不同蛇形流场下的直接甲醇燃料电池性能及阻抗分析

目的 研究不同实验条件下单通道蛇形流场与多通道蛇形流场直接甲醇燃料电池的性能差异与阻抗变化.方法 实验测量了蛇形流场甲醇燃料电池的伏安特性和交流阻抗,分析了流场结构、甲醇浓度和流速对电池伏安特性和交流阻抗的影响.结果 实验结果表明:多通道蛇形流场甲醇燃料电池的性能优于单通道蛇形流场甲醇燃料电池.通过等效电路分析其交流阻抗发现:多通道蛇形流场甲醇燃料电池的欧姆阻抗、电极反应阻抗都比较小;多通道蛇形流场甲醇燃料电池电极形成的双电层特性趋近电阻特性.结论 阻抗的变化是决定多通道蛇形流场甲醇燃料电池性能高于单通道蛇形流场甲醇燃料电池的重要原因.研究结果对甲醇燃料电池性能和电极优化提供了有益的参考.     

交指流场与蛇形流场PEM燃料电池性能比较

目的研究电池温度、加湿温度、气体流量对氢-空交指流场和氢-空蛇形流场PEM燃料电池性能的影响.方法运用燃料电池测试系统测量了PEM燃料电池的性能,分析了电池温度、加湿温度和气体流量对两种流场PEM燃料电池性能的影响.结果在相同操作条件下,欧姆极化区蛇形流场性能优于交指流场,浓度极化区交指流场性能优于蛇形流场.结论交指流场对PEM燃料电池的流场选择具有重要的参考作用,为其推广应用提供实践依据.     

PEM燃料电池的流场设计

质子交换膜燃料电池流场的合理设计有利于组分浓度、电流密度等的均匀分布,从而达到提高电池性能的目的。采用计算流体力学软件Fluent中的PEM模块,对3种常见的流场形式分别从氧气摩尔浓度、膜中水含量和电流密度分布等3个方面进行了综合分析。结果显示,电池性能由高到低依次为:多蛇形I流场、多蛇形II流场和平行流场。该方法可用于指导质子交换膜燃料电池空气流场的优化设计。     

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。     

反应气体流量对PEM燃料电池内部电流分布的影响

电流分布是PEM燃料电池的一个重要性能指标,在线测量电流分布有助于理解电池中的传递现象以及优化电池结构和操作参数.采用电流分布测量垫片技术,实验研究了反应气体流量对单蛇形流场PEM燃料电池内部电流分布的影响.实验结果表明,氢气或空气流量不足时电流密度沿气体流动方向降低;增大气体流量既有利于提高各区域的局部性能,又有利于电流密度的均匀分布.但当氢气流量增大到一定程度后,继续增大氢气流量对电流密度分布和燃料电池性能没有显著影响.     

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．     

阴极流道对PEM燃料电池性能影响

目的研究阴极流道变化对PEM燃料电池性能的影响,比较不同阴极流道下的PEM燃料电池的性能和稳定性,优化阴极流道,找出阴阳极流道的最佳组合.方法运用燃料电池测试系统测量了PEM燃料电池的性能参数,比较在相同操作参数,相同阳极流道,不同的阴极流道对电池性能的影响.结果阳极交指/阴极交指流场燃料电池性能最好,阳极交指/阴极蛇形流场燃料电池性能其次,阳极交指/阴极平行流场燃料电池性能最低.阳极流道与阴极流道的最佳组合为阳极交指流道、阴极交指流道组成的流场为最佳组合流场.结论实验结果对PEM燃料电池的流道优化组合具有重要的参考作用,为其推广应用提供了参考依据.     

交指流场氢-氧PEM燃料电池特性研究

目的研究操作参数即电池加热温度、加湿温度、反应气体流量对交叉指状流场氢-氧PEM燃料电池性能的影响,优化操作参数提高PEM燃料电池的性能.方法利用燃料电池测试系统测量PEM燃料电池在不同操作参数下的性能,用origin软件绘制性能曲线,分析了电池加热温度、加湿温度、反应气体流量对PEM燃料电池性能的影响.结果实验结果表明:电池性能随着电池温度的升高先升高后降低;随着加湿温度的升高也是先升高后降低;在一定范围内增加氧气流量会使电池的性能升高,但氧气流量超过50 ml.min-1时,电池性能反而会下降.结论在其他参数一定的情况下,当电池温度与加湿温度相等的时候,即都为343 K时电池性能最佳.     

基于温度条件下PEM燃料电池的动态特性

目的 用电流密度分布测量垫片和多通道恒电流/恒电压循环伏安测试仪测量蛇形流场PEM燃料电池的电流分布动态特性.方法 根据性能曲线分析PEM燃料电池局部电流和平均电流密度对加湿温度和电池温度的瞬态反应.结果 局部电流的瞬态反应比平均电流密度的瞬态反应更复杂;区域不同,局部电流对加湿温度和电池温度的瞬态反应也各不相同;当电池温度由低温度升至高温时,局部电流也呈现不同的响应特性.当电池温度比加湿温度低时,局部电流沿着气体通道方向降低.当电池温度比加湿温度高10 K时,局部电流沿气体通道方向先是增加,当达到最大值后就开始下降.当电池温度比加湿温度高20 K时,局部电流沿气体通道方向增加.结论 PEM燃料电池局部电流密度的动态性能比平均电流密度的动态特性要复杂得多.     

