扩散层孔隙率对PEMFC性能影响的模拟研究

为了研究扩散层孔隙率对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响,采用COMSOL软件,通过数值模拟得出气体扩散层不同孔隙率(0.2,0.4,0.6和0.8)时,单直通道和具有楔形肋片(长1 mm,高1.5 mm,宽2 mm)的PEMFC性能曲线、阴极氧气质量分数分布和水质量分数分布。结果表明:扩散层孔隙率对燃料电池性能具有较大影响,随着扩散层孔隙率从0.2增大到0.8,PEMFC的电流密度逐渐增加,最大可达847 mA/cm~2;相对于单直通道,增加孔隙率比添加楔形肋片更利于提升电池性能;在孔隙率为0.6和0.8时,氧气更易扩散到反应区,排水效果更好。     

不同流场结构对PEMFC性能影响的模拟研究

该文模拟常规矩形平行流场、正六边形平行流场和正六边形蜂窝状仿生学流场对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响。通过对极化曲线、氧气和水分布、膜电流密度以及压降和寄生功率密度进行分析,结果表明：正六边形流场表现出良好的输出性能,且正六边形蜂窝状流场的电流密度比常规矩形平行流场和正六边形平行流场分别提升11.28%和4.95%。此外,常规矩形平行流场、正六边形平行流场和正六边形蜂窝状流场的氧气不均匀度分别为0.64、0.53和0.41,正六边形蜂窝状流场展现出更好的水和膜电流密度分布能力,进一步说明正六边形流场缓解了氧气、水和膜电流密度分布不均匀的问题。正六边形蜂窝状流场压降虽比常规矩形平行流场和正六边形平行流场分别增加40.0%和27.7%,有较高的寄生功率密度,但仍获得了最大的净输出功率密度。     

气体扩散层厚度对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的气体扩散层(GDL)厚度对燃料电池的输出性能有重要影响。文章利用多物理场直接耦合分析软件(COMSOL Multiphysics 5.0),在电池温度为70℃的条件下,对4种不同厚度的GDL进行模拟分析,并在相同的操作条件下,得到了4组极化曲线、阴极氧气浓度、阴极水浓度、阳极氢气浓度以及电流密度的变化趋势图。对比分析4组变化趋势图后发现:GDL的厚度越小,燃料电池的性能越好;GDL的厚度对阳极氢气的浓度分布影响不大;当GDL的厚度增大时,产生的液态水会堵塞GDL的孔隙,降低GDL的孔隙率。     

不同衰退机理对PEMFC怠速工况性能衰退影响的模拟研究

分析质子交换膜燃料电池(PEMFC)怠速工况衰退机理,确定怠速工况不同衰退机理对燃料电池模型参数的影响,采用所建立的PEMFC二维等温多物理场模型,仿真研究燃料电池在怠速工况衰退前后的性能及各种衰退因素对电压衰减量的贡献和内部反应气体分布变化.研究结果表明,阴极活化损失增大是怠速工况下最重要的衰退因素,其次是开路电压衰...     

变工况对带涡流发生器的PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效的能量利用装置。为了提高其工作性能,在其中加装涡流发生器,并研究工况对其性能的影响,对其进行了单因素和多因素影响分析,利用响应面法建立数学关系式。结果表明：加装涡流发生器,可以明显改善PEMFC温度均匀性、提高燃料利用率、改善通道排水,对燃料电池的性能有明显提升,电压为0.4 V时电流密度提升了55.4%;在所选区间内温度为65℃,相对压力为100 kPa,湿度为60%,化学计量比为2.50时,燃料电池的功率密度最大。     

阴极挡板排列对PEMFC反应物输运和性能的影响

为了改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能,采用流道内使用挡板堵塞的方法,以增强反应气体向催化层的传质。建立了一个三维、两相、稳态的PEMFC数值模型,研究了凸字排布、顺排和逆排这3种不同阴极流道挡板的排布方式对PEMFC性能的影响,并与无挡板常规流场进行对比,然后在最佳排布方式的基础上研究了挡板形状(矩形、梯形和半圆形)对PEMFC性能的影响。结果表明：PEMFC阴极流道挡板顺排性能最好,相较于无挡板常规流道,净功率提升了14.3%;使用梯形挡板的PEMFC性能最好,相较于无挡板常规流道,净功率提高了16.4%。     

气体扩散层结构对PEMFC性能影响二维数值模拟

质子交换膜燃料电池在运行过程中反应物从流道传输至催化层时会经过气体扩散层,气体扩散层即 可用来传输反应气体,又用来排出反应物生成的水,所以探究气体扩散层的结构对参加反应的物质及生成物 传输的影响规律有助于了解其分布情况。通过数值模拟比较了穿孔型、树状型和不规则形状气体扩散层在不 同孔隙率下顺流流动时对电池性能的影响情况。计算结果表明,气体扩散层结构严重影响质子交换膜燃料电 池性能,三种不同形状的气体扩散层对应的电性能随孔隙率的变化规律各不相同,到达催化层表面氧气的含 量受扩散层结构影响比氢气大,气体扩散层结构对阴极侧生成物水含量的影响不可忽略。     

