组合流场PEM燃料电池的性能比较

运用燃料电池测试系统测得两种流道组合而成的四种流场(两种单一流场与两种混合流场)的PEM燃料电池的某些性能参数,并做出V-I曲线.在相同的操作参数下,比较了单一流场之间、混合流场之间以及单一流场与混合流场之间的性能差异,详细说明了四种流场的PEM燃料电池性能差异的原因.实验结果分析得出:阳极蛇形/阴极蛇形流道组成的蛇形流场PEM燃料电池性能最好,阳极直流道/阴极蛇形流道组成的混合流场性能其次,阳极蛇形流道/阴极直流道组成的混合流场性能再次,阳极直流道/阴极直流道组成的直流场PEM燃料电池性能最差;氢气流量变化对阳极直流道/阴极蛇形流道组成的混合流场PEM燃料电池性能影响明显,对阳极蛇形流道/阴极直流道组成的混合流场PEM燃料电池性能影响不明显.实验结果对PEM燃料电池流场优化具有一定的参考价值,为其推广应用提供参考依据.     

温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响

温度是燃料电池重要运行参数,为了研究温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响,通过Fluent软件的PEM模块模拟了不同运行温度下的单直流道阳极封闭式质子交换膜燃料电池性能。结果表明阳极封闭式燃料电池存在最佳运行温度;在低电流密度时,温度对电池性能影响较小,但在高温区影响变大;在高电流密度时,运行温度对电池性能影响较大。温度变化会使阳极流道内水、氮气的累积和氢气分布不均,这可能是温度对性能产生不同影响效果的直接原因。     

运行参数对单体直接甲醇燃料电池性能的影响

分别在不同温度、不同燃料浓度、不同燃料进料速度下测试了单体直接甲醇燃料电池的极化曲线、功率密度曲线以及阴、阳极的极化曲线.结果表明:随着电池操作温度升高电池性能逐渐提高,阳极极化过电位明显减小;但甲醇的渗透速率也同时增大,在阴极产生混合电位,增大了阴极极化;随着进料浓度升高,阳极出现浓差极化的电流密度增大,甲醇渗透速率增加,阴极电化学极化过电位增大;在电池运行温度、阳极燃料浓度一定情况下,进料速度对电池性能影响相对较小;在所研究的电池运行参数范围内,电池温度为60℃、阳极燃料浓度为1.0 mol/L、进料速度为2.5 mL/min时电池的性能最佳,最大功率密度为61.7 mW/cm2.     

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。     

两种不同燃料下SOFC的三维多物理场数值模拟

为确定不同燃料对电池性能的影响以及为电池燃料的选择提供理论依据,基于有限元模拟软件COMSOL Multiphysics,分别建立了以甲烷混合气和氢气为燃料的SOFC三维多物理场全耦合数值模型.研究结果表明:在0.30～1.05 V的工作电压范围内,燃料电池的功率密度都随着平均电流密度的变大,呈现出先增大,达到峰值后减小的趋势,氢气燃料电池的功率密度峰值要大于甲烷的;氢气燃料电池从入口处到出口处的温度上升了37 K,甲烷燃料电池上升了7 K,氢气燃料电池阳极出口处的温度要大于阴极,而甲烷燃料电池则正好相反;相同流量下,氢气燃料电池阴极内的空气流速小于甲烷燃料电池的,两种电池阳极燃料流速都会沿着流动方向增加.     

PEM燃料电池性能损耗的多场耦合仿真分析

燃料电池性能受到诸多因素的影响,涉及到温度、湿度、力和电化学等多种物理场,其性能损耗是多物理场耦合作用的结果,而目前大多数的仿真研究没有全面考虑这些因素,并不能准确反映PEM燃料电池实际工作条件下的性能。基于有限元理论,建立质子交换膜燃料电池性能的多物理场模型,同时考虑装配紧固力对燃料电池的变形影响,模拟了在不同装配紧固力下燃料电池电流密度分布、内部气体压力及水分布情况,分析装配紧固力对燃料电池性能的影响及燃料电池变形后接触电阻的变化,为今后PEM燃料电池多场耦合模型的性能影响参数优化研究提供基础。     

质子交换膜燃料电池性能优化数值研究

对影响质子交换膜燃料电池性能的主要参数:阴极交换电流密度、阳极交换电流密度、阴极传递系数、阳极传递系数、氧气参考浓度、氢气参考浓度进行系统的数值研究.结果表明当上述参数在一定的取值区间内按照一定规律变化时,其对质子交换膜燃料电池的性能没有任何影响,极化曲线完全重合.通过分析这些参数之间的相互关系,揭示质子交换膜燃料电池性能控制的机理,避免单一参数研究的不足,为深入研究和优化电池性能指明方向.     