Experimental investigation of liquid water in flow field of proton exchange membrane fuel cell by combining X-ray with EIS technologies

The flow field is a pivotal part to manage the transport of water and gas in proton exchange membrane fuel cell. However, the reported water measurement methods (e.g., X-ray and electrochemical impedance spectroscopy (EIS)) cannot give a comprehensive understanding water distribution in the flow field, resulting in challenges in optimizing the channel design and enhancing fuel cell performance. Therefore, we propose a water measurement method combining the X-ray radiography with EIS to investigate the effect of different operating conditions on the growth law and distribution of liquid water in parallel and serpentine flow fields. The attenuation coefficient of liquid water to X-ray is calibrated with constant tube-current and tube-voltage of X-ray generator. Besides, the parallel flow field with hydrophobic treatment is studied. The results show that the water accumulation of the parallel flow field is far more than the serpentine flow field, and the water content of the middle region is higher than that of other regions in the parallel flow field. Furthermore, operating conditions (cathode inlet gas flow rate, inlet gas humidity, and back pressure) have little effect on the liquid water content of the middle region in the parallel flow field. The polarization curve, EIS result, and X-ray radiography show that the performance and water drainage capacity of the hydrophobic parallel flow field are better than the normal one.

     

对蛇形流道结构的DMFC中气泡段特性研究

为了研究微型直接甲醇燃料电池流道的横截面积对气泡流动的影响,采用FLUENT中的VOF方法对蛇形流道进行研究,假设深度变化范围在0.2～0.6 mm之间,跨度为0.2 mm;台肩宽度变化范围在0.2～0.5 mm之间,跨度为0.05 mm.在模拟的过程中,假设流动方式为层流、均为不可压缩流体,忽略重力.研究结果表明:随...     

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。     

通气孔对动叶冷却结构流动和换热特性的影响

为深入研究某型燃气轮高温旋转动叶片内部先进的复合冷却结构,采用三维气热耦合数值计算方法,模拟该叶片外部高温流场、内部前后冷却腔内蛇形折流通道复合冷却结构的流动性能与换热特性,研究前腔蛇形折流冷却通道在采用局部通气孔改进设计的条件下对整个旋转叶片外表面冷却效果与内部冷却通道流阻系数的改善程度。计算结果表明:在给定的冷气流量条件下,无通气孔设计时,叶片内部蛇形折流通道采用的气膜/冲击/扰流复合冷却结构能够对叶片整体带来较好的换热效果,并且叶片内、外表面温度分布都处于合理范围,但由于整个内部折流冷却通道流动阻力较高,导致对冷却气源供应压力要求过大,且前后冷却腔室进口设计压力差别较大;在内冷前腔局部位置设计冷气通孔结构,可有效降低前腔折流通道的流动阻力,在保证叶片换热效果没有受到明显影响的前提下,实现了所需冷气供应压力和冷气量同时显著下降,多腔冷却气体用量得到更好匹配。该改型设计提高了原型叶片的工程应用价值。     

闪速炼铜余热锅炉辐射冷却室水动力性能设计

针对某大型闪速炼铜余热锅炉辐射冷却室的水动力性能设计问题,提出一种垂直蛇形管水冷壁水动力特性分析的理论模型,重点讨论热负荷引起管内工质含汽率变化对垂直蛇形管水冷壁管重位压降的影响.基于流场数值模拟结果获得的水冷壁热负荷分布进行水冷壁节流圈的设计,进而对水冷壁有、无节流圈条件下的出口含汽率分布、阻力及脉动特性进行比较分析.分析结果表明：在闪速炼铜余热锅炉的水冷壁中采用基于热负荷分布所设计的节流圈不仅能够有效调配的工质流量,还有助于消除由热负荷波动引起的流量脉动,有效改善水冷壁的水动力特性.     

高压SF6断路器三维动态电弧仿真

为了研究高压SF ₆断路器在短路开断过程中电弧的变化情况,建立了三维能量源动态电弧模型和三维气流场模型.考虑到电流变化对整个气流场中压力、温度以及电弧形态的影响,将电弧模型、旋气式断路器气流场模型以及触头的机械运动通过计算机耦合并行求解,对电弧与气流场的共同作用进行分析.仿真结果表明,该电弧模型可以反映出电弧从燃烧到熄灭过程的形态变化和能量逸散过程,得出了电弧和熄弧期间喷口压力的变化规律.     

螺旋槽干气密封性能及结构优化研究

建立螺旋角槽的数学模型,利用Fluent分别研究了不同的槽数、转速、入口压力、槽深、气膜厚度对密封性能的影响规律.通过分析对比密封性能参数如静压、开启力、泄漏量等,得出了单螺旋角槽性能最佳的几何结构参数.针对单螺旋角槽存在的问题,提出了一种双螺旋角槽干气密封结构,且计算结果表明:双螺旋角槽可使气动分离效果更明显,当吸力...     

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。