PEMFC翅脉流道传质及输出性能分析

为研究流道结构对质子交换膜燃料电池（PEMFC）反应气体质量传输及输出性能的影响,建立翅脉流道、叶脉流道及蛇形流道的三维PEMFC几何模型,并对比3种流道的反应气体浓度分布、压力分布及电流密度分布,最后对翅脉流道结构参数进行优化。结果表明,与蛇形流道、叶脉流道相比,翅脉流道能明显改善流道和扩散层内反应气体浓度分布的均匀性,有利于强化反应气体向催化层的质量传递;翅脉流道能减小气体压力分布梯度,使反应气体扩散更加充分;翅脉流道的平均膜电流密度更大,有利于促进电化学反应稳定进行;翅脉流道能改善PEMFC的输出性能,翅脉流道峰值功率密度比蛇形流道、叶脉流道分别提高7.72%和6.25%;减小翅脉流道的直流道长度或圆弧流道圆心角,可提升翅脉流道输出性能。     

基于神经元的PEMFC仿生流道性能模拟研究

质子交换膜燃料电池的流道结构对反应气体的流动和压降等具有重要影响。受神经元结构启发,提出一种兼顾径向流道和仿生流道在压降和气体分布均匀性优点的新型仿生流道结构。通过COMSOL软件模拟研究该新型流道的分支数（2~9）对质子交换膜燃料电池的性能曲线、阴极氧浓度分布、水浓度分布及压降的影响。结果表明：增加流道分支数可提高质子交换膜燃料电池的输出性能,其中9分支流道的峰值功率密度最大,为0.32 W/cm²,相比于2分支流道增加了的146.15%;分支数的增加也会提高氧浓度分布的均匀性,阴极气体扩散层与催化层交界面处的平均氧浓度从0.44 mol/m³提高到1.42 mol/m³,氧气不均匀度从2.13降低至0.90;分支数的增加也明显改善了弧形流道内的水浓度分布。此外,随着流道分支数从2增加到9,流道压降从38.57 Pa递减至4.47 Pa,质子交换膜燃料电池的输出功率从0.40 W递增到1.56 W。     

基于鹦鹉螺仿生结构的流道对PEMFC性能提升研究

提出一种基于鹦鹉螺旋转结构的仿生流道并建立三维单相、等温的CFD数值模型进行多物理场模拟研究,该流道进气口位于中心位置,反应气体从流场中心进入,向周围环形流道依次流动。将传统蛇形流道与鹦鹉螺仿生流道进行数值模拟分析,发现鹦鹉螺仿生流道具有反应气体分布更加均匀、除水效果更好、浓差极化损失较小、输出性能更好等优势,相比蛇形流道的峰值电流密度提升46.77%、峰值功率密度提升21.53%。     

挡板式8通道蛇形流道PEMFC的性能研究

基于提高质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的内部传质,增强其排水特性、气体分布特性,达到改善其工作性能的目的,建立了三维、稳态、恒温的8通道蛇形流道PEMFC模型,深入分析与讨论了有、无挡板对PEMFC内部传质的影响,以及挡板的阻塞比及挡板数量对PEM...     

不同流场结构对PEMFC性能影响的模拟研究

该文模拟常规矩形平行流场、正六边形平行流场和正六边形蜂窝状仿生学流场对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响。通过对极化曲线、氧气和水分布、膜电流密度以及压降和寄生功率密度进行分析,结果表明：正六边形流场表现出良好的输出性能,且正六边形蜂窝状流场的电流密度比常规矩形平行流场和正六边形平行流场分别提升11.28%和4.95%。此外,常规矩形平行流场、正六边形平行流场和正六边形蜂窝状流场的氧气不均匀度分别为0.64、0.53和0.41,正六边形蜂窝状流场展现出更好的水和膜电流密度分布能力,进一步说明正六边形流场缓解了氧气、水和膜电流密度分布不均匀的问题。正六边形蜂窝状流场压降虽比常规矩形平行流场和正六边形平行流场分别增加40.0%和27.7%,有较高的寄生功率密度,但仍获得了最大的净输出功率密度。     

