PEM燃料电池组装接触压力的有限元分析

质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)燃料电池组装接触压力对燃料电池的性能至关重要。建立了包括燃料电池端板、电流收集器、双极板、垫片、气体扩散层(gas diffusion layer,GDL)、膜电极组件(membrane electrode assembly,MEA)和螺栓等在内完整的燃料电池三维有限元模型,采用有限元方法研究在不同组装力下PEM燃料电池的接触压力及其分布。有限元分析结果表明,燃料电池组装力增大,GDL与双极板以及MEA与GDL之间的接触压力也随之增大。组装力约为3.0 N·m时,燃料电池双极板与GDL之间的接触压力分布以及MEA与GDL之间的接触压力分布均具有较好的均匀性。     

装配扭矩对PEMFC性能的影响

建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)的三维模型,通过有限元法分析不同装配压力下电池的形变和应力分布情况,研究不同装配扭矩对PEMFC性能的影响,得到该电池模型较好的装配扭矩范围。数值模拟得到螺栓装配会导致电池产生一定程度的翘曲变形,电池的变形是不均匀的。在装配扭矩为6～7 N·m时,流道与GDL接触区域的应力分布更均匀。在不同装配扭矩下,对电池进行性能测试,验证分析得到,当装配扭矩为7 N·m时,PEMFC性能最佳。     

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。     

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。     

流线型挡板对PEMFC性能的影响

优化质子交换膜燃料电池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）的流道结构是强化反应气体传输及提升输出性能的一种重要方法。在PEMFC直流道中添加了一种新型流线型挡板结构,与矩形挡板进行了对比,并分析了流线型挡板的背风面长度对PEMFC传质特性的影响。最后在平行流场中添加流线型挡板,研究了挡板的分布方式对PEMFC性能的影响。结果表明,在直流道内添加挡板提高了挡板下方反应气体的流动速度,增加了扩散层中的反应气体总通量,PEMFC电流密度得到提高。当流线型挡板的背风面长度增加时,有利于减小挡板后方的涡流大小。此外,在平行流场中添加流线型挡板并采用交错分布时,增大了平行流场中的反应气体压降,提高了催化层中的反应气体浓度。当工作电压为0.5 V时,采用交错分布平行流场的PEMFC电流密度比常规平行流场提高了3.4%。研究结果可为今后挡板优化及分布方式的研究提供理论基础和技术储备。     

泡沫金属在PEMFC流场中的应用

优化流场结构，可提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的反应物气体传质和输出性能。泡沫金属是具有高孔隙率和高导电性的多孔材料。建立以泡沫金属为阴极流场的三维单相等温PEMFC模型，并与平行流场、波浪形流场和蛇形阴极流场模型对比，分析化学计量比对PEMFC氧气摩尔分数及电流密度的影响。泡沫金属作为阴极流场，可提高气体扩散层和催化层的反应物气体浓度，从而提高电化学反应效率；工作电压为0.30 V时，燃料电池的电流密度比蛇形流场的提高了38.84%;提高化学计量比，可提高反应气体的摩尔分数及输出性能，当阳极化学计量比从1.5提高到3.0时，气体扩散层(GDL)中的平均氢气摩尔分数提高41.02%,电流密度提高51.80%。     

质子交换膜燃料电池三种流场结构的性能研究

平行、交指和蛇形是质子交换膜燃料电池最常用的三种流场结构，为研究三者性能差异，利用CFD技术建模进行仿真分析，在反应气体均充足的条件下，对比三种流场燃料电池的氢气摩尔浓度、流道压降、催化层温度、水摩尔浓度的分布和极化曲线。结果表明，蛇形流场性能最优，交指流场其次，平行流场最差。尽管蛇形流场压降最大，但其催化层中温度最高，阳极氢气分布和阴极水浓度分布也最均匀，且其性能优势在高电流密度下更为突出。     

氢燃料电池汽车变质量加注过程建模与分析

流道内添加阻块可有效改善流道的传质和排水性能,为了从流场结构上改善氢燃料电池的输出特性,通过三维数值解析的方法,研究了蛇形流道内堵塞体积相同的各形状阻块和阻块数量非均匀布置方式,对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响。结果表明:添加阻块的流道较传统流道输出性能有所提升,其中方形阻块效果最佳,当输出电压为0.5 V时,电流密度提升21%,但流道内压力损失过大;此外,阻块数量布置的均匀性越差,其输出性能越差,但流道内压力损失越小;流道下游布置更多阻块对气体分布均匀性和出口侧除水性能均有所改善;合理的阻块布置最高可使输出性能提升4%。     

大功率PEMFC装配建模及应力状态分析

大功率质子交换膜燃料电池(PEMFC)由数百个部件层叠装配而成，特征尺度跨度大、接触界面多，难以高效准确预测内部应力分布状态。提出大功率PEMFC电堆装配等效模型，通过交替堆叠10只电池等效体和全尺寸单体电池，实现超400只电堆反应区和密封区应力分布的高效计算。与实验相比，等效模型的预测误差为5.17%。等效模型计算发现，受端板变形的影响，靠近端板的单体电池内部接触压力均匀性较差；当靠近堆心时，单体电池接触压力均匀性提升，反应区压力变大，密封区压力变小。增加端板弹性模量和流道脊槽比，可提升单体电池内部压力均匀性及电池间的应力一致性。     

质子交换膜燃料电池的三维数学模型

采用聚集体模型描述催化层结构,建立了包括蛇形流道、扩散层、催化层和电解质膜的质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维流体力学模型.模型方程借助Fluent 6.0求解.模拟极化行为与实验结果一致,证实了模型的有效性.给出了流场和工作电流密度等参数的空间分布.计算表明:在一定范围内增加催化层孔隙率和电解质含量,会降低燃料电池的性能.模型适合于考察催化层参数对PEMFC的影响.     

