质子交换膜燃料电池强化传质

传质问题制约着燃料电池性能的提高。通过理论分析、Fluent模拟,针对质子交换膜燃料电池流道中加凸台和电极扩散层开孔两种方法,分别研究其对强化电池内部传质的效果。结果表明,上述两种方式均能有效强化电池内部传质,提高电池性能。但是加凸台增加了风机的寄生功率,综合性能提升不显著。     

水力喷射空气旋流器分离空间结构对气液传质性能的影响

水力喷射空气旋流器(WSA)是一种利用液体射流在气体旋流场中雾化强化气液传质的新型传质设备, 可广泛用于废水、废气处理等环境工程过程中。为了优化水力喷射空气旋流器的分离空间结构, 本文通过废水氨氮吹脱实验对柱锥结合形WSA和柱形WSA分别进行了气液传质性能研究。研究结果表明, 分离空间结构对水力喷射空气旋流器的气液传质性能存在影响。在相同工作条件下, 与柱形WSA相比, 柱锥结合形WSA具有更好的气液传质性能和略高的气相压降, 后者吹脱氨的体积传质系数提高了约8%, 主要原因在于柱锥结合形WSA内部具有更好的射旋流耦合雾化作用和离心超重力强化传质的综合效果, 使得两相比传质面积增大, 传质效率增高。研究结果可为设计传质性能良好的WSA提供设计依据。     

自呼吸式直接甲醇燃料电池性能及其传质特性

针对有效面积为1 cm2的自呼吸式直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell,DMFC）单电池,阳极采用燃料罐供液,将阴极侧集流体和夹具设计为一体式结构,并用自制的七合一膜电极组件对其进行测试,讨论了催化剂类型、扩散层材料、集流体结构等因素对其性能的影响,分析了电池内部的传质特性,优化了电池特别是其在中高电流密度条件下的性能。实验结果表明：采用Pt黑、Pt-Ru黑催化剂制作的自呼吸式DMFC能强化反应物的传质;采用碳布制作的膜电极更倾向于获得更高的极限电流密度;低电流密度时,因甲醇渗透电池电压随着甲醇浓度的增加而降低,但在中高电流密度下,电池性能随甲醇浓度的增大先升高后降低;平行集流体有利于阴阳极生成物的排出和反应物的传质,因此易获得较高的电池性能。     

空气自呼吸式直接甲醇燃料电池传输特性数值研究

针对空气自呼吸式直接甲醇燃料电池（DMFC）建立了二维两相非等温的传质模型,通过自编程序模拟了电池内的传热、传质和电化学反应过程。并基于此模型研究了主要的操作参数,包括甲醇进口温度、环境中空气的温度、甲醇进口浓度,及对电池性能的影响。研究表明甲醇溶液的进口温度和环境温度上升都会使电池的性能得到提高,其中甲醇溶液的进口温度对电池性能的影响更大;当甲醇进口浓度提高后,在大电流密度下电池的性能得到了显著的提高。     

基于电-化-热耦合关系NH3-SOFC数值模拟

为探究高温工作状态下的电池内部运行情况，对固体氧化物燃料电池(SOFC)电化学性能及传热传质分布情况进行有效分析，利用COMSOL Multiphysics软件，结合电池内气体扩散、浓物质传递、热量传递和电极中二次电流密度构建多物理场模型，研究了NH₃-SOFC中的传热传质、化学和电化学反应特性。结果表明：燃料为氨气时，提高电池工作温度有利于提高电池输出功率，当1 073.2 K工作温度继续提高时，最大功率和电流密度增长速度降低；NH₃-SOFC与H₂-SOFC输出性能相近。进一步探究了温度和反应物进气摩尔分数对NH₃-SOFC性能影响。发现入口氨气摩尔分数自0.7提升至1时，电池性能得到明显提高；而氧气摩尔分数高于0.2时，其对电池性能影响较小，空气可作为电池阴极气体使用。     

