直流道PEMFC的综合三维数学模型Ⅱ单电池机理分析

目的研究质子交换膜燃料电池内部的流动和传质过程及电化学反应过程的机理.方法对直流道质子交换膜燃料电池建立综合的三维多组分数学模型,电化学反应速率采用团聚块模型修正,自主开发程序代码对电池内的复杂物理过程进行数值模拟.模拟得到电池内部反应气体的三维速度场、压力场,以及不同电流密度下的气体组分质量分数、局部电流密度和电极反应过电势的三维分布.结果反应气体在电极中的流速比在流道中小3个数量级以上,压力变化不大;阳极反应速率及氢气的传质速率高,电池的极化过电势主要来自于阴极反应;小电流密度下,阴极内氧的组分质量分数、局部电流密度以及电极反应过电势的分布均匀;随着电流密度的增加,这些量趋于不均匀分布,在传质困难的区域局部电流密度值很小,而局部电极反应过电势增大约0.1V,极化的原因主要由于氧组分的传质限制.结论反应气体在电极内的传质是主要由扩散作用引起,在小电流密度时浓差极化较小,随着电流密度的增加,阴极氧组分的传质速率低是产生电池浓差极化过电势的主要原因.     

不同截面流场的质子交换膜燃料电池模拟

流场对于质子交换膜燃料电池至关重要,采用流体力学计算软件Fluent的PEM模块对不同截面形状流道的质子交换膜燃料电池进行数值模拟和优化设计.研究表明,矩形截面、半圆形截面、三角形截面以及梯形截面流道的质子交换膜燃料电池性能相差不大,而变截面流道的质子交换膜燃料电池性能要远远好于其它非变截面流道的电池.     

复杂流道质子交换膜燃料电池的三维数值分析

针对模拟复杂流道设计质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell ，PEMFC）的传热传质过程和电池电化学性能，提出一个稳态的、非等温的三维数学模型.应用模型对一个电极面积为3.12 cm×4 cm，20条通路的“蛇形”流道结构PEMFC进行数值计算，得到电池的流场、局部电流密度和组分浓度等的多维分布.并分析了不同渗透率对电池特性所产生的影响.结果表明,渗透率越高，压力降越小，有利于提高电池的性能.     

PEM燃料电池操作性能实验分析

目的研究质子交换膜燃料电池运行中电池的工作压力、反应气体流量对电池性能的影响．方法对质子交换膜电池单体在不同工作压力、不同气体流量下的电池性能变化做了测试并将得到的实验数据进行对比及理论分析．结果通过实验得出了压力和气体流量对电池性能影响的规律曲线．结论PEM燃料电池的性能随着压力的升高而提高．随气体流量的变化，可将曲线划分为气体供应短缺、饱和和过量三个区域．同时按照电流密度计算所得到的气体消耗量可以在实验中得到很好地验证．实验结果对质子交换膜燃料电池结构的优化和设计具有重要的指导意义．     

直流道PEMFC的综合三维数学模型及其性能模拟

目的 研究质子交换膜燃料电池中扩散层厚度、孔隙率和催化剂颗粒尺寸等参数对电池性能的影响.方法 对直流道质子交换膜燃料电池建立综合的三维多组分数学模型,电化学反应速率采用团聚块模型修正,自主开发程序代码对电池的极化性能进行数值模拟,利用该模型研究了扩散层厚度、孔隙率和催化剂颗粒尺寸等参数对电池性能的影响.结果 增大气体扩散层孔隙率有利于提高电池的极化性能,但是应考虑孔隙率增加引起的不利影响;存在最佳的扩散层厚度使电池的极化性能最优;减小催化剂颗粒的特征尺寸可以提高电池的极化性能.结论 利用直流道质子交换膜燃料电池的综合三维数学模型,可以进行燃料电池极化性能的模拟,并能对电池的主要结构参数进行优化.     