变截面直流道燃料电池性能分析

运用CFD软件模拟分析了10种不同变截面流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能,在相同操作条件下,对比分析了10种流道的压力分布特性、水分布特性、气体分布特性及电化学特性,详细说明了各性能随流道截面结构变化的规律。由模拟结果分析得出,V型变截面流道的各方面性能最优,其能够保证合理的压降、有效地排出反应生成的液态水、使气体更加均匀地分布于扩散层,从而保证了PEMFC性能的提升。此外,V型变截面流道PEMFC的最大功率密度比正常截面PEMFC提高了12.2%。模拟结果对PEMFC流道的设计与优化具有一定的指导意义。     

基于默里定律设计的PEMFC阴极分配器研究

为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)中流道内气体分布的均匀性，对燃料电池的流道分配器的结构进行了研究。结果表明：传统的分配器结构会导致通道间的压降差异较大，氧气分布的均匀性差，电池输出功率低。随着增加分配器主通道的宽度，压降差异有所减小，氧气分布的均匀性略有提高。而基于默里定律设计的新型分配器结构可以提高15.67%的通道压降和79.48%的氧气分布均匀性，电池的输出功率也提高约25.2%。最后通过计算推导表明：增加流场中的平均压降和减少通道间的压降差异可以改善气体分布的均匀性。     

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。     

PEM燃料电池迷宫流场双极板的电化学性能研究

双极板流场结构对质子交换膜PEM(proton exchange membrane)燃料电池的电化学性能至关重要。基于双极板的工作原理和有限元分析FEA(finite element analysis)理论,设计了一种用于PEM燃料电池的新型迷宫流场结构双极板,通过建立包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、迷宫流场结构双极板和流道在内的完整PEM燃料电池的三维模型并进行数值分析,研究具有该迷宫流道结构双极板PEM燃料电池的电化学性能。此外,还制备了具有该迷宫结构的石墨双极板试样并进行电化学性能实验。研究结果表明,在保持PEM燃料电池其他参数一致时,具有迷宫流场双极板的PEM燃料电池有较大的功率密度,其最大值为520.283 mA/cm2,实验结果与模拟结果一致,验证了数值模拟的可靠性。     

封装力对PEM燃料电池气体扩散层孔隙率的影响

质子交换膜(PEM)燃料电池中气体扩散层(GDL)的孔隙率对整个燃料电池的性能有着重要影响,而封装力是影响燃料电池GDL孔隙率的关键因素之一。采用实验和有限元模拟相结合的方法研究封装力对气体扩散层孔隙率的影响。利用压汞仪测试气体扩散层的平均孔隙率,基于有限元方法建立质子交换膜燃料电池的双极板和气体扩散层的接触模型,研究质子交换膜燃料电池中不同的封装力下气体扩散层的孔隙率变化情况。结果表明:气体扩散层孔隙率的变化沿接触中心线左右对称,接触区域孔隙率分布较为均匀,随着封装力的增加,气体扩散层孔隙率逐渐降低;而未接触区域孔隙率变化不明显。气体扩散层孔隙率有限元模拟结果与实验测试结果相吻合。     

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。     

VRFB用流场板结构的优化设计及其应用研究

全钒氧化还原液流电池(VRFB)内部的电解液流场结构的合理设计有利于提高VRFB电解液分布的均匀性,降低电池极化,从而提高电池性能。针对目前VRFB存在的低放电功率和电池效率不高的问题,设计了树形、渔网形和梯形3种新型VRFB流场板,通过研究不同流场板结构对VRFB功率、充放电性能、电池效率、电池阻抗及电池循环稳定性的影响,确定最优流场板结构以提升电池性能。研究结果表明,树形流场板、渔网形流场板和梯形流场板均能有效提升VRFB的电池性能。安装梯形流场板的VRFB具有最佳的电池性能,其电流效率提高至96.56%,电压效率提高至80.61%,能量效率提高至77.91%,放电容量相比于装配传统流场板的电池提高了34.56%,最高输出功率密度高达0.356 W/cm~2。     

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。     

SCR脱硝系统流道均流装置数值模拟与优化

为改善某选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)烟气脱硝系统流道的流场分布,采用ANSYS-Fluent软件对该流道流动情况进行数值模拟,利用正交试验方法设计18组计算工况,分析不同结构参数的导流板、多孔板、整流格栅对喷氨格栅(ammonia injection grid,AIG)上游和第1层催化剂入口速度均匀性的影响。模拟结果表明:多孔板开孔率对AIG上游速度均匀性影响最大,整流格栅间距对第1层催化剂入口速度均匀性影响最大;在优化方案下,AIG上游相对标准偏差系数Cv1值为3.94%,第1层催化剂入口相对标准偏差系数Cv2值为4.33%,系统压降为517Pa。     

大型电袋复合除尘器均流布置的数值模拟与研究

以某电厂600 MW机组电袋复合除尘器为研究对象,使用Pro/E软件,建立了3D模型,采用数值分析方法,重点研究了大型电袋复合除尘器内部的流场分布.模拟过程中,设定布袋的界面为多孔介质阶跃边界条件,电除尘器内部的气流通过改变气流分布板来调整.模拟结果显示,气流分布板设置与否、设置数量及开孔率对电除尘区速度分布有较大影响：在电除尘区的气流分布均匀性最佳时,电除尘区气流平均速度为0.78 m/s,相对均方根为0.279 9,布袋除尘区速度为0.6 m/s：在第3层气流分布板上改进开孔孔径,可有效解决电除尘区第1组灰斗内的涡流现象,从而可提高除尘效率.