PEMFC新型压差流道传质与电化学性能研究

双极板是质子交换膜燃料电池（PEMFC）核心组件,极板的流道形状和尺寸直接影响反应气体的利用率以及电池的排水、散热性能。基于极板工作原理提出一种新型PEMFC压差流道构型,研究流道内阴极氧气浓度、水浓度分布、进出口压降、流速的变化,分析电流密度和极化曲线对燃料电池电化学性能的影响;50%开孔率时,对比8组低压直流道和高压直流道宽度同时增大的仿真结果发现,低压直流道和高压直流道宽度均由2.25mm减小到0.5mm时,功率密度峰值提高了31.9%。进一步探究压差流道中增大或保持一种流道宽度不变去改变另一种流道宽度对燃料电池电化学性能影响,结果表明低压直流道和高压直流道宽度均为1mm时,功率密度峰值最高可达0.39W/cm2。     

蛇形挡板流道PEMFC性能分析

提出一种新型蛇型挡板流道设计,该流道设计是通过在传统蛇型流道中添加挡板构成的.三维数值分析表明.当操作电压下低于0.7 V时,蛇型挡板流道设计性能较传统蛇型流道有较大提高.分析电池内部氧气流量、液态水和局部电流密度发现.添加挡板增大了流道内燃料压力,电池内部受肋下对流效应影响的区域增大,由于肋下对流效应不仅提高了肋条下方多孔层氧气传输效率,同时在多孔层内产生较大的对流剪切力还可有效提高液态水移除效果,因此性能提高.压力损耗分析表明.尽管蛇型挡板流道增大了电池压损,但对本文所分析的小型燃料电池而言,增加压损引起的附加压缩功远小于电池输出功,因此压损可不予考虑.     

波形流道对高温PEMFC性能的影响

采用COMSOL Multiphysics软件建立高温质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维稳态模型,并进行模拟计算,分析波形流道结构参数对阴极氧气、水的浓度分布及电流密度分布的影响。波形流道结构引起的俯冲效应,流场内物质在各方向上的流速分量增大,促进氧气向气体扩散层(GDL)扩散,有利于阴极中累积水分的排出。流道中波形数量的增加,使俯冲效应效果更显著,能获得更高的电流密度。当电势为0.4 V时,电流密度从无波形直流道时的9 527.5 A/m²提升到波形数量为10时的9 758.9 A/m²,提高了燃料电池的性能。     

PEMFC气体扩散场数值模拟

为达到催化层表面的氧气浓度的均匀性最优,利用CFD软件对质子交换膜燃料电池气体扩散场进行数值模拟,对流道型式、流道截面尺寸和扩散层孔隙度与孔径等参数进行优化设计.研究结果对燃料电池气体扩散场的设计具有一定参考意义.     

流道构型对PEMFC综合性能的影响

为探究流道构型对质子交换膜燃料电池的性能影响,运用多物理场耦合软件COMSOL对比分析了阶梯流道与直流道、波浪流道三种流道在反应气体流速、阴极压降、电池产热、反应气体传质、极化曲线等方面的性能差异性。结果表明：阶梯流场最高阴极反应气体流速约为其余两种流场的1.65倍,压降约为其余两种流场的4倍;阶梯流道温度分布梯度多于其余两种流道,传质能力与波浪流道接近且强于直流道;三种流道峰值功率密度依次为：0.521 9、0.526 0与0.529 8 W/cm²,但考虑到三种流场的加工难易程度,阶梯流场综合性能优于其余两种流场。     

反应气相对湿度对PEMFC性能的影响

反应气相对湿度影响电池内部水的输运和质子膜的质子传导率,合适的反应气湿度可改善电池性能.利用三维数值模型分析反应气相对湿度对直通流道和交叉流道质子交换膜燃料电池性能的影响.模拟结果表明,当阳极反应气相对湿度为100%时,低操作电压条件下,降低阴极反应气相对湿度有利于电池性能提高,然而在高操作电压条件下,电池性能随阴极相对湿度的增加而提高;当阴极反应气相对湿度为100%时,低操作电压条件下,降低阳极反应气相对湿度,电池性能提升,高操作电压条件下,电池性能不依赖于阳极反应气相对湿度.通过对电池内部局部传递特性的分析,从质子交换膜湿润性及阴极传质限制两方面分析探讨了反应气相对湿度对电池性能影响的原因.     

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.     

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。     

PEMFC标准单电池流场结构的优化设计

标准单电池是用来测试和评价燃料电池质子交换膜、催化剂以及膜电极等材料性能的重要工具,其流场形式对测试结果有重要的影响。以25cm^2 PEMFC单电池为研究对象,对单蛇形流道、多蛇形流道和直流道的燃料气体进出口压差进行分析研究。结果显示,标准单电池选取单蛇形流道,阴阳极可以避免产生“水淹”的情况;而多蛇形流道,阳极产生“水淹”的可能性很大,阴极则在低流量的条件下有“水淹”的可能,在高流量情况下可以避免;直流道阴阳极都会产生电极“水淹”现象。     

多蛇形流道几何特征的数值研究

合理的流道几何特征可以提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能;使用Fluent软件以多蛇形流场板为研究对象,从反应气体进入流场开始到排出流场结束,针对流道的几何特征进行了系统的数值研究与优化;首先用微流体元件中微流道之缓冲区的设计方法对八流道流场板入口进行了优化使反应气体流速更加均匀,然后对单一型及复合型流道截面进行了数值研究,最后研究了流道基本尺寸——流道深度、流道与脊背宽度对燃料电池性能的影响;相对最优的流道深度为0.45mm,流道宽度与脊背宽度为1 mm;对实际设计及燃料电池双极板的制造有参考意义.     

