燃料电池流道内液滴流动建模与分析

在燃料电池运行过程中,流道内液态水不能迅速排出将导致电堆进出口压差增大,性能下降,甚至失效。基于液滴存在于通道内造成的流速变化,建立了液滴流动的力平衡模型,推导了液态水累积极限半径。针对液滴累计过程的半径变化周期,对流道的进出口压差建立积分平均模型,获得液滴存在导致的通道进出口压差增长预测。采用两相流仿真验证模型合理性,通过模型分析了关键参数的影响。结果表明,由积水带来的压差提升效应在更深的流道中相对明显,随着流速和接触角的增加则呈先增大后减小的趋势。     

波形流道对高温PEMFC性能的影响

采用COMSOL Multiphysics软件建立高温质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维稳态模型,并进行模拟计算,分析波形流道结构参数对阴极氧气、水的浓度分布及电流密度分布的影响。波形流道结构引起的俯冲效应,流场内物质在各方向上的流速分量增大,促进氧气向气体扩散层(GDL)扩散,有利于阴极中累积水分的排出。流道中波形数量的增加,使俯冲效应效果更显著,能获得更高的电流密度。当电势为0.4 V时,电流密度从无波形直流道时的9 527.5 A/m²提升到波形数量为10时的9 758.9 A/m²,提高了燃料电池的性能。     

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气体流道中多孔介质的应用

为了使质子交换膜燃料电池(PEMFC)反应气体在气体流道(GFC)与脊岸区域中均匀分布,从而提高氢气利用率,改善电堆输出性能,利用COMSOL multiphysics建立PEMFC三维单流道模型,将多孔介质布置在GFC中,并提出了两种多孔介质的布置方案,与传统没有GFC多孔介质的方案进行比较,结果表明,新提出的两种方案较传统电堆气体分布更加均匀、拥有更大的压降,并将最佳工况点的功率密度提高了36%。     

蛇形挡板流道PEMFC性能分析

提出一种新型蛇型挡板流道设计,该流道设计是通过在传统蛇型流道中添加挡板构成的.三维数值分析表明.当操作电压下低于0.7 V时,蛇型挡板流道设计性能较传统蛇型流道有较大提高.分析电池内部氧气流量、液态水和局部电流密度发现.添加挡板增大了流道内燃料压力,电池内部受肋下对流效应影响的区域增大,由于肋下对流效应不仅提高了肋条下方多孔层氧气传输效率,同时在多孔层内产生较大的对流剪切力还可有效提高液态水移除效果,因此性能提高.压力损耗分析表明.尽管蛇型挡板流道增大了电池压损,但对本文所分析的小型燃料电池而言,增加压损引起的附加压缩功远小于电池输出功,因此压损可不予考虑.     

PEMFC新型压差流道传质与电化学性能研究

双极板是质子交换膜燃料电池（PEMFC）核心组件,极板的流道形状和尺寸直接影响反应气体的利用率以及电池的排水、散热性能。基于极板工作原理提出一种新型PEMFC压差流道构型,研究流道内阴极氧气浓度、水浓度分布、进出口压降、流速的变化,分析电流密度和极化曲线对燃料电池电化学性能的影响;50%开孔率时,对比8组低压直流道和高压直流道宽度同时增大的仿真结果发现,低压直流道和高压直流道宽度均由2.25mm减小到0.5mm时,功率密度峰值提高了31.9%。进一步探究压差流道中增大或保持一种流道宽度不变去改变另一种流道宽度对燃料电池电化学性能影响,结果表明低压直流道和高压直流道宽度均为1mm时,功率密度峰值最高可达0.39W/cm2。     

PEMFC冷却流道数值模拟及实验研究

温度是影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作性能的主要因素之一,为了使燃料电池的温度更加均匀并提升电堆综合效率,设计了一种新型冷却流道,通过CFD模拟与传统的平行流道和蛇形流道进行对比,采用表面最大温差、温度均匀指数和冷却液压降评估冷却流道性能。基于新型冷却板,装配1 kW电堆进行膜电极单体电压稳定性实验。结果表明：新型冷却板可以在降低冷却液循环耗能的基础上,保证电堆膜电极的电压均衡性,平均电压波动在±0.003 762 V,进而可进一步提升电堆综合发电性能。     

PEMFC多级横向流道交错流场参数研究

流场结构是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成部分,采用合适的流场结构能显著提高PEMFC的工作效率。设计了一种新型流场结构,将新型流场流道级数以及横截面积作为研究重点,利用三维软件COMSOL Multiphysics对新型流场进行了数值模拟和比较分析。结果表明,随着横向流道级数和进出口面积比的不断增加,电池输出性能均呈现出先增大后减小的变化趋势,采用三级横向流道能使新型流场结构有最高的输出性能,均匀递减型流道可以有效提升电池的输出功率。     

多蛇形流道几何特征的数值研究

合理的流道几何特征可以提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能;使用Fluent软件以多蛇形流场板为研究对象,从反应气体进入流场开始到排出流场结束,针对流道的几何特征进行了系统的数值研究与优化;首先用微流体元件中微流道之缓冲区的设计方法对八流道流场板入口进行了优化使反应气体流速更加均匀,然后对单一型及复合型流道截面进行了数值研究,最后研究了流道基本尺寸——流道深度、流道与脊背宽度对燃料电池性能的影响;相对最优的流道深度为0.45mm,流道宽度与脊背宽度为1mm;对实际设计及燃料电池双极板的制造有参考意义。     

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.     

