基于装配力的燃料电池性能数值解析

建立三维、稳态、恒温8通道蛇形流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,在研究装配力与扩散层(GDL)厚度、GDL孔隙率、GDL变形对流道的侵入量、GDL与双极板(BP)间的接触电阻的前提下,利用CFD软件分析不同装配力下PEMFC的传质、电化学性能.研究结果表明:装配力能够通过影响GDL厚度、GDL孔隙率、侵入量来影...     

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。     

阴极堵块高度和过量系数对PEMFC传质的影响

建立堵块高度分别为50％、70％、90％和94％的强化传质流道三维模型与传统直流道单流道三维模型,研究阴极堵块高度和过量系数对PEMFC传质的影响,分析两种改善传质性能方法的差异.堵块能够增大流道的传质阻力,迫使反应气体向气体扩散层(GDL)和岸下区域扩散.增设堵块能在各种电流密度下提升氧气浓度.增大过量系数,在电流密...     

PTFE含量对PEMFC性能影响的数值分析

建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)二相流模型,利用实验矫正模型参数,对3种不同聚四氟乙烯(PTFE)含量的PEMFC进行分析。PTFE含量的增加,有助于缓解气体扩散层(GDL)的水淹,10%PTFE含量能极大地提升GDL的排水性能;PTFE含量并非越高越好,PTFE含量为10%时,氧气的扩散系数最大,PEMFC性能最优。     

PEMFC船形堵块阴极流场的性能

建立流体体积(VOF)两相流模型,研究船形堵块流道的排水性能。建立不同开孔率的船形堵块流道三维模型,研究船形堵块及开孔率对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响。船形堵块流道峰值净功率密度相较于传统直流道可提升9.4%,相较于同堵塞率下的梯形堵块流道可提高2.9%,具有较好的强化传质作用。通过提高船形堵块流道的开孔率,PEMFC可以获得更好的性能。在相同开孔率下,船形堵块流道的氧气摩尔浓度较直流道和梯形堵块流道分别提高28.6%和14.0%。结果表明,相较于传统直流道,船形堵块流道可降低排水周期和流道内平均水含量,具有更好的排水性能。     

质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以提供较高的功率/能量密度,是未来空间探索最有前途的动力设备之一,其性能主要取决于内部反应物的传输和水管理。气体扩散层(GDL)作为燃料电池中的重要组成部件,与燃料电池的质量、水、热和电的多相传输紧密相关,是反应物和液态水的主要传输场所。因此,要提高燃料电池性能,合理的气体扩散层的设计至关重要。从提升空间燃料电池的使用寿命、稳定性及电化学性能的角度出发,综述了气体扩散层的物理化学特性,并介绍了多种改性方法,包括疏水性、结构和新型一体式GDL以及其对燃料电池性能的影响,为未来空间燃料电池高性能GDL设计提供了参考。     

质子交换膜燃料电池水管理研究进展

质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)水管理不当会增加内阻阻碍氧还原反应,因此有效的水管理是提高性能和耐久性的关键策略之一。膜脱水、催化剂层溢流、质量传输和流体流动状态等现象会受到流道中水的分布和移动的影响。对PEMFC水管理的关键技术相关文献进行了综述,讨论了改善水管理的各种技术方案,汇总了采用中子成像和电子显微镜等技术对液滴的形成、扩散以及与气体扩散层GDL(gas diffusion layer)的相互作用进行研究的成果。详细分析了采用CFD模型和VOF方法模拟燃料电池微通道中的水滴运动和段塞形成。     

PEMFC气体扩散层的双层结构和两相流

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的散层中水和反应气的传质、GDL的双层结构、微孔层的"水管理"机制以及GDL的研究进展.     

质子交换膜燃料电池阴极液态水传输模型

通过分析确定了质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极膜/扩散层界面和流道/扩散层界面出现液态水的临界电流密度值与阴极反应气体流速的关系。建立了阴极液态水传输模型。模型分析得到,在相同电流密度下,阴极膜/扩散层界面的饱和度高于流道/扩散层界面;随电池温度的升高和入口气体相对湿度的降低,膜/扩散层界面水饱和度下降。同时基于文中条件,由水饱和度的瞬态特性分析表明,在较短的时间内水饱和度达到稳态。这些结果将为电池水管理提供依据。     

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。     

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。     

一种无排水质子交换膜燃料电池系统的设计

基于自制质子交换膜燃料电池(PEMFC)及相关设备,结合脉动进氢原理,设计搭建无排水PEMFC系统并提出相应的控制策略,加强脉动进氢的效果,使流道内部界面的生成水更均匀,水平衡更好,PEMF℃系统无需进行定期排水。经实验验证,实现了PEMFC无排水,避免了由此带来的不足和缺陷,同时能够保持PEMFC的输出性能稳定近8 h无衰减。     