质子交换膜燃料电池（PEMFC）最新进展

评述了质子交换膜燃料电池的发展背景、最新进展、目前发展障碍和我国发展现状。     

PEMFC温度的自动控制

本文分析了工作温度对质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行性能的影响,研究采用Nafion膜作为温度传感器来检测质子交换膜燃料电池的工作温度,运用闭环负反馈调节方案实现了质子交换膜燃料电池温度的自动控制,并对温度调节过渡过程的性能指标进行了分析和验证。     

PEMFC圆形双极板径向流场环形肋板孔道研究

为研究质子交换膜燃料电池圆形双极板径向流场环形肋板上的孔道对电池性能的影响,借助多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对不同孔道数目的流道设计方案进行数值模拟。选定某一特定孔道数目之后,进一步研究孔道的形状尺寸对电池电化学性能和物质输运能力的影响。结果表明：增加环形肋板上孔道的数目有利于提升电池输出功率,采用长宽比为1.50~1.75的矩形孔道的燃料电池整体性能最优。     

车用PEMFC直流道散热特性研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的散热对其性能有很大影响。文章利用Gambit软件建立带冷却通道的PEMFC模型,使用计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行数值模拟计算。通过改变冷却通道进口处冷却水的流速和温度,对质子交换膜内温度和冷却水出口处温度进行了分析。数据表明,冷却水的流速和温度对PEM内温度分布都有一定影响。为使PEMFC正常稳定工作,冷却水流速不宜过小、温度不宜过低。     

质子交换膜燃料电池阴极传质过程的数值模拟

利用CFD方法对采用交指型流道质子交换膜燃料电池阴极的传质过程进行数值模拟,得到了阴极扩散层内氧气和水蒸汽质量浓度的分布特性,探讨了电池结构参数和操作条件对电池性能的影响。     

车用PEMFC直流道散热特性研究

本文利用Gambit软件建立了带冷却通道的质子交换膜燃料电池（PEMFC）模型,使用计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行数值模拟计算。改变冷却通道进口处冷却水的流速和温度,对质子交换膜内温度和冷却水出口处温度进行了分析,其结果为PEMFC优化提供依据。     

阴极挡板排列对PEMFC反应物输运和性能的影响

为了改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能,采用流道内使用挡板堵塞的方法,以增强反应气体向催化层的传质。建立了一个三维、两相、稳态的PEMFC数值模型,研究了凸字排布、顺排和逆排这3种不同阴极流道挡板的排布方式对PEMFC性能的影响,并与无挡板常规流场进行对比,然后在最佳排布方式的基础上研究了挡板形状(矩形、梯形和半圆形)对PEMFC性能的影响。结果表明：PEMFC阴极流道挡板顺排性能最好,相较于无挡板常规流道,净功率提升了14.3%;使用梯形挡板的PEMFC性能最好,相较于无挡板常规流道,净功率提高了16.4%。     

扩散层孔隙率对PEMFC性能影响的模拟研究

为了研究扩散层孔隙率对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响,采用COMSOL软件,通过数值模拟得出气体扩散层不同孔隙率(0.2,0.4,0.6和0.8)时,单直通道和具有楔形肋片(长1 mm,高1.5 mm,宽2 mm)的PEMFC性能曲线、阴极氧气质量分数分布和水质量分数分布。结果表明:扩散层孔隙率对燃料电池性能具有较大影响,随着扩散层孔隙率从0.2增大到0.8,PEMFC的电流密度逐渐增加,最大可达847 mA/cm~2;相对于单直通道,增加孔隙率比添加楔形肋片更利于提升电池性能;在孔隙率为0.6和0.8时,氧气更易扩散到反应区,排水效果更好。     

不同衰退机理对PEMFC怠速工况性能衰退影响的模拟研究

分析质子交换膜燃料电池(PEMFC)怠速工况衰退机理,确定怠速工况不同衰退机理对燃料电池模型参数的影响,采用所建立的PEMFC二维等温多物理场模型,仿真研究燃料电池在怠速工况衰退前后的性能及各种衰退因素对电压衰减量的贡献和内部反应气体分布变化.研究结果表明,阴极活化损失增大是怠速工况下最重要的衰退因素,其次是开路电压衰...     