质子交换膜燃料电池的氧化剂实验性能

分析采用不同氧化剂和改变气体压力对质子交换膜燃料电池性能的影响，用测定电压／电流密度曲线的方法研究了质子交换膜燃料电池的性能特点以及电池温度对电池性能的影响，并对氢-氧和氢-空气燃料电池做了性能对比，实验结果是氧气作氧化剂比空气作氧化剂性能好得多，而且随着温度的增加性能有所改善．压力实验结果是随着气体压力的增大电池性能增强，输出功率增大．     

车用直流道质子交换膜燃料电池性能仿真及试验研究

使用计算流体动力学(CFD)方法,建立了三维直流道质子交换膜燃料电池的阳极和阴极模型。使用500W质子交换膜燃料电池电堆验证了电池的输出特性,分析了反应气体压力、电堆温度和气体增湿温度对电池输出电压的影响。根据内部流场的仿真结果,考察了反应气体压力、温度等操作条件因素对反应物和电流密度分布的影响,为提高车用质子交换膜燃料电池性能及工作的稳定性提供参考。     

流道结构对质子交换膜燃料电池工作性能的影响

质子交换膜燃料电池将氢气分解成氢离子和电子,通过外电路产生电流.流道结构将影响氢气和氧气在燃料电池内的流动状态和分布区域,并最终影响输出电流的大小.针对单流道、平行流道、单蛇形流道和复合蛇形流道的燃料电池进行了模拟计算,分析了气体在流道内的扩散过程和电池输出电压的变化情况,对比了不同流道中氢气、氧气和生成的水的分布情况,以及氢气和氧气的输入速率对输出电流密度和材料利用率的影响,获得了优化的流道结构和工作参数,提高了燃料电池的工作性能.     

不同流道结构质子交换膜燃料电池内传递现象的三维模拟

应用计算流体力学方法，建立了用于模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）传递特性和电化学性能的稳态、等温的三维数学模型。计算了传统流道和交叉梳状流道燃料电池的流场、电流密度和组分浓度等的多维分布。与传统流道的燃料电池相比，交叉梳状流道所产生的电极内强烈的强制对流机理提高了反应物和产物的传输速率，从而改善了电池的极限电流和极化性能等。利用模型估算的极化特性和文献实验结果吻合较好。     

孔隙率间隔分布扩散层的PEM燃料电池性能

为了考察质子交换膜燃料电池气体扩散层的结构对排水、导电、导气等性能的影响,综合考虑电化学反应、水的相变及传输、氧气的传输、膜中水传输等因素,研究了在平面内孔隙率间隔变化分布的气体扩散层对燃料电池性能的影响.结果表明,由平面内孔隙率间隔分布的气体扩散层组成的燃料电池,其性能高于由普通扩散层组成电池的性能,因为平面内孔隙率间隔分布的气体扩散层都能够提高其液态水和气体的通过能力,从而提高电池的性能.     

温度对PEM燃料电池性能的影响

目的研究质子交换膜燃料电池运行中的电池温度、两极加湿温度对电池性能的影响．方法运用质子交换膜电池单体的测试系统进行了不同工作温度、气体加湿温度对电池性能影响的测试实验．结果得到了3个温度在实验条件下。在一定范围、一定间隔内的所有数据组合．结论固定除温度外的所有操作参数条件下。电池工作温度、阴极和阳极的加湿温度对电池性能的影响顺序也是固定的；低电流工作下．电池性能不受操作温度的影响，只与其几何参数有关；电池的极化曲线中存在两个过渡区，过渡区是在一定范围内出现的．实验结果对质子交换膜燃料电池结构的优化和设计具有重要的指导意义．     

质子交换膜燃料电池温度场数值模拟

本文利用Comsol软件,对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维质子交换膜模型进行温度场数值模拟,结果表明,质子交换膜内部温度靠近阴极一侧高于阳极一侧且电池内部温度随工作电压的降低和电池孔隙率的增加而升高,这一结果对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的深入研究具有重要参考价值.     

进气温度对质子交换膜燃料电池性能影响的试验研究

为了研究不同进气温度对质子交换膜燃料电池性能的影响.首先分析了质子交换膜燃料电池反应的基本原理;其次建立了一个质子交换膜燃料电池性能测试平台,通过控制空气和氢气侧压力为0.1 MPa、燃料电池工作温度为60℃时,同时改变阴极和阳极侧进气温度来对一个由十片单电池组成的电堆进行实验.实验结果表明:质子交换膜燃料电池性能受进气温度影响较大,在燃料电池进气压力和工作温度一定的情况下,随着进气流量的增加,进气温度随之升高,电池性能也将得到明显改善;其次,通过比较同一进气压力、进气温度和工作温度下电堆的一致性,得出第十片单电池性能衰减较快.     

