基于两相混合流理论PEMFC含水量特性分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)中有效的水管理(尤其是两相水管理))和电池系统内部良好的水平衡是确保电池稳定运行及具有优良性能的关键因素之一。采用气液两相层流假设,使用两相混合流理论,建立了单流道常规流场质子交换膜燃料电池阳极出口端封闭的三维两相流等温数学模型,对三维空间中水的两相传递和分布特性进行分析,探讨不同湿度、不同温度下电极中液态水饱和度以及含水量的浓度变化。     

质子交换膜燃料电池流道设计

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源.双极板(流场板)是质子交换膜燃料电池的重要部件,其质量占电池堆60%以上.流场板上的流道设计对电池性能、运行效率和制造成本有很大影响.系统地综述了现有的流道设计,剖析了流道的功能及其对电池性能的影响,并在此基础上讨论了流道设计的发展趋势.     

PEMFC多级横向流道交错流场参数研究

流场结构是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成部分，采用合适的流场结构能显著提高PEMFC的工作效率。设计了一种新型流场结构，将新型流场流道级数以及横截面积作为研究重点，利用三维软件COMSOL Multiphysics对新型流场进行了数值模拟和比较分析。结果表明，随着横向流道级数和进出口面积比的不断增加，电池输出性能均呈现出先增大后减小的变化趋势，采用三级横向流道能使新型流场结构有最高的输出性能，均匀递减型流道可以有效提升电池的输出功率。     

无外增湿质子交换膜燃料电池线性温度扫描实验

为分析温度对电池性能影响的主要原因,搭建采用半导体制冷片作为新型控温设备的模糊控制温度控制实验测试平台,对实验室自制的无外增湿阴极开放式质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)进行了线性温度扫描实验。通过跟踪电池随温度变化的输出特性,得到不同负载电压下电池最佳工作温度点。从PEMFC水热平衡管理的角度,着重分析了PEMFC分别在大/小负载情况下,温度对电池性能的影响的原因。     

不同流场的PEMFC性能研究

改进了一个耦合气体流道和气体扩散层的两相、三维和多组分质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,研究4种流道形式对PEMFC输出性能的影响。设定温度为70℃,有效面积为3.61 cm~2的情况下,发现单边交指单蛇形流道的性能最好,单蛇形流道的性能最差。阳极流场的形状对PEMFC性能的影响不大。单边交指单蛇形流道的阴极氧气浓度分布最均匀,浓度差值为6.41 mol/m~3,同时排水性能最好,阴极流道内水浓度差值为10.25 mol/m~3。     

流道截面形状对PEM燃料电池性能的影响

质子交换膜燃料电池内电化学反应生成的水和热量会对电池性能产生较大影响,而流道截面形状是影响电化学反应的因素之一.利用FLUENT软件计算了采用不同截面形状流道的质子交换膜燃料电池,获得电池电压-电流(U-(I))曲线,并分析中电流密度下不同流道电池内温度场的分布,研究了在中、高电流密度下梯形流道和圆形流道对电池内水含量分布的影响.结果表明,流道形状对电池性能影响一方面体现在流道与扩散层接触面积越大则电流密度越大,另一方面底部为弧形和侧壁倾斜的梯形流道可在一定程度上降低膜内中心部位水含量.     

质子交换膜燃料电池系统运行特性

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效、零污染的发电技术,能够将氢气的化学能通过电化学反应直接转化为电能,在家用热电联产、备用电源、新能源汽车等领域具有广阔的应用前景。电池堆是PEMFC系统的核心部件,系统结构及集成工艺对燃料电池堆性能影响显著。本文针对PEMFC系统结构、气路子系统、增湿子系统、热管理子系统、控制子系统分别进行了阐述,并实验测试了自消耗情况以及系统启动温度、系统稳定运行温度等因素变化时电池堆的电流-电压曲线,获得了PEMFC性能变化规律。实验结果表明:PEMFC系统的启动温度和稳定运行温度对电池性能有较为显著的影响,当系统启动温度约为25℃、稳定运行温度为50~60℃时,电池堆性能达到最优值。该结论可为优化质子交换膜燃料电池堆性能、提高电池系统运行稳定性提供依据。     

温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响

温度是燃料电池重要运行参数,为了研究温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响,通过Fluent软件的PEM模块模拟了不同运行温度下的单直流道阳极封闭式质子交换膜燃料电池性能。结果表明阳极封闭式燃料电池存在最佳运行温度;在低电流密度时,温度对电池性能影响较小,但在高温区影响变大;在高电流密度时,运行温度对电池性能影响较大。温度变化会使阳极流道内水、氮气的累积和氢气分布不均,这可能是温度对性能产生不同影响效果的直接原因。     

质子交换膜燃料电池冷启动性能影响因素分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷启动性能与初始水含量、启动模式、启动温度等密切相关。从电池内部水结冰/解冻过程,电池的不同启动模式,电池内水的结冰位置等方面较详细地阐述了它们对电池性能的影响,对学者们的研究成果进行了总结归纳,就电池冷启动后续研究方向提出了建议。     

基于不同电极位置的PEMFC运行特性研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种有巨大发展潜力的发电装置,特别适合成为新一代便携式电源和电动汽车的动力源。水是影响燃料电池性能的关键因素,良好的水管理是使其安全稳定运行和提高其性能的必要条件。在PEM燃料电池的阴极侧安装风扇,向燃料电池提供氧化剂和降低电池温度,通过实验,观察到在电池堆方向发生变化的情况下,PEM燃料电池性能及其内部传质情况会发生明显变化。实验结果发现:当电流密度较小时,电极方向对PEM燃料电池的性能影响不明显;当电流密度较大时,阳极在上、阴极在下时燃料电池性能优于阴极在上、阳极在下的燃料电池性能。     

开孔率对台阶形流道性能影响研究

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道开孔率对台阶形流道的传质、水管理、电化学性能影响机理不明的问题,探究开孔率对台阶形流道在氧浓度、水分布、流道流速分布、电池功率密度等方面的影响规律.结果表明:极板构型可直接影响台阶形流道氧气浓度和浓度差;相同流道宽度的条件下,较高开孔率的台阶形流道氧气浓度更高且浓度分布均匀,水分布更均匀,排水性能更好;开孔率为62.5％的流道相较于开孔率为40％的流道功率密度峰值可提升26.5％,电流密度可提升17.1％.     