3D打印微生物燃料电池阳极及其性能特性

微生物燃料电池是一种处理废水同时产生电能的新型装置,阳极作为微生物燃料电池的重要组件极大地影响电池性能。针对微生物燃料电池传统三维电极结构不合理导致电极内部物质传输受限,电池功率密度较低的问题,本文采用3D打印技术并碳化的方式构建了结构可控的微生物燃料电池阳极,通过热重分析得到合适的碳化条件,并通过进一步的电化学分析和电极微观形貌拍摄研究了电极内部孔道结构对微生物生长情况和电池性能的影响。实验结果表明：电极孔径尺寸为0.4mm时,电池具有最优性能,其最大功率密度达12.85W/m²,比采用碳布阳极的MFC提升10倍,较采用碳毡阳极的燃料电池高38%;具有可控孔道结构电极的传荷阻抗和传质阻抗是限制电极性能的主要因素,通过优化孔道尺寸和结构分布可降低其传荷及传质阻抗,可以进一步提升电池性能。     

多孔介质泡沫材料在蒸馏过程中的应用

按气、液两相在多孔介质中不同的流动与接触方式,将应用于蒸馏过程强化的多孔介质传质元件分为三大类进行了系统的介绍,即气/液两相均在多孔介质内部流动的气液逆流接触方式、气相在多孔介质内部流动/液相在多孔介质表面流动的气液错流接触方式以及液相在多孔介质内部流动/气相在多孔介质表面流动的气液逆流接触方式。详细阐述了本课题组对各类多孔介质传质元件的研究思路与历程,总结其流体力学和传质性能与相应传统传质元件相比的优缺点,进而指出了多孔介质泡沫材料强化传质过程的作用机理是其能在蒸馏过程中得以多元化应用所亟待解决的关键科学问题。     

底部挡板与进气位置对水力喷射空气旋流器传质性能的影响

水力喷射空气旋流器(water-sparged aerocyclone,WSA)是一种利用液体射流在气体旋流场中雾化强化气液传质的新型传质设备,可广泛用于废水、废气处理等环境工程中。为了改进水力喷射空气旋流器结构,提高其气液传质性能,本文通过废水氨氮吹脱实验研究了进气口轴向位置以及底部挡板的设置对气液传质性能的影响。实验结果表明,进气位置与底部挡板对水力喷射空气旋流器的气液传质性能存在影响。在相同工作条件下,气相进口沿轴向下移对WSA内气液传质性能作用较小,但能够使其气相压降降低约为10%。在WSA主筒体底部液封区域设置挡板,能够强化WSA底部气液两相的混合,进而提高低液相循环流量下WSA内的气液传质性能,且随进气速度的增加,其效果越显著,研究结果可为设计传质性能良好的WSA提供设计依据。     

全钒液流电池与质子交换膜燃料电池中可控的传热传质研究

简述了全钒液流电池和质子交换膜燃料电池系统中通过控制传热传质机理来提高电池系统性能的研究进展。在VRB中主要回顾了温度场、电极、质子交换膜、流场设计及外场对传热传质过程影响的相关研究。关于PEMFC主要介绍了温度、膜电极的有序化、流场设计及重力场对传热传质过程影响的相关研究。总结了这2类电池传热传质过程研究的主要方向,并展望了这2类电池的发展前景。     

二次流场促进高浓度颗粒污泥体系的传质效率

将提供特定流体动力条件(二次流)的SSBR反应器和普通向上流SBR反应器进行对比,试验分析氧传质性能、降解性能和颗粒污泥形态,研究高浓度颗粒污泥体系中,优化的流体动力条件-二次流对氧传质效率的影响以及由此引起的种群分布变化.结果表明,SSBR反应器的氧传质速度更快,稳定运行的SSBR反应器能维持更高的溶解氧,有利于提高颗粒污泥内部的溶解氧渗透能力,对颗粒污泥中心区域的营养供给充分,颗粒污泥内部微生物不易老化,有利于颗粒污泥体系的稳定和强化有机物的降解效率.     