PEMFC树状分形流场传递过程的数值分析

对树状分形流场的质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行了三维数值模拟。建立了三维稳态两相等温模型来研究树状分形流场燃料电池内的流体流动、多组分的传递过程和电化学反应过程。分别从PEMFC在大电流密度时和小电流密度时的氧气浓度、水蒸气浓度、液态水浓度和膜中的水含量、电流密度来进行了讨论。结果表明:在大电流密度下物质的传输速度变大,阴极生成更多的液态水,流场和扩散层中的氧气浓度要比低电流密度时要小。膜中的水含量在流道入口处最小,故此处膜对质子的传递性能最差。     

燃料电池气体扩散层制备工艺的优化及其应用

基于丝网印刷工艺,通过连续印刷、340℃焙烧(方法一),间隔印刷、340℃焙烧(方法二),间隔印刷、280和340℃分段焙烧(方法三)三种不同的方法制备燃料电池气体扩散层(GDL)。采用扫描电子显微镜(SEM)技术对三种GDL的表面形貌进行表征;利用四探针测试仪测试三种GDL的电阻率;借助比表面积及孔隙分析仪对三种GDL的BET比表面积和孔容进行测试。将制备的三种GDL分别应用于燃料电池测试,发现基于方法三制备的GDL的PEMFC单电池性能最好。实验结果表明:采用间隔印刷和分段焙烧(280和340℃焙烧)可以优化GDL表面结构、增加GDL的比表面积和孔容、降低GDL的电阻率;应用于PEMFC中,可以提高电池的极化性能。     

开孔率对台阶形流道性能影响研究

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道开孔率对台阶形流道的传质、水管理、电化学性能影响机理不明的问题,探究开孔率对台阶形流道在氧浓度、水分布、流道流速分布、电池功率密度等方面的影响规律.结果表明:极板构型可直接影响台阶形流道氧气浓度和浓度差;相同流道宽度的条件下,较高开孔率的台阶形流道氧气浓度更高且浓度分布均匀,水分布更均匀,排水性能更好;开孔率为62.5％的流道相较于开孔率为40％的流道功率密度峰值可提升26.5％,电流密度可提升17.1％.     

质子交换膜燃料电池水热管理特性研究

质子交换膜燃料电池水热管理问题是影响电池输出性能的一个重要因素。建立了带冷却流道的三维、两相、非等温单直流道PEMFC模型,并运用计算流体力学(CFD)对燃料电池进行数值模拟,以温度、物质质量分数、膜水含量等水热管理关键因素揭示电池内部传质传热过程和电化学特性。同时研究了不同反应气体进气方式、冷却水流动方向及冷却水温度对PEMFC输出性能的影响,为燃料电池的水热管理优化、实现产业跃进式发展提供参考。结果表明：若燃料电池产物水未及时排除,阴极侧流道尾端易出现水淹现象;当PEMFC采用同向顺流或同向逆流模式时,当冷却水温度等于电池工作温度(353 K),膜温度和水含量分布较为均匀,燃料电池的输出性能较好。     

扩散层各向异性对质子交换膜燃料电池影响的研究

建立了一个三维多相流传热传质模型,深入研究扩散层传输参数的各向异性对温度、液态水含量以及电池性能的影响。研究结果表明当模型中考虑导电系数的各向异性时,电池的电流密度在电压为0.7 V时会下降一半,只有0.37A/cm2。而导热系数和渗透率的各向异性对电池性能的影响不是很大,但是其对相同情况下电流密度的分布情况却有很大的影响。对于GDL中液态水的分布情况而言,各向异性的导电系数由于降低了电化学反应的速率而使得在脊部下方的GDL处液态水的含量最少。而各向异性的渗透率导致了在垂直平面方向,液态水很难排出到流道中,各向异性的导热系数对液态水的分布几乎没有任何影响,但是其使得电池内部的温度分布更加均匀。     

仿猪笼草结构的质子交换膜燃料电池流道设计

模仿猪笼草口缘表面特殊的周期性鸭嘴形微腔结构,设计了一种具有定向液体输运功能的新型质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道.通过数值模拟研究发现,带有新型仿猪笼草结构流道的PEMFC比带有传统光滑流道的PEMFC的性能显著提高.同时还与几种带有类似结构的流道进行了对比,结果表明,带有仿猪笼草结构的新型PEMFC流道除了能增...     

PEMFC阴极的强化传质机制

建立强化传质流道三维模型及直流道单流道三维模型,研究堵块高度和阴极过量系数共同作用下质子交换膜燃料电池(PEMFC)的传质性能,提出可预测电池性能影响因素的无量纲数K.K<30时,影响电池性能的因素主要是缺乏反应气体;K>40时,影响电池性能的因素是:流道结构对反应气体的容纳量有限,过大的压降所造成的泵送功率的提升幅度大于电池功率.增设堵块的结构能够使PEMFC在大过量系数下发挥更好的传质强化效果,以94％高度堵块为例,相较于直流道,氧气摩尔浓度在高、低电流密度下的提升幅度分别为38％和20％.     

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。