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相似文献
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1.
为了研究常规流场下阴、阳极增湿程度对电池内部水分布、传递、膜性能及水拖曳系数等的影响,对PEMFC进行二维建模,应用控制容积法对控制方程进行离散,然后求解,得到了电池内部水和反应气浓度、速度分布、膜中电流密度、电势分布及膜中水分布,考察了气体不同增湿程度对质子交换膜电导率及电池内部传质的影响.结果表明,PEMFC中水综合拖曳系数随着阳极加湿程度的增加而增大,随阴极增湿程度的增加而减小,但阳极增湿对水综合拖曳系数的影响比同增湿程度下阴极增湿对水综合拖曳系数的影响大得多.同时,随着阳极加湿程度的升高,质子交换膜(PEM)电导率急剧升高,而阴极加湿程度对PEM电导率的影响只是停留在较小的电流范围之内.故PEMFC在小电流密度工作时,应该使阳极气体充分增湿;而在大电流密度工作时,应该适当降低阳极的增湿程度以降低阴极两相流的机会,从而改善阴极的传质状况.  相似文献   

2.
PEM燃料电池中质子交换膜内水和质子的迁移特性   总被引:1,自引:1,他引:0  
孙红  郭烈锦  刘洪潭  张广升 《化工学报》2005,56(6):1081-1085
质子交换膜的水含量及水和质子的迁移对PEM燃料电池的性能具有重要影响.提出了一个稳态两相流数学模型,用以研究质子交换膜中的水迁移和水含量及其与质子传递阻力的关系.模型耦合了连续方程、动量守恒方程、物料守恒方程和水在质子交换膜中的传递方程.通过与实验数据对比,验证了模型的有效性.分析模拟结果发现,当电流密度相同时,沿气体流动方向,质子交换膜中水的电渗拉力系数、反扩散系数和水力渗透系数逐步增大,而水的净迁移系数逐步减小;同时,质子交换膜的含水量增加,质子传递阻力逐步下降;增大电池的操作压力,电渗拉力系数、反扩散系数、水力渗透系数、水净迁移系数和质子膜的含水量增加,而质子传递阻力下降,使燃料电池的性能得到了提高.  相似文献   

3.
针对质子交换膜中水分布不均匀造成燃料电池性能降低的问题,将膜和催化层中水传递方程进行耦合实现水在膜和催化层之间连续传递,建立了质子交换膜燃料电池三维稳态模型。利用有限元分析软件COMSOL进行模拟计算,研究了阳极气体在不同湿度下膜电流密度分布并组装单电池进行了验证,分析实验模拟结果表明:模拟极化曲线与实验极化曲线吻合良好。湿度对电流密度分布影响很大,低湿度条件下,脊背下方电流密度大于气体流道下方;高湿度条件下,电流密度分布比较均匀;采用Nafion117较厚膜时,高电流密度下,即使阳极加湿,阳极侧也有脱水的可能。  相似文献   

4.
质子交换膜燃料电池稳态自增湿性能分析   总被引:1,自引:1,他引:0       下载免费PDF全文
李英  周勤文  张香平 《化工学报》2014,65(5):1893-1899
增湿及水管理系统使得燃料电池系统结构复杂,质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)自增湿操作在实用化方面逐渐引起研究者的兴趣。提高PEMFC自增湿性能的关键在于对生成水的有效管理,保证质子交换膜的良好水合。实践证实采用自增湿膜电极组件是一个有效途径。本文建立催化层中增加保水层的水传递平衡模型预测膜中水的分布,考察自增湿操作的可行性和稳定性。数值分析表明:只有低于50 mm(如Nafion112)的薄膜能满足电池自增湿膜水合的要求。保证膜水合性能和电池操作稳定性的电池温度为60℃,操作压力为0.15 MPa,阴极气体过量系数可以增大到1.8。在上述操作条件下,电池自增湿性能与饱和增湿有可比性,与饱和增湿最佳条件有差距。因此PEMFC自增湿性能在综合考虑降低成本和费用,简化结构和操作时具有可行性,但不能替代增湿操作。  相似文献   