交指型极板的质子交换膜燃料电池阴极模拟

介绍了采用交指型极板的质子交换膜 (PEM )燃料电池的工作原理 ,通过建立电池阴极数学模型揭示了电极内部的气体是通过强迫对流进行传递 ,指出这一传质机理能加快气体的传递 ,从而提高电化学反应速率 ;比较了采用交指型极板与常规极板的PEM燃料电池的局部电流密度和伏安曲线大小 ,指出交指型极板可提高电池的局部电流密度和极限电流密度 ,从而改善电池性能 ;最后指出增大电池进出口压差、减小气体扩散电极厚度以及增加极板流道个数都可以进一步改善采用交指型极板的PEM燃料电池的性能。     

平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池的数值模拟及性能分析

该文建立了平板状阳极支撑固体氧化物燃料电池气体输运三维模型，并对单电池作了数值模拟，分别从气体浓度分布、电势分布及浓度过电势来评价电池性能。结果表明：在高电流密度情况下，当燃料沿燃料通道方向流动未出现低燃料浓度区或产物浓度区时，电池电势在燃料流动方向上变化不大；高燃料利用率或高电流密度时，浓度过电势较高：在低反应物浓度时反应物浓度稍微变化会使浓度过电势有较大的变化；几何结构的变化对反应物在垂直于燃料流动方向阳极，电解质界面的均匀分布几乎没有影响，但对浓度过电势有一定的影响；随着阳极厚度的增大，浓度过电势也相应增大：当阳极孔隙结构参数ε/τ变大时，浓度过电势减小。     

阳极支撑平板状SOFC过电势模型及分析

平板型固体氧化物燃料电池由于具有高效率、低污染物排放等特点,是未来发电的主要方向。当电池运行产生电流时,就会伴随电荷传输产生活化极化,伴随质量传输产生浓差极化,根据材料导电性的不同相应产生一定大小的欧姆极化,从而降低了燃料电池的开路电压,并对电流密度和输出功率产生影响。为了能使燃料电池更好地运行,就必须要了解对过电势产生影响的各种因素,所以建立了阳极支撑的平板状SOFC过电势模型,分析了电流密度、温度以及一些结构参数对三种过电势的影响,对阳极支撑型和电解质支撑型燃料电池的性能进行了比较。     

燃料电池运行压力对整车燃料效率的影响

40 kW质子交换膜燃料电池动力系统可以作为小车发动机。讨论了该动力系统运行时的空气与氢气压力对燃料电池堆输出功率的影响,并综合讨论了对整体系统氢燃料效率的影响。实验数据表明,燃料电池动力系统在低压10.132 5 kPa(相对压力)运行时具有较高的整体系统氢燃料效率,为45%,而在较高压力101.325 kPa(相对压力)运行时具有相对低的整体系统氢燃料效率,为40%。     

流道截面形状对PEM燃料电池性能的影响

质子交换膜燃料电池内电化学反应生成的水和热量会对电池性能产生较大影响,而流道截面形状是影响电化学反应的因素之一.利用FLUENT软件计算了采用不同截面形状流道的质子交换膜燃料电池,获得电池电压-电流(U-(I))曲线,并分析中电流密度下不同流道电池内温度场的分布,研究了在中、高电流密度下梯形流道和圆形流道对电池内水含量分布的影响.结果表明,流道形状对电池性能影响一方面体现在流道与扩散层接触面积越大则电流密度越大,另一方面底部为弧形和侧壁倾斜的梯形流道可在一定程度上降低膜内中心部位水含量.     

风冷质子交换膜燃料电池的运行特性

风冷电堆简化了常规电池电堆的冷却和供气系统,使其便携性能得到了极大的提高.通过组装19片风冷燃料电池堆,研究了不同的风量、运行温度以及阳极尾气排放方式等对电池性能影响.结果表明:风冷电堆运行风量过大或温度过高会导致膜失水而降低电池的性能,同时阳极尾气采用脉冲排放时能提高电池性能并降低燃料的消耗量.     

直接甲醇燃料电池性能研究

以自制的PtRuMo/C和Pt/C分别为阳极、阴极催化剂制备了膜电极,考察了单电池在常压下的性能,分析了影响电池性能的因素。研究结果显示以氧气为氧化剂在常压、室温工作,50mA/cm~2时,稳定输出电压0.237V;以空气为氧化剂时,在常压、室温工作,输出电流密度40mA/cm~2时稳定的输出比功率为8mW/cm~2。适宜的操作条件:甲醇浓度为2.5mol/L,甲醇流量为1.04mol/L,氧气流量范围60￣100SCCM,空气流量范围为125￣200SCCM。电池性能的初步分析显示,催化层中存在较高的质子传递电阻,使得电池在大电流放电时性能下降较快,限制了比功率的提高。     

Performance comparison of input current ripple reduction methods in UPS applications with hybrid PEM fuel cell/supercapacitor power sources