FST高效塔板传质元件内气相流场的数值模拟

FST高效塔板是一种喷射型塔板,同鼓泡型塔板相比,具有高通量、低压降等特点。塔板传质元件的结构会很大的影响塔板的传质效率和压降,为了优化塔板结构设计,提升塔板性能,有必要研究不同结构传质元件的效果。本文使用FLUENT软件对FST高效塔板传质元件开展数值模拟研究,得到传质元件内部气相流场,对比了3种结构传质元件内部气相流场的分布情况,考察了除雾叶片、旋流叶片径向角对气相流场的影响。结果显示除雾叶片会增强传质元件的除雾效果,降低塔板的雾沫夹带,但也会带来额外的塔压降。旋流叶片径向角会增强气相旋流强度,强化传质效果,但是也会带来压降过大、回流过大的问题。为优化设计塔板传质元件,应综合考虑各结构因素的影响,合理平衡塔板压降与传质效果、除雾效果。     

质子交换膜燃料电池阴极梯度催化层的数值模拟

质子交换膜燃料电池催化层中使用的商用Pt催化剂价格昂贵,优化催化层成分分布对降低电池成本、提高Pt利用率和改善电池性能具有重要意义。本研究采用数值模拟技术计算了含有两个子层的梯度催化层和传统单层催化层的流体流动、传质、电化学反应过程,对比两者的模拟结果发现：当催化剂、离聚物和孔隙以梯度的形式分布时,改善了阴极反应物氧气的传输和生成物水的排出,梯度催化层的电池性能明显优于平均分布催化层的电池性能。     

几种工艺体系中离心传质机的传质性能

对５种工艺体系进行了离心传质机离心强化传质的实验研究。结果表明在旋转填料床内相间传质的平均传质单元高度为０．０１０～０．０３０ｍ,与传统填料床相比,其传质性能强化了１～２个数量级,而且旋转填料床内的相间传质可以在更接近平衡的条件下完成。     

直通道流场PEMFC电流密度分布测定实验

大功率燃料电池研究中存在的主要问题是电池在放大过程中性能出现大幅度衰减．为提高电池和电池组性能,改善电池内部水管理,优化电极组成、电池操作参数和流场板结构,对电池内部电流密度分布进行测定很有必要．     

常规流场和交指型流场的质子交换膜燃料电池传热传质三维模拟

针对常规流场和交指型流场的质子交换膜燃料电池提出了三维非等温数学模型。模型详细考虑了电池内部的传热、传质和电化学反应，重点考察了多孔介质内的组分传递和膜内水的电渗和扩散作用，对氧气传递限制和膜内水迁移对电池性能的影响进行了分析和讨论。结果表明，流道的交指型设计加强了气体在多孔介质内的质量传递，提高了电池的输出性能，但相应地，阴极催化层界面水分的减少也使得膜的水合程度降低，这就需要更有效的水管理来防止膜脱水。     

往复振动筛板塔对低界面张力体系萃取过程的强化

对低界面张力体系正丁醇-丁二酸-水在往复振动筛板塔中的萃取性能进行研究,体系中水为萃取剂,萃取正丁醇中的丁二酸。实验考察了两相流速、相比、传质方向和筛板振动速率对流体力学性能和传质性能的影响,并且与相同操作条件下固定筛板萃取塔的性能作对比。结果表明,筛板振动速率不高于3.5 cm/s的情况下体系没有发生乳化现象,相比增大到2.8时接近液泛点,实验稳定性较差。流速和相比增大能够获得更好的液滴分布和更大的体积传质系数,但增大的幅度要综合考虑设备的最大通量和两相在塔内的停留时间。分散相到连续相的传质方向传质相界面积大,更有利于提高传质效率。相同操作条件下,连续相中的轴向混合远大于分散相的轴向混合。与固定筛板塔的萃取性能相比,振动筛板改善液滴分布、增大处理能力和强化传质的作用都很明显。     