不同操作和环境条件下的PEMFC低温冷启动数值模拟研究

基于COMSOL建立质子交换膜燃料电池低温冷启动一维瞬态多物理场耦合模型,该模型考虑气态水和膜态水在0 ℃以下结冰来研究恒电压输出、恒电流输出、膜态水初始含量以及环境温度等不同操作和环境条件对质子交换膜燃料电池低温冷启动性能的影响。结果表明,恒电压输出模式下,低电压操作相对于高电压能产生更多的热,温度上升更快,但结冰速率也会激增,从而导致性能衰减更快;恒电流输出模式相较于恒电压能达到更高的温度,但需更好的气体传质能力;如果低温冷启动之前吹扫不足导致膜水含量较高,膜的储水能力下降,这将造成输出性能下降更快,不利于冷启动的成功进行;启动时环境温度的不同会直接影响燃料电池低温冷启动成功与否,仅依赖被动加热成功启动的初始环境温度存在极限值。     

质子交换膜燃料电池双极板的设计与模拟分析

质子交换膜燃料电池是直接将化学能转换为电能的装置,双极板上的流道结构对燃料电池的工作性能具有较大的影响。根据应用要求设计了具有平行流道、蛇形流道及希尔伯特分形流道的双极板结构,模拟计算了氢气在不同类型的流道和气体扩散层中的分布状态,分析了燃料电池的输出电流密度和功率密度随电极间电压的变化特点,比较了不同的流道结构对燃料电池输出电流密度的影响,以及不同的工作温度及气体压强的情况下,燃料电池输出电流密度随温度及压强的变化规律。     

质子交换膜燃料电池阳极内流动与传质特性模拟

针对直流道质子交换膜燃料电池阳极，建立二维稳态的数学模型研究流道和电极内的流动和传质特性。模型采用通用Darcy定律来描述多孔介质与非多孔介质区域的流体流动，可以模拟沿流动方向上的物质变化情况，并探讨进口速度、进口氢气质量分数和催化层厚度对质量传输的影响。结果表明：增大进口速度、增加进口氢气质量分数、降低催化层厚度有利于氢气的质量传递。     

PEMFC空气传输系统控制方法研究

针对质子交换膜燃料电池空气传输系统的强耦合性、非线性和时变性特点,该文将多模态PID和传统PID控制方法用于140 kW燃料电池空气传输系统中,通过跟踪空压机出口空气质量流量进行实时控制,实现空气传输系统动态响应快,超调量小,稳态波动小的控制效果;能够满足车载质子交换膜燃料电池的实时动态工况要求;并从系统响应特性和能耗等方面比较2种控制方法的控制特性。     

车用PEMFC氢气系统建模及其排放特性研究

建立基于尾氢再循环的车用PEMFC氢气系统的集总参数模型和质子交换膜燃料电池堆的二维CFD模型,瞬态模拟研究额定功率工况下尾氢排放对系统及电堆工作特性的影响。结果表明：排放过程中,阳极进气压力和进气流量等参数出现显著的波动现象,且波动幅度和波动时间与排放持续时间存在直接关系;电堆性能在排放过程中有所下降,排放结束后能迅速恢复到排放前的水平;阳极内部的水气分布在排放过程中得到明显改善。     

变工况对带涡流发生器的PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效的能量利用装置。为了提高其工作性能,在其中加装涡流发生器,并研究工况对其性能的影响,对其进行了单因素和多因素影响分析,利用响应面法建立数学关系式。结果表明：加装涡流发生器,可以明显改善PEMFC温度均匀性、提高燃料利用率、改善通道排水,对燃料电池的性能有明显提升,电压为0.4 V时电流密度提升了55.4%;在所选区间内温度为65℃,相对压力为100 kPa,湿度为60%,化学计量比为2.50时,燃料电池的功率密度最大。