质子交换膜燃料电池阴极面增湿槽道

增湿技术是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键技术之一。设计了一种阴极面带增湿槽道流场板,增湿槽道中液态水蒸发成气态水透过疏水碳纸向邻近的气体槽道和催化层扩散进行增湿。单电池在电流密度为600mA/cm2工作时,内阻在0.051～0.066Ω·cm2区间波动;表明了采用增湿槽增湿方式达到了良好的增湿效果并实现了电池稳定工作。     

拔模角对质子交换膜燃料电池流场的影响

模铸法制备质子交换膜燃料电池双极板对于降低燃料电池的制造成本有着重要意义.而模铸过程中模具拔模角度的变化,会引起双极板上流道的截面形状的变化.为了研究拔模角对流场性能的影响,在燃料电池CFD模型和实验所得参数的基础上,对阳极与阴极分别采用单通道和四通道蛇形流场、拔模角从0°到30°条件下的50 cm2单电池的流场进行了模拟计算.研究发现,随着拔模角的增大,阳极与阴极侧流道总压降先下降后上升,气体扩散层漏流量和到达反应层气体浓度则一直增加.综合考虑,建议选择阳极和阴极侧拔模角分别为14°～25°和10°～18°.     

自由呼吸式质子交换膜燃料电池的研究--三维数值分析阴极流道结构对电池性能的影响

由于阴极气体通道中的自然对流和传热传质特性与电化学反应的耦合,阴极流道对自由呼吸式质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能有着极大的影响。合理的流道设计有助于氧气质量传输和流道中水的合理分布,有效提高电池性能。根据自由呼吸式燃料电池的内部传输现象,建立了三维的流体传动,传热传质和电化学模型,基于计算流体力学(CFD)数值计算方法,利用商业CFD计算软件三维求解了Navier-stokes方程,同时利用用户自建的子程序对电化学模型及水的传输模型进行了求解,二者相互耦合。模型计算经过实验进行了验证。针对不同阴极流道开口率对实际电池性能的影响,计算了电池的内部参数。通过分析结果,提出了这种电池操作条件和设计下的最佳开口率。     

质子交换膜燃料电池的电响应研究

通过暂态实测方法,研究了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的动态响应及电压建立。通过使用燃料电池测试系统、高精度示波器和自行设计的开关电路,在不同的运行条件下对PEMFC的电响应进行测量,实验结果证明PEMFC的动态响应和电压建立与其运行条件以及单体电池在电堆中的位置有非常紧密的联系。     

质子交换膜燃料电池集流板的欧姆热效应研究

通过分析研究质子交换膜燃料电池集流板的欧姆热效应,得出了集流板欧姆热方程,并用此方程分析了不同材料、厚度、高度以及引线方式的集流板对其发热量的影响。研究发现集流板的发热量过大,会使得与其相邻的单电池由于温度过高而导致该单电池性能下降。通过对比集流板与电池的发热量,发现在一定条件下集流板的发热量已不能忽略,因而,在实际应用中必须考虑集流板的冷却设计。     

PEMFC流场结构对电池性能的影响

在PEMFC中,阴极的流场对电池性能有着重大的影响。好的阴极流场能更有效的排出电池内部生成水并大大提高电池的输出功率。在原有流场的基础上设计出具有不同特点的新型流场,再利用H2-空气PEMFC单电池进行实验比较各种流场的性能,同时对直通道和蛇型流场分别在雷诺数Re和进出口压差进行分析。比较压差与电池排水的关系,得出较高压差具有较好的电池性能。     

PEMFC双极板材料及其工艺

概述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的发展历史,指出双极板不但影响电池组的性能,而且直接影响电池组的成本,成为PEMFC产业化的阻碍。综述了PEMFC双极板常用的材料和制备工艺,着重介绍了目前已经进入小规模商业化生产的复合材料双极板的原材料和先进制备工艺。     

PEMFC动力系统的动态特性研究

研究了1个4kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)动力系统的动态特性,包括极化曲线随温度变化、负载快速变化时的动态极化曲线,负载突变时功率、电压、电流的特性。实验表明,温度对极化曲线影响主要表现在活化过电位上;动态极化曲线一般位于稳态极化曲线上部,加载和减载的动态极化曲线之间存在滞后;时间分辨率为1s时,功率、电流对突变负载的响应不存在波动,而开路电压存在波动。