外界供给参数对PEMFC输出性能及水热平衡的影响

为了改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部的水热平衡,从而进一步改善PEMFC的输出性能,文章建立了PEMFC的三维模型,通过改变PEMFC的外界供给参数(进气速度、加湿率以及冷却水流速),应用COMSOL模拟仿真得到了PEMFC的极化曲线和功率曲线、流道和气体扩散层(GDL)的水浓度分布情况,以及冷却水流速对PEMFC温度的影响。研究结果表明:随着进气速度和加湿率的逐渐增加,PEMFC的输出性能均逐渐提升,但是,过高的加湿率可能导致电极水淹;随着冷却水流速的增加,PEMFC温度加速下降,膜内温度分布变得更均匀。     

基于鹦鹉螺仿生结构的流道对PEMFC性能提升研究

提出一种基于鹦鹉螺旋转结构的仿生流道并建立三维单相、等温的CFD数值模型进行多物理场模拟研究,该流道进气口位于中心位置,反应气体从流场中心进入,向周围环形流道依次流动。将传统蛇形流道与鹦鹉螺仿生流道进行数值模拟分析,发现鹦鹉螺仿生流道具有反应气体分布更加均匀、除水效果更好、浓差极化损失较小、输出性能更好等优势,相比蛇形流道的峰值电流密度提升46.77%、峰值功率密度提升21.53%。     

新型拓展流道PEMFC传质模拟与性能研究

该文提出一种带有拓展区域的新型PEMFC流道,拓展区域长度分别设计为1、2和4 mm。采用COMSOL软件建立三维等温稳态模型并进行数值计算。结果表明：新型拓展流道PEMFC性能均优于传统直流道PEMFC,其最佳拓展长度为2 mm。在高电流密度下,拓展流道使氧气分布更加均匀,提升水的去除能力。当取最佳拓展长度时,增加拓展区域数量能进一步提升燃料电池性能,与传统直流道相比,双拓展区域的流道使PEMFC峰值功率密度提高了18.44%。     

基于神经元的PEMFC仿生流道性能模拟研究

质子交换膜燃料电池的流道结构对反应气体的流动和压降等具有重要影响。受神经元结构启发,提出一种兼顾径向流道和仿生流道在压降和气体分布均匀性优点的新型仿生流道结构。通过COMSOL软件模拟研究该新型流道的分支数（2~9）对质子交换膜燃料电池的性能曲线、阴极氧浓度分布、水浓度分布及压降的影响。结果表明：增加流道分支数可提高质子交换膜燃料电池的输出性能,其中9分支流道的峰值功率密度最大,为0.32 W/cm²,相比于2分支流道增加了的146.15%;分支数的增加也会提高氧浓度分布的均匀性,阴极气体扩散层与催化层交界面处的平均氧浓度从0.44 mol/m³提高到1.42 mol/m³,氧气不均匀度从2.13降低至0.90;分支数的增加也明显改善了弧形流道内的水浓度分布。此外,随着流道分支数从2增加到9,流道压降从38.57 Pa递减至4.47 Pa,质子交换膜燃料电池的输出功率从0.40 W递增到1.56 W。     

钙离子对质子交换膜燃料电池性能衰减机理研究

采用试验方法,通过向质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极(阳极和阴极)注入2种浓度(200和500 mg/L)的Ca~(2+)溶液,研究Ca~(2+)对PEMFC电化学性能的影响;通过扫描电镜(SEM),能量散射谱仪(EDS)和电子探针(EPMA)对经Ca~(2+)污染20 h后的电池性能的衰减机理进行研究。实验结果表明,经200和500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,电池的电化学性能衰减明显,随着Ca~(2+)浓度的增加,电池电化学性能衰减程度增大;SEM和EDS实验结果表明,经500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,阴、阳两极的气体扩散层分别与阴、阳两极的催化层剥离,在质子交换膜、阳极催化层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层均发现Ca元素,在质子交换膜上Ca元素含量高于其他部件上;EPMA实验结果表明,Ca~(2+)污染PEMFC阳极后,Ca元素主要存在于质子交换膜上;研究结果表明,PEMFC电化学性能衰减的机理主要是由于Ca~(2+)与质子交换膜中的质子发生离子交换反应并取代质子交换膜中的磺酸根基团上的质子形成新的磺酸盐结构所致。     

挡板式8通道蛇形流道PEMFC的性能研究

基于提高质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的内部传质,增强其排水特性、气体分布特性,达到改善其工作性能的目的,建立了三维、稳态、恒温的8通道蛇形流道PEMFC模型,深入分析与讨论了有、无挡板对PEMFC内部传质的影响,以及挡板的阻塞比及挡板数量对PEM...     