多通道蛇形流场PEMFC内传递现象的数值模拟

电极板上的流场构型对质子交换膜燃料电池的流动特性和电池效率有重要的影响。为研究多通道蛇形流场设计质子交换膜燃料电池的局部流场、电流密度和组分浓度等的空间分布,应用作者前期发展的基于计算流体力学的三维稳态数学模型,对一个小型电池单体(电极面积大小为5.9cm×6.1cm)进行了详细的数值模拟,讨论和分析了该设计的流动特性和传输机理。结果表明:电池的电流密度分布比较均匀,阴极的压力损失要比阳极大得多,阳极氢的质量分数从流动入口到出口基本呈现增大趋势。     

PEMFC可视化技术的研究现状与展望

可视化技术是研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部水管理的重要技术之一.从PEMFC可视化技术的研究意义出发,对PEMFC可视化技术的研究现状进行归纳,介绍了现有PEMFC可视化方法的优势以及存在的问题,对试验过程中PEMFC可视化方法遇到的问题进行了总结并提出解决方法,对提高燃料电池可视化技术具有指导意义.     

PEMFC电堆的三维热力耦合数值仿真

以典型质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆为研究对象,结合计算流体动力学与有限单元法建立了多级PEMFC电堆的整体三维稳态热力耦合模型,分析了电堆在不同工作状态时温度、应力及膜电极(MEA)表面接触压力的分布形式和变化规律.结果表明:电堆在封装载荷的作用下,主要沿封装方向单向变形,其余两个方向的变形可以忽略不计;封装好的PEMFC电堆工作前,膜电极(MEA)表面接触压力呈非均匀分布,压力数值从MEA边缘向中心区域递减;当电堆稳态工作后,在结构热应力的影响下,MEA表面接触压力的不均匀性得到缓解,但接触压力数值将损失约20％.     

氢空质子交换膜燃料电池阴极沿流道模型

为了优化设计氢空质子交换膜燃料电池阴极的气体流道,建立了沿流道数学模型。模型研究了空气在流道中的动量传递、空气中各组分的质量传递和电极反应。将二维问题经积分均化后转化为较简单的一维问题,于是偏微分方程组转变为常微分方程组,使计算过程得以简化。以50cm长的流道为例,计算了沿流道方向的浓度、流速以及电流密度的分布。还利用此模型考察了各操作与设计参数对浓度、流速和电流密度分布的影响。     

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.     

渐变型流场对PEMFC传质和性能的影响

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Full Cell,PEMFC)流场板结构对燃料电池性能有着重要的影响。在保证模型尺寸和结构尺寸的前提下,建立了阴极、阳极、阴阳极分别具有渐变型流场的质子交换膜燃料电池三维模型,并用有限控制体法对模型进行了求解。结果表明,在大电流区域,渐变形流场可以提高气体的浓差扩散,从而提高电池的性能,但阴极氧气的传输对电池性能的提高远大于阳极氢气的传输对电池性能的提高。因此,阴阳极均为渐变型流场的电池性能最好;阴极为渐变型流场,阳极为直型流场的电池性能次之;阴极为直型流场,阳极为渐变型流场的电池性能再次;阴阳极均为直型流场的电池性能最差。     

流线型挡板对PEMFC性能的影响

优化质子交换膜燃料电池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）的流道结构是强化反应气体传输及提升输出性能的一种重要方法。在PEMFC直流道中添加了一种新型流线型挡板结构,与矩形挡板进行了对比,并分析了流线型挡板的背风面长度对PEMFC传质特性的影响。最后在平行流场中添加流线型挡板,研究了挡板的分布方式对PEMFC性能的影响。结果表明,在直流道内添加挡板提高了挡板下方反应气体的流动速度,增加了扩散层中的反应气体总通量,PEMFC电流密度得到提高。当流线型挡板的背风面长度增加时,有利于减小挡板后方的涡流大小。此外,在平行流场中添加流线型挡板并采用交错分布时,增大了平行流场中的反应气体压降,提高了催化层中的反应气体浓度。当工作电压为0.5 V时,采用交错分布平行流场的PEMFC电流密度比常规平行流场提高了3.4%。研究结果可为今后挡板优化及分布方式的研究提供理论基础和技术储备。     

蛇形流场PEMFC的三维多物理场数值模拟

对质子交换膜燃料电池进行了三维多物理场建模。在多物理场建模的基础上,通过COMSOL Mutiphysics中的4种应用模式,利用电流平衡、质量传输方程和动量传递方程等去模拟PEMFC的膜电极(MEA)中阴极侧和交换膜上的工作状态,分析了膜电极阴极侧上的压力分布、气体质量分数分布、气体速度场分布以及电流密度分布等,为蛇形流场PEMFC提供了全面的性能分析和设计上的理论依据,最后通过设计上的改进,解决了该电池的水淹问题。     

基于多物理场耦合模型的车用PEMFC仿真研究

运用COMSOL软件建立了基于多物理场耦合模型的燃料电池仿真模型。基于多物理场耦合模型分析了燃料电池内部的流场和压力分布情况。研究了阳极和阴极内反应气体的浓度变化情况。分析了膜电极(MEA)内电流分布与反应气体浓度的关系。研究了燃料电池内部温度场和热流的分布情况。通过仿真研究加深了对燃料电池各个物理过程的理解,为优化燃料电池设计提供了参考。     

宽脊背流场对单体PEMFC性能的影响

建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴、阳极气体扩散的几何模型,由菲克定律确定阴、阳极板流场脊背的最大宽度分别为2.0 mm和2.2 mm,根据流场通道的理想压损值,确定阴、阳极流场通道的最小宽度分别为0.7 mm和0.5 mm。组合不同流场尺寸的单体电池进行性能测试,发现:随着流场脊背宽度的减小和流场通道宽度的增加,电池性能上升。