全尺寸大面积PEMFC模拟及应用研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)中传输现象及电化学反应是一个多维、多相、多尺度的动态复杂过程。与超算中心合作,利用CFD软件,对具有实际流场结构的全尺寸大面积PEMFC进行模拟,研究了流场结构对反应气体、水浓度、电流密度等的分布状态的影响,以及气体加湿度、操作压力和进气方式对电池性能的影响。结论认为,在正常条件下运行时,阴极流场板空气供应决定着催化层电化学反应的速率,因此以阴极流场板气体分布均匀性考察电流密度分布的均匀性,而不求解电化学方程,在一定条件下是简单、可行同时合理的。沿阴极流动方向,流速逐渐增加,流道内液态水体积分数逐渐增大,催化层内的电流密度和温度则逐渐减小。增加背压可以显著提高电池性能;阴极气体湿度在50%时电池性能最好。研究结果应用于25kW电堆的制造与运行,效果良好。     

PEMFC梯度扩散层水传输模型的研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC：Proton Exchanges Membrane Fuel Cell）水管理是其可靠高效运行的关键，利用多孔介质毛细压力理论建立了PEMFC梯度扩散层液态水传输模型。在此基础上计算了催化层／扩散层和扩散层／流道界面上相饱和度差值为一定值时不同结构扩散层的液态水通过能力，就扩散层孔隙率对液态水传输的影响进行了分析。认为扩散层的过水流量随孔隙率的增加而增加，同时又随孔隙率的增加而增加。即如果扩散层具有较大孔隙率和较大孔隙率梯度，PEMFC可以发出更大的电流密度，而膜电极可能不会产生水淹现象。     

考虑水膜结构的PEMFC团聚体二相流模型

液态水对催化层的影响是目前PEMFC的研究热点之一。团聚体模型是催化层研究中广泛采用的一种复杂模型,但目前的研究多集中在液态水对催化层孔隙率的影响,对团聚体模型的影响却很少。本文引入液态水对团聚体自身结构的影响,建立了能更加准确反映催化层结构参数影响的二维、气液二相变的阴极模型。计算分析结果显示液态水在团聚体表面形成水膜会阻碍氧气的扩散,从而导致在大电流密度（>5000A/m2）时,PEMFC极化曲线会快速下降,同时极限电流密度减小。     

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.     

质子交换膜燃料电池流场板研究进展

质子交换膜燃料电池具有比能量高、清洁高效等优点, 流道作为燃料电池的核心结构之一, 其结构尺寸对气体传输、液态水排出都有着重要影响, 选择合适尺寸参数对实际运行具有重要意义。以50 mm×50 mm单蛇形流道电池为研究对象, 采用数值模拟的方法, 建立质子交换膜燃料电池三维两相等温模型, 分析流道深度、流道宽度、流道脊宽等参数对电池电流密度、气体传质特性、电池净输出功率、排水性能的影响。结果表明: 随着流道深度、流道宽度的减小, 参与反应的氧气浓度提高, 电流密度也随之提高, 电池净输出功率逐渐增大, 催化层排水性能逐渐增强, 因此电池性能逐渐提高; 随着流道脊宽的减小, 参与反应的氧气浓度逐渐提高, 电流密度随之增大, 但电池净输出功率增加幅度较小, 氧气浓度增加也较缓慢。

     

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。     

重力对PEMFC性能影响的实验

目的 改变PEMFC(质子交换膜燃料电池)阴极和阳极的上下位置,测试重力对PEMFC水管理的影响,优化燃料电池阴阳极的摆放方式.方法 对应着阴阳极上下位置的不同,在阴极气体加湿(阳极不加湿)和阳极气体加湿(阴极不加湿)两种运行条件下,通过改变电子负载测定输出电压和电流.结果 温度在40～70℃变化时,对阳极在上,阳极气体加湿或不加湿;阴极在上,阴极气体加湿或不加湿4种情况,测得的电压/电流密度数据,绘出了4幅极化曲线图.结论 重力对PEMFC内液态水的排出有很大的影响,阴极在上时,如果液态水过剩,过剩液态水不容易排出电池阴极;而当阳极在上时,阴极过剩液态水相对容易从电池阴极排出.阳极在上的PEMFC电流密度性能要比阴极在上的要好.     

PEMFC传输现象动态特征研究

PEMFC传输现象动态特征对于理解其运行机理进而实行优化控制非常重要.通过一单流道单电池三维模型,考虑反应气体相对湿度的变化以及电池电流密度的变化,模拟了电池内部膜阴极表面磺酸基团水分子数、氧气扩散、流道内进出口压力、气体流率等传输现象的动态过程.结论对于相关研究具有参考意义.     

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。     

直通与交叉流场质子交换膜燃料电池瞬态特性

研究了质子交换膜燃料电池三维、两相瞬态数学模型,分析了电压负载变化方式、流道与肋条宽度比对直通和交叉流场燃料电池瞬态特性的影响.结果表明,多孔电极氧气浓度偏离其稳态分布是导致电流上冲和下冲的原因;而响应时间由膜中水的含量达到稳态分布所需时间决定.交叉流场相对直通流场在多孔电极具有更高的局部氧气浓度,导致电流上冲峰值与下冲谷值均高于直通流场.随流道与肋条宽度比增加,两种流场响应时间均增长,直通流场电流上冲现象增强,下冲现象减弱,而交叉流场,电流上冲与下冲现象均增强.     

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。     

PEMFC输出特性建模与多因素仿真分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一个涉及多个学科领域的复杂系统,其输出特性受到多种因素的影响.为研究工作温度、压力、膜含水量、加载幅度、加载速度对其输出特性的影响,根据质子交换膜燃料电池(PEMFC)的数学模型,建立了考虑双电层电容作用的电压动态模型,并在Matlab/Simulink平台上进行仿真.利用实验室自制风冷自增湿DXFC-200质子交换膜燃料电池和燃料电池测试系统,将现场测得实际输出伏安特性曲线与所建模型输出曲线进行拟合,证明了模型的准确性和稳定性.在此基础上进行单因素纵向分析,并进一步运用正交实验进行多因素横向比较,分析了在低电流区域和高电流区域工作温度、压力、膜含水量对电池输出特性的影响程度.分析结果表明:在一定范围内提高温度、增大压力、增大膜含水量、减小加载幅度和加载速度可以有效改善电池性能;在低电流区域,工作温度对电池输出特性影响更显著,在高电流区域,膜含水量对其性能影响更显著.所建模型可以真实反映质子交换膜燃料电池的工作特性,对于改善电池性能,延缓电池衰减,制定燃料电池控制策略能够提供基础理论支持.     

极板形状,尺寸对电流密度与流场分布的影响

本文比较系统地研究了不同形状、尺寸的收尘极板电流密度分布及背部涡流结构,其结果表明:板型、板宽及回风沟槽高度对电流密度分布具有很大的影响;板宽对背部涡流结构具有明显的影响;而板型及回风沟槽高度对背部涡流几乎没有影响.通过比较分析,选出了一种比较理想的极板形状和尺寸.     

Rapid Prototyping Bipolar Plate of PEMFC by Gelcasting

Bipolar plate is one key component of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). According to this paper, mesocarbon microbeads were used as raw materials for forming the green bodies of bipolar plates with complex flow channels by gelcasting technique. Then, the final bipolar plates would be gained after the green parts were died, burned out and sintered. Meanwhile, its properties are researched and evaluated by the test of flexible strength and electric resistivity. The resultant flexural strength of sintered sample is 67 Mpa and the electric resistivity is 52 μΩ·m.     

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。     

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。