An uninterruptible power supply (UPS) system with different input current ripple reduction methods is proposed, and a comparison research has been conducted about these methods. The proposed UPS system consists of a 63-cell 300 W proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack, two 16-cell supercapacitors (SCs) in series, a high-efficiency push–pull DC/DC converter and a half-bridge DC/AC inverter. Besides that the traditional push–pull DC/DC converter has inherent advantages of low input-current stress and high voltage conversion ratio, the SCs, LC filter, and an active clamp circuit are employed to reduce the input current ripples in the UPS system. First, the input current ripple generation and performance without an external component are analyzed and modeled in the PEM fuel cell. Then the input current ripple reduction methods mentioned above are proposed and operated in the designed UPS system. Finally, the experimental results show that the input current ripple can be further reduced by using different current ripple reduction approaches, and the active compensation method has better performance than the passive compensation method. The input current ripple is less than 5% of the rated input current.     

百瓦级一体式再生燃料电池堆研究

对百瓦级一体式再生燃料电池堆(URFC)的电性能和燃料电池(FC)/水电解(W E)双模式循环稳定性进行测试研究。所研制的百瓦级URFC电池堆双模式工作电性能优良,循环性能稳定。燃料电池模式工作条件下:电流密度为500 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压0.789 V,输出功率236 W;电流密度为1 000 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压0.681 V,输出功率409 W。水电解模式工作条件下:电流密度为1 000 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压1.628V,产生标准状态下氢气的耗能量为4.26 kW h/m 3。电流密度为500 mA/cm 2时,URFC电池堆充放电循环电压效率为51.5%。单体电池电压方差和计算结果表明,在工作电流密度0～400 mA/cm 2的窗口区间内,单体电池电压具有相对最好的均匀一致性。在100 h/20次的FC/WE双模式循环试验中,URFC电池堆性能衰减平均为1.70%。     

质子交换膜燃料电池双极板研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一,在燃料电池中主要起分隔氧化剂与还原剂、使生成的水顺利排出、分隔电池堆中的每个电池和收集输送电流的作用。质子交换膜燃料电池双极板的成本与性能对推进燃料电池的产业化进程有很大影响。双极板材料主要有无孔石墨材料、金属或合金材料以及各种复合材料,针对这些双极板材料的优缺点进行了比较。流场设计目前采用较多的是蛇形流场,其它的还有网格状流场、叉指形和肺形等。     

以Fe-N/C为阴极催化剂的Al-H2O2半燃料电池

以铝合金为阳极,Fe-N/C为阴极组装了金属过氧化氢半燃料电池,研究了H2O2浓度、KOH浓度、电解液流速及测试温度对电池性能的影响。结果表明,过氧化氢浓度为0.6 mol/L、KOH浓度为3 mol/L、电解液流速为80 mL/min时电池的开路电压为1.3 V,最大功率密度达到51 mW/cm2。恒电流放电表明电池在碱性溶液中稳定性良好。     

高功率薄型金属双极板PEM燃料电池堆研究

对高功率车用薄型金属双极板PEM燃料电池堆模块进行测试研究.电池堆模块可在空气压力110～300 kPa条件下工作,表现出良好的高、低压兼容特性.当空气压力300 kPa,电池堆温度70℃,工作电流350 A时,电池堆输出功率可达27.2 kW,其质量和体积比功率分别为777 W/kg和1 015 W/L.单电池电压方差求和计算结果显示,在工作电流50～120A的窗口区间内,单池电压具有相对最好的均匀一致性.在320A(约为1 A/cm2)放电电流下,使用纯氢/氧气的电池堆输出功率比使用氢/空气高出约10%.空气相对湿度影响测试结果,电池堆较低功率下,空气的相对湿度80%～100%为佳;而当高功率下,空气相对湿度80%为佳.另外,对4单体薄型金属双极板燃料电池短堆进行耐久性测试,累计超过2 900 h,平均单池电压衰减率约为10 mV/1000 h.     

燃料电池内电流趋肤效应现象浅析

燃料电池的耐久性和寿命是制约其商业发展的重要问题,特别是在动态负载环境下,电池的性能衰减与寿命变短问题更加突出。介绍了首次利用麦克斯韦电磁理论研究电池内部电流分布,并从理论上阐述电池在动态负载输出时,电池内电流密度分布不再均匀,且随着电流变化频率的增加,电流密度越来越向电池外围集中的现象,即电流的趋肤效应：从电池的实际运行与负载取电模式,说明了燃料电池产生电流趋肤效应的情况。最后还通过对单电池作了简化模拟分析,从数据上说明了当负载变化频率大于1kHz时,电池内部将产生严重的电流趋肤效应。说明了电流趋肤效应是燃料电池在动态负载环境下性能衰减与寿命变短的重要原因之一。