形貌对通孔金属泡沫辐射性能的影响

本文借助PerkinElmer 光学测试系统实验研究了不同形貌通孔金属泡沫的漫反射率和漫透射率。实验结果表明,材质对金属泡沫的漫反射率有重要的影响。铜泡沫的漫反射率随着孔密度的增大而减小,而镍泡沫的漫反射率变化趋势则相反。无论是铜泡沫还是镍泡沫,吸收率皆随着孔密度的增大而增大,消光系数随着孔密度的增大而增大。对于烧结有铜板的铜泡沫,吸收率随着孔隙率的增大而增大。     

不同气体相对湿度与氧气流量下梯度磁场对PEMFC工作性能的影响

文章在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极侧加载强度为360 mT的梯度磁场,研究不同气体相对湿度与不同氧气流量下梯度磁场对PEMFC工作性能的影响。研究结果表明:在PEMFC阳极侧加载梯度磁场有利于提高PEMFC的工作性能;随着气体相对湿度的逐步升高,PEMFC的输出功率密度随之提升,且梯度磁场对不同气体相对湿度下的中、高电流密度区域的PEMFC工作性能有稳定的提升效果;当阴、阳极的气体相对湿度为100%时,加载梯度磁场后的PEMFC输出功率密度达到最高;当氧气与氢气的流量相同且较低时,梯度磁场对PEMFC的工作性能有大幅度的提升效果;当氧气流量大于氢气流量时,梯度磁场对PEMFC的影响在高电流密度区域更为显著,但过高的氧气流量会对PEMFC的工作性能起到抑制作用;在阳极侧垂直加载梯度磁场,能够降低PEMFC对环境的敏感性。     

空气流向对空冷PEMFC影响的实验及仿真研究

针对不同空气流向对电堆性能的影响进行ANSYS/Fluent仿真分析,开展实验研究,在环境温度、风扇转速等外界条件不变的情况下,测量两种不同工作温度下外部风扇"吸风"与"吹风"两种空气流动方式对电堆总输出和各单电池输出特性的影响。结果表明:采用"吸风"方式供应空气(即正向流动)时,电堆的均匀性和稳定性等性能明显较好。考虑到电堆使用寿命,空冷质子交换膜电堆采用空气正向流动方式更为有利。     

PEMFC翅脉流道传质及输出性能分析

为研究流道结构对质子交换膜燃料电池（PEMFC）反应气体质量传输及输出性能的影响,建立翅脉流道、叶脉流道及蛇形流道的三维PEMFC几何模型,并对比3种流道的反应气体浓度分布、压力分布及电流密度分布,最后对翅脉流道结构参数进行优化。结果表明,与蛇形流道、叶脉流道相比,翅脉流道能明显改善流道和扩散层内反应气体浓度分布的均匀性,有利于强化反应气体向催化层的质量传递;翅脉流道能减小气体压力分布梯度,使反应气体扩散更加充分;翅脉流道的平均膜电流密度更大,有利于促进电化学反应稳定进行;翅脉流道能改善PEMFC的输出性能,翅脉流道峰值功率密度比蛇形流道、叶脉流道分别提高7.72%和6.25%;减小翅脉流道的直流道长度或圆弧流道圆心角,可提升翅脉流道输出性能。     

基于频率正割角的PEMFC性能优化

传统EIS法利用扫频的方式得到阻抗谱曲线,进而对燃料电池内部进行水热管理。然而该方法测试时间冗长且过程繁琐,不适合在线实时优化。该文在此基础上提出一种快速EIS法——频率正割角法,通过引入阻抗正割角α,将传统EIS法使用一组频率信号简化为最高频率M_1和高频转折频率M_2这2个高频信号,通过采样这两处频率点的阻抗信息,获得两点连线与实轴的夹角α,并利用仿真及实验得出理想条件下转折频率f_(opt)和α_(opt),作为控制标准,将当前状态下α与理想条件下α_(opt)对比进而对操作条件进行调节,实现燃料电池堆内部快速的水热管理,比传统方法更加经济实用。     

阴阳极饥饿对PEMFC单电池动态性能影响

该文以质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)单电池为研究对象,研究不同的氢氧饥饿程度条件下,PEMFC单电池极化曲线、功率密度和高频阻抗的变化。该研究结果表明,氧饥饿对PEMFC单电池性能有显著影响,减小空气过量系数,极化曲线下降速率加快,最大功率密度减小,单电池性能衰减加快;而氢饥饿对PEMFC单电池几乎无影响,只有当氢气过量系数降至1.1时,PEMFC单电池的输出性能略有提高;阴阳极侧的交流阻抗随着气体过量系数的减小均表现为增加的趋势。     

PEMFC的关键技术及其影响电池性能和规模应用的主要因素

燃料电池是一种全新的能量转换装置,它将存储在燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能,是近年来国内外研究的热点技术之一。对质子交换膜燃料电池的关键技术和目前主要研究方向、研究热点和重点,影响质子交换膜燃料电池的性能主要因素,以及燃料电池大规模应用存在的主要瓶颈问题等进行了综合分析。