流密度下,采用40％阴极湿度的电池性能最佳.通过计算流体力学(CFD)分析发现,提高阴极湿度,会增加膜含水量,提升电池性能;当膜含水量饱和时,继续增加湿度会提高扩散层液态水饱和度,降低电池性能.因此随着电流密度增大,应降低阴极进气湿度,以保证电池性能.     

不同流场的PEMFC性能研究

改进了一个耦合气体流道和气体扩散层的两相、三维和多组分质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,研究4种流道形式对PEMFC输出性能的影响。设定温度为70℃,有效面积为3.61 cm~2的情况下,发现单边交指单蛇形流道的性能最好,单蛇形流道的性能最差。阳极流场的形状对PEMFC性能的影响不大。单边交指单蛇形流道的阴极氧气浓度分布最均匀,浓度差值为6.41 mol/m~3,同时排水性能最好,阴极流道内水浓度差值为10.25 mol/m~3。     

阴极扩散层孔隙率不同分布对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极扩散层孔隙率分布对电池性能影响很大。建立了一个单电池的三维模型,分别考虑了阴极扩散层孔隙率单一分布、线性梯度分布、随机分布等情况,并用有限控制体法对模型进行了求解。研究结果表明,在大电流密度下,阴极扩散层孔隙率的不同分布形态会不同程度地影响阴极氧气质量传输和液态水的排出,从而影响电池性能。     

入口流速对质子交换膜氢燃料电池性能影响的仿真研究

质子交换膜氢燃料电池是一种新型高效的电化学储能技术。其在低电压、高电流密度工况下,阴极产水速率较高。如果液态水不能及时排出,在气体扩散层积聚导致水淹,将大幅降低燃料电池性能,甚至无法工作。本文基于Ansys Fluent软件对质子交换膜燃料电池进行建模仿真,研究不同入口流速对电池性能以及内部状态的影响规律。结果表明,保持阴阳极入口质量流率比恒定,当流速提高时,电池中的液态水饱和度不断增大;当阳极入口质量流率超过8×10^-6kg/s时,出现水淹现象,导致电池性能下降。本文的研究结果可以为燃料电池在高流速工况时的水管理提供有意义的参考。     

PEMFC直条流场水分布可视化研究

采用大面积(120cm2)透明质子交换膜燃料电池(PEMFC),研究了阴极直条流场内液态水的传递行为,通过测量不同位置流道进、出口压降,分析了流场内不均匀水分布。本方法可实时、在线、直接观察流道内液滴出现、积累及排出过程,得到实际工况下的实时液态水分布,将非常有助于流场设计和电池操作条件优化。结果表明,液态排水是一间歇过程,只有当液滴达到临界体积才会随反应气体排出。稳定运行状态下,液态水在流场内呈不均匀分布,主要集中于流场中下部区域,其他区域几乎没有液态水。     

阴极堵块高度和过量系数对PEMFC传质的影响

建立堵块高度分别为50％、70％、90％和94％的强化传质流道三维模型与传统直流道单流道三维模型,研究阴极堵块高度和过量系数对PEMFC传质的影响,分析两种改善传质性能方法的差异.堵块能够增大流道的传质阻力,迫使反应气体向气体扩散层(GDL)和岸下区域扩散.增设堵块能在各种电流密度下提升氧气浓度.增大过量系数,在电流密...     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

质子交换膜燃料电池凝水的研究进展

分析了质子交换膜燃料电池(PEMFC)中凝水的生长过程,分析了运行时间、电流密度、流速、温度、压力、湿度、流场和扩散层等因素对凝水的影响,并介绍了凝水的处理方法。对PEMFC凝水的可视化观测已从宏观步入微观。     

阴极液态水对质子交换膜燃料电池性能的影响

模拟了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜中水传递、反应气体传质和电化学反应过程,研究了液态水对阴极氧气传输阻力和燃料电池电化学性能的影响。计算结果表明,催化层,尤其是催化层中气相和电解质相界面是影响氧气传质阻力的重要因素。液态水膜会由于氧气极低的溶解度而显著增加氧气传质阻力,降低燃料电池的电化学性能,并且,其影响会随水膜厚度和对孔隙覆盖度的增加而明显增强。     

PEMFC的自增湿膜电极结构和性能研究

设计并制作了一种新结构的质子交换膜燃料电池(PEMFC)自增湿膜电极。其特点是在催化层和扩散层之间建立水管理层(WML),WML由不同质量比的炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)组成双层结构。为了减小气体反应物的扩散传质阻力,在WML的制作过程中加入了具有高分解温度和高溶解度的(NH4)2SO4造孔剂。用单体PEMFC的电流密度-电压曲线评价了膜电极在外增湿和自增湿方式下的极化特性;用环境扫描电子显微镜(ESEM)表征了膜电极的表面形貌和孔结构。实验结果表明,所制备的膜电极具有良好的水管理能力,在较宽的电流区域内具有良好的电化学性能。     

加湿对PEMFC性能的影响

研究了在重力作用下,反应气体的湿度对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响.通过控制加湿温度,控制反应气体的相对湿度;通过改变阴极和阳极的相对位置,来改变PEMFC内部的水管理.阳极不加湿(阴极加湿)时,PEMFC的性能最差;阴极不加湿(阳极加湿)时,PEMFC的性能最好.阳极在上时,重力对阴极排水有积极的作用;阴极在上时,重力阻碍阴极排水.     

PEMFC气体扩散层的双层结构和两相流

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的散层中水和反应气的传质、GDL的双层结构、微孔层的"水管理"机制以及GDL的研究进展.     

质子交换膜燃料电池水管理研究进展

质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)水管理不当会增加内阻阻碍氧还原反应,因此有效的水管理是提高性能和耐久性的关键策略之一。膜脱水、催化剂层溢流、质量传输和流体流动状态等现象会受到流道中水的分布和移动的影响。对PEMFC水管理的关键技术相关文献进行了综述,讨论了改善水管理的各种技术方案,汇总了采用中子成像和电子显微镜等技术对液滴的形成、扩散以及与气体扩散层GDL(gas diffusion layer)的相互作用进行研究的成果。详细分析了采用CFD模型和VOF方法模拟燃料电池微通道中的水滴运动和段塞形成。