质子交换膜燃料电池系统建模仿真与控制

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)建立合适的数学模型,有助于改善PEMFC的设计。结合燃料电池的电场与温度场,建立了包含质子交换膜燃料电池的电化学模型与温度模型的数学模型,通过MATLAB软件进行仿真,仿真结果表明该模型较好地反映出PEMFC系统的动态特性,并研究了工作温度、反应气体工作压力以及质子交换膜面积变化对电池输出性能的影响。与此同时结合所建立的质子交换膜燃料电池模型设计了一款采用PID控制的Boost升压电路,将燃料电池输出不稳定的电压转变成可供给负载稳定使用的24V电压。     

基于COMSOL的质子交换膜燃料电池梯度扩散层的数值模拟

为了研究质子交换膜燃料电池的扩散层结构对燃料电池导电、排水、导气等性能的影响,利用COMSOL Multiphysics软件对质子交换膜燃料电池进行仿真模拟分析,主要针对扩散层孔隙率沿厚度方向梯度变化的规律及燃料电池阴极侧传质过程和电池性能进行了模拟分析。结果表明：采用梯度结构的扩散层可以减小阴极水淹现象的发生,孔隙率梯度分布的扩散层电池性能优于孔隙率均匀分布的扩散层的电池性能;在平均孔隙率相同时,孔隙率梯度结构变化越大,阴极侧排水能力越强,液态水残留量越少。     

质子交换膜燃料电池的湿度特性和水的迁移途径

质子交换膜燃料电池的工作性能与湿度密切相关。本文研究了影响质子交换膜燃料电池水平衡的各种因素:电流密度上升,阴极生成的水量也逐渐增多;随着电地温度的提高,维持电池水平衡的电流密度必须提高;为减小欧姆损失,阳极气流需要增湿。本文分析了质子交换膜燃料电池水迁移的原理。为了利用反应生成的水,要采用水管理方法:水管理不足以获得足够含水率时,应采用加湿技术。本文比较了内外加湿法的优劣,借助数学建模的方法模拟了电池内部的工作过程,预测内部湿化系统可以免除气体交叉现象的出现,可以克服电池性能受到影响的弊病。     

质子交换膜燃料电池流道尺寸的数值模拟

为了研究流道尺寸对质子交换膜燃料电池性能的影响,通过多物理场直接耦合分析软件COMSOL,建立了质子交换膜燃料电池三维模型。分析了流道宽度不变,流道宽度与脊宽度之比分别为1:1、1:2、1:3时对电池性能的影响,验证了建立模型的有效性与可靠性;进一步研究当脊宽度不变,流道宽度与脊宽度之比分别为1:1、2:1、3:1,综合考虑了电流密度、阳极氢气浓度及阴极氧气浓度等因素的影响分析。研究发现：流道宽度和脊宽度之比为1:1是燃料电池较理想的尺寸比,并且脊宽度变化比流道宽度变化对电池性能的影响大。     

质子交换膜燃料电池堆建模与参数分析

质子交换膜燃料电池性能衰退与寿命预测研究需要依靠多物理仿真模型。为了满足燃料电池堆对仿真工具的要求,单电池模型被串联起来建立了一个燃料电池堆二维模型。在每个单电池内,考虑了各个组件的气体成分,带电离子和水分子的耦合传输特性。以10个单电池组成的电堆为例,将电池堆性能的影响因素归结为内部性能参数和操作运行过程中的控制参数。得到了燃料电池堆的气体浓度分布、阴阳极湿度分布、局部电流密度分布和整体温度分布等。最后对电池内部性能参数和操作参数进行分析,发现提高催化层活性比表面积可改善活化损失;提高质子交换膜电导率可改善欧姆损失;提高扩散层孔隙率可改善浓差损失。为PEMFC性能优化设计和操作条件的选择打下基础。     

商业尺寸质子交换膜燃料电池性能实验研究

实验测试了不同电池操作温度和反应气加湿温度下,反应面积为256 cm2商用质子交换膜燃料电池的性能,通过对极化曲线的测量,重点分析了操作温度与加湿温度对不同厚度质子膜含水量及电池阴极水泛滥的影响.结果表明,质子膜含水量及阴极液态水移除主要取决于加湿温度和操作温度的最佳匹配.当操作温度低于加湿温度时,电池性能随操作温度升...     

质子交换膜燃料电池催化层气液两相流的建模及仿真

质子交换膜燃料电池中液态水含量的多少对电池性能具有十分重要的影响。考虑了质子交换膜燃料电池催化层中气液态水的影响,在假设电池内部保持等温、稳态的基础上建立了电池阴极一维气液两相流模型。运用MATLAB软件对电池内部不同的液态水饱和度、温度以及不同阴极进气压力对单电池输出电压的影响进行了仿真,得出不同条件下的电流密度和电压之间的关系曲线,将仿真结果与实验数据相比较,该结果与实验数据符合较好,可为车用燃料电池的优化与控制提供依据。