质子交换膜燃料电池仿真模型研究进展

质子交换膜燃料电池具有高效清洁等优势,是一种潜力巨大的绿色能源技术。数学模型作为一种合理可靠的工具,通过模拟电池内部的电化学传热传质过程,研究运行参数和结构参数对电池性能和寿命的影响,可以指导电池的优化设计。本文综述了近年来燃料电池催化层、气体扩散层和流道的研究模型,整理了各部件建模的影响因素和优化方法,以期对燃料电池建模以及电池各部件的优化设计起到参考作用。文中指出,考虑到现在仿真存在的局限性,未来主要研究方向为燃料电池系统研究与机理模型的结合、催化层微观结构的建模、非贵金属催化剂建模、气体扩散层衰减模型研究、大面积流道模型、三维模型温度分布研究以及全尺寸质子交换膜燃料电池模型的开发。     

半弧面斜叶桨的流体力学性能与氧传质特性

氧传质系数是气液搅拌反应器设计的关键参数,研究新型搅拌桨的氧传质性能对气液两相搅拌反应器的强化有着重要的意义。本文实验研究了气体分布器、搅拌转速、气量对氧传质系数、搅拌功耗及气含率的影响,结果表明,氧传质系数随搅拌转速和气量的增加而增加;并建立了氧传质系数与搅拌功耗和表观气速的经验公式,为进一步放大应用提供了基础。采用欧拉-欧拉多相流模型及群体平衡模型对半弧面新型斜叶桨进行了计算流体力学（CFD）数值模拟研究,模拟研究了不同结构、搅拌转速、气量下的流体力学性能和氧传质系数,模拟计算结果与实验值的相对偏差在20%以内;这为研究这一半弧面新型斜叶桨提供了一种可靠的数值模拟方法;优化了半弧面新型斜叶桨的结构,提高了搅拌釜的氧传质效率。     

阴、阳极加湿程度对PEMFC内部传质的影响

为了研究常规流场下阴、阳极增湿程度对电池内部水分布、传递、膜性能及水拖曳系数等的影响,对PEMFC进行二维建模,应用控制容积法对控制方程进行离散,然后求解,得到了电池内部水和反应气浓度、速度分布、膜中电流密度、电势分布及膜中水分布,考察了气体不同增湿程度对质子交换膜电导率及电池内部传质的影响.结果表明,PEMFC中水综合拖曳系数随着阳极加湿程度的增加而增大,随阴极增湿程度的增加而减小,但阳极增湿对水综合拖曳系数的影响比同增湿程度下阴极增湿对水综合拖曳系数的影响大得多.同时,随着阳极加湿程度的升高,质子交换膜（PEM）电导率急剧升高,而阴极加湿程度对PEM电导率的影响只是停留在较小的电流范围之内.故PEMFC在小电流密度工作时,应该使阳极气体充分增湿;而在大电流密度工作时,应该适当降低阳极的增湿程度以降低阴极两相流的机会,从而改善阴极的传质状况.     

基于热电效应与相变耦合的锂离子电池热管理数值研究

温度对锂离子电池工作性能影响巨大,需要增设热管理系统对电池在高温工况下散热。文中建立了一种基于热电效应和相变材料耦合的电池热管理系统,采用半导体制冷片冷端直接为电池制冷,热端采用相变材料散热。为进一步强化系统散热性能,通过数值模拟的方法探究半导体制冷片及相变材料对电池散热的影响。结果表明：半导体制冷片在高工作电流下,其制冷效果突出,但存在电池内部温差过大、相变材料短时间失效等问题难以在电池放电全程维持其合适工作温度,可应用于紧急情况下为电池迅速散热。当制冷片在低工作电流下工作时,制冷片输入工作电流为0.4—0.6 A,相比电池无热管理系统下的平均温度,电池最高平均温度降低约45℃,电池在放电全程散热效果显著,且电池内部最大温差小于5℃,均匀性良好。相变材料的熔点及潜热值大小对热管理系统散热性能也起到了重要作用。