质子交换膜燃料电池内水传递影响因素分析

通过大面积质子交换膜燃料电池(PEMFC)的水平衡实验研究,考察了不同操作条件,如电池阴极增湿温度、电池操作温度及阴阳极压差对水在阴阳极间迁移行为及对电池输出性能的影响。实验结果表明,提高电池阴极增湿温度,促进了水向阳极的扩散,在一定程度上可提高电池的性能,但同时增大了电池的水淹程度;提高电池操作温度促进反应生成水向阳极的迁移并提高了电池性能;减小阳极压力以增大阴阳极压差可促进水向阳极迁移,但压差对水的迁移行为影响不大。     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

氢燃料电池汽车变质量加注过程建模与分析

流道内添加阻块可有效改善流道的传质和排水性能,为了从流场结构上改善氢燃料电池的输出特性,通过三维数值解析的方法,研究了蛇形流道内堵塞体积相同的各形状阻块和阻块数量非均匀布置方式,对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响。结果表明:添加阻块的流道较传统流道输出性能有所提升,其中方形阻块效果最佳,当输出电压为0.5 V时,电流密度提升21%,但流道内压力损失过大;此外,阻块数量布置的均匀性越差,其输出性能越差,但流道内压力损失越小;流道下游布置更多阻块对气体分布均匀性和出口侧除水性能均有所改善;合理的阻块布置最高可使输出性能提升4%。     

蛇形流场PEMFC性能影响因素的数值模拟

为了研究蛇形流场质子交换膜燃料电池(PEMFC)的输出性能,分析其性能的影响因素,寻找改善其性能的方法和途径。基于多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,建立了包括阴阳极流道、扩散层、催化层及质子交换膜在内的完整的PEM燃料电池三维全流场稳态模型,在COMSOL中利用该模型对蛇形流场PEMFC进行了数值模拟和分析。模拟结果得出了在工作电压为0.7 V的条件下,蛇形流场的流型以及质子交换膜的电导率对PEMFC输出性能的影响。分析表明三蛇形流场的性能优于单蛇形流场;随着质子交换膜电导率的增大,膜内传质得以改善,可以降低传质过程中的电阻损耗,提高燃料电池的性能。模拟结果对于改善PEMFC整体性能有着重要的指导意义。     

几何尺寸对楔形流场PEMFC性能的影响

在三维非等温单相模型的基础上,比较了质子交换膜燃料电池(PEMFC)楔形流场与平行流场的电池性能,且对楔形流场进行了高度及宽度方向上尺寸的变化,分析了其对电池性能的影响.结果表明:随着楔形流道楔高比的减小,楔形流场可提高PEMFC的电池性能;保持流道进口截面宽度不变时,随着楔宽比的增大,燃料电池性能呈先升高后降低的趋势...     

操作条件扰动在PEMFC性能优化中的应用

以质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池为研究对象,研究了电流短路、电流扰动以及空气流量扰动这三个操作条件扰动对PEMFC单电池的极化曲线和功率曲线的影响。研究结果表明,电流短路能够有效提高PEMFC的输出性能,尤其是在大电流情况下,输出电压最高可提高62.96%,输出功率最高可提高30.36%;电流向上扰动和空气流量向下扰动在大电流下均可以提高PEMFC的输出性能,在小电流下对PEMFC的性能影响不明显。     

高功率密度质子交换膜燃料电池研究

采用低铂载量E TEK电极组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,研究了质子交换膜厚度、电极立体化的聚合物电解质Nafion含量和操作条件对PEMFC性能的影响 ,同时对电池进行了稳定性试验。实验发现 :(1)使用薄膜电解质(Nafion 112 )显著提高了电池性能 ;(2 )电极立体化的Nafion含量为 0 .9mg/cm2 时性能最佳 ;(3)提高电池温度和气体压力有利于改善电池性能 ;(4 )Nafion 112膜和低铂载量E TEK电极组装的PEMFC稳定性良好 ,在 90 0h内未见电池性能下降 ,且质子交换膜和电极之间相互结合良好 ,无断裂或分层现象发生     

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的实验性能研究

简单地回顾了然料电池(Fuel Cell)的发展历史,简述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理,对质子交换膜燃料电池的性能进行了一系列的实验研究,用测定电压-电流曲线的方法研究了质子交换膜燃料电池的性能特点以及温度和压力对电池性能的影响.     

阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池--水分布及其性能

针对阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC),建立了Nafion固体电解质膜中水传递理论模型,并得出了PEMFC实现自增湿的判据.模拟了Nafion固体电解质膜厚、电池压差、电池温度及电流密度等因素对膜中水分布与电渗系数的影响,并发现了阴阳两极压差、电池温度对膜中水分布的影响随放电电流密度变化的规律.通过非对称式膜电极(MEA)的方法自制了自增湿PEMFC,实现了阳极封闭式自增湿操作,电池性能非常稳定,最高功率密度可达到1.3W/cm2以上.建立的水分布与电性能模型很好地拟合了实验放电曲线,并得到了自增湿PEMFC氧电极动力学参数,模拟出了阴阳两极压差、温度对电性能影响的极化曲线,得到了实验的证实.