5.
质子交换膜燃料电池稳态自增湿性能分析   总被引:1,自引:0,他引:1  
增湿及水管理系统使得燃料电池系统结构复杂,质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)自增湿操作在实用化方面逐渐引起研究者的兴趣。提高PEMFC自增湿性能的关键在于对生成水的有效管理,保证质子交换膜的良好水合。实践证实采用自增湿膜电极组件是一个有效途径。本文建立催化层中增加保水层的水传递平衡模型预测膜中水的分布,考察自增湿操作的可行性和稳定性。数值分析表明:只有低于50?m(如Nafion112)的薄膜能满足电池自增湿膜水合的要求。保证膜水合性能和电池操作稳定性的电池温度为60℃,操作压力为0.15 MPa,阴极气体过量系数可以增大到1.8。在上述操作条件下,电池自增湿性能与饱和增湿有可比性,与饱和增湿最佳条件有差距。因此PEMFC自增湿性能在综合考虑降低成本和费用,简化结构和操作时具有可行性,但不能替代增湿操作。  相似文献   

6.
质子交换膜燃料电池两维、两相流动模型   总被引:1,自引:0,他引:1  
提出了考虑电池内部两相流动的质子交换膜燃料电池数学模型,模拟了阳极、阴极两侧的流道和扩散层中同时发生两相流动时电池内部的各种传递特性,并用实验数据验证了该模型的准确性。模拟结果显示,当电池阴极扩散层中有液态水存在时会大大降低膜中的局部电流密度;质子交换膜中水的净通量方向可正、可负,因此电池的增湿策略应根据不同的运行工况而不断变化。  相似文献   

7.
质子交换膜水电解(PEMEC)是极具发展前景的水电解制氢技术,但其发展受到成本与能耗的限制。为了有效改善质子交换膜电解池阳极通道内热量传递和气液两相传递能力并提高电解性能,对电解池通道壁面结构进行研究。基于电化学原理、传质传热理论,建立了三维非等温质子交换膜电解池单通道模型,对电解池阳极通道速度、温度以及气液两相分布等方面进行分析,研究了仿生沟槽和常规沟槽对电解池热质传递以及电化学性能影响。结果表明,(1)电解池阳极通道中加入沟槽对电解池流体速度、热质传递性能及电化学性能均有不同程度优化;(2)仿生曲面沟槽相较于常规几何沟槽,对电解池各方面性能的优化效果更加显著,仿生曲面沟槽与三角形和V形沟槽相比,阳极通道传热系数分别提高10.8%和28.2%,液态水和氧气最大传质速率相对优化率达到47.0%和83.3%;(3)沟槽间距会影响通道流体扰动程度,扰动次数和沟槽数目呈正相关,当通道长度一定时,沟槽间距越小,扰动越频繁,电解池通道流体速度增大,电解池整体性能提升。研究结果可为质子交换膜电解池的设计提供一定参考。  相似文献   

8.
质子交换膜燃料电池膜中气态水管理模型   总被引:2,自引:0,他引:2       下载免费PDF全文
李曦  曹广益  邵庆龙  朱新坚 《化工学报》2006,57(9):2167-2174
分析质子交换膜燃料电池的膜水含量与运行参数的关系,从工程方法的角度建立水传输模型.模型分析得到,要提高膜的水合程度,需要通过增湿反应气体.过高的增湿反应气体又会引起阴极扩散层水的泛滥,需通过调节反应气体流量来缓解水的泛滥.为保证膜的高水合程度和低的阴极扩散层水的泛滥,建立了膜水含量的神经网络控制模型,为电池水管理奠定了基础.  相似文献   

9.
为了研究扩散层各向异性对电池性能的影响,以XD=Di,j ^y/Di,j ^x 为各向异性的表征,建立了使用常规流场的质子交换膜燃料电池二维传质模型.考虑了阴阳极内物质的对流和扩散、水和质子在膜内传递以及催化层的电化学反应.利用有限差分法对控制方程进行离散,采用逐次超松驰法求解得到了阴阳极反应气体和水的浓度分布以及催化层电流密度、膜中水含量、膜中电势和电流密度的分布.分析结果表明:在1≤XD≤4时增大XD有利于提高电池性能,但随着XD增大其对电池性能的影响逐渐减小;并且XD对电池性能的影响主要体现在对阴极和膜性能的影响上,其对阳极性能的影响甚微.  相似文献   

10.
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极(MEA)由质子交换膜、催化层、水管理层(WML)和扩散层组成。研究了WML的厚度和聚四氟乙烯(PTFE)的含量对膜电极性能的影响,并采用了两种新型造孔剂(碳酸氢铵和硫酸铵)优化WML的孔结构。采用环境扫描电镜(ESEM)表征了膜电极的表面形貌和孔结构;采用单体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,结果表明,WML的建立提高了膜电极的水管理能力,使膜电极在自增湿方式下具有良好的极化特性。  相似文献   

11.
In this work, membrane resistance measurement and water balance experiment were implemented to investigate the feasibility for a PEM fuel cell operating with dry hydrogen. The results showed that when a thin membrane was used in a cell the performance and the membrane resistance changed a little while the anode humidity changed from saturated to dry. Comparing with the anode humidity, the influence of the cathode humidity was serious on the cell performance. The water balance experiments showed that the net water transport coefficient was negative even the anode was humidified and liquid water existed not only in the cathode but also in the anode. High cathode humidity was disadvantage for the removal of water both in the anode and the cathode.  相似文献   

12.
This work demonstrates that the operation of a subsaturated polymer electrolyte fuel cell in counterflow mode results in a significantly elongated relaxation time after a load change, if compared to coflow mode. This effect is investigated here by using combined dynamic locally resolved measurements of the current density, the high frequency resistance, and the relative humidity. It is shown that the elongated relaxation time is a consequence of slow membrane hydration in the region of the cell, downstream the anode flow field, where the diffusive flux of water across the membrane occurs from the anode to the cathode. Here, the anode gas stream, which is humidified upstream the anode flow field via back diffusion of water from the cathode to the anode, is the only source of water for both membrane hydration and the internal humidification of the cathode gas stream, which passes the cell in opposite direction.  相似文献   

13.
Three-dimensional numerical simulation of straight channel PEM fuel cells   总被引:30,自引:0,他引:30  
The need to model three-dimensional flow in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells is discussed by developing an integrated flow and current density model to predict current density distributions in two dimensions on the membrane in a straight channel PEM fuel cell. The geometrical model includes diffusion layers on both the anode and cathode sides and the numerical model solves the same primary flow related variables in the main flow channel and the diffusion layer. A control volume approach is used and source terms for transport equations are presented to facilitate their incorporation in commercial flow solvers. Predictions reveal that the inclusion of a diffusion layer creates a lower and more uniform current density compared to cases without diffusion layers. The results also show that the membrane thickness and cell voltage have a significant effect on the axial distribution of the current density and net rate of water transport. The predictions of the water transport between cathode and anode across the width of the flow channel show the delicate balance of diffusion and electroosmosis and their effect on the current distribution along channel.  相似文献   

14.
质子交换膜燃料电池二维全电池两相流综合数值模型   总被引:1,自引:1,他引:1  
张亚  朱春玲 《化工学报》2008,59(1):173-181
针对直通道质子交换膜燃料电池(PEMFC)建立了一个二维全电池综合数值模型,模型综合考虑参与电化学反应的三个要素反应物质、电子和质子的传输过程以及液态水的淹没和膜内水传输现象。研究了供气压力、液态水淹没对电池性能的影响;比较了不同输出电压、供气湿度等条件对阴极液态水饱和度分布以及电解质膜含水率的影响;预测了基准供气状态下电池的极化曲线和文献报道的实验结果吻合很好。计算结果显示:输出电压越小液态水淹没电极现象越严重;阴极液态水的生成有利于膜的浸润保持较高电导率,但是会淹没电极使有效电极面积减小,导致电池性能下降。  相似文献   

15.
B. Carnes 《Electrochimica acta》2006,52(3):1038-1052
Transport of liquid water within a polymer electrolyte membrane (PEM) is critical to the operation of a PEM fuel cell, due to the strong dependence of the membrane transport coefficients on water content. In addition, enhanced predictive abilities are particularly significant in the context of passive air breathing fuel cell designs where lower water contents will prevail in the membrane. We investigate and analyze the numerical predictions of a recently proposed rational model for transport of protons and water in a PEM, when compared to a widely used empirical model. While the performance is similar for a saturated membrane, for PEMs with low water content, the difference in computed current density and membrane water crossover can be substantial. The effects of coupling partially saturated gas diffusion electrodes (GDLs) with the membrane are studied in both a 1D and 2D context. In addition, a simplified 1D analytical membrane water transport model is validated against the complete 1D model predictions. Our numerical results predict a higher current density and more uniform membrane hydration using a dry cathode instead of a dry anode, and illustrate that the strongest 2D effects are for water vapor transport.  相似文献   

16.
Mathematical model of the PEMFC   总被引:11,自引:0,他引:11  
  相似文献   

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