直流道PEMFC的综合三维数学模型及其性能模拟

目的 研究质子交换膜燃料电池中扩散层厚度、孔隙率和催化剂颗粒尺寸等参数对电池性能的影响.方法 对直流道质子交换膜燃料电池建立综合的三维多组分数学模型,电化学反应速率采用团聚块模型修正,自主开发程序代码对电池的极化性能进行数值模拟,利用该模型研究了扩散层厚度、孔隙率和催化剂颗粒尺寸等参数对电池性能的影响.结果 增大气体扩散层孔隙率有利于提高电池的极化性能,但是应考虑孔隙率增加引起的不利影响;存在最佳的扩散层厚度使电池的极化性能最优;减小催化剂颗粒的特征尺寸可以提高电池的极化性能.结论 利用直流道质子交换膜燃料电池的综合三维数学模型,可以进行燃料电池极化性能的模拟,并能对电池的主要结构参数进行优化.     

孔隙率间隔分布扩散层的PEM燃料电池性能

为了考察质子交换膜燃料电池气体扩散层的结构对排水、导电、导气等性能的影响,综合考虑电化学反应、水的相变及传输、氧气的传输、膜中水传输等因素,研究了在平面内孔隙率间隔变化分布的气体扩散层对燃料电池性能的影响.结果表明,由平面内孔隙率间隔分布的气体扩散层组成的燃料电池,其性能高于由普通扩散层组成电池的性能,因为平面内孔隙率间隔分布的气体扩散层都能够提高其液态水和气体的通过能力,从而提高电池的性能.     

质子交换膜燃料电池温度场数值模拟

本文利用Comsol软件,对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维质子交换膜模型进行温度场数值模拟,结果表明,质子交换膜内部温度靠近阴极一侧高于阳极一侧且电池内部温度随工作电压的降低和电池孔隙率的增加而升高,这一结果对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的深入研究具有重要参考价值.     

进气温度对质子交换膜燃料电池性能影响的试验研究

为了研究不同进气温度对质子交换膜燃料电池性能的影响.首先分析了质子交换膜燃料电池反应的基本原理;其次建立了一个质子交换膜燃料电池性能测试平台,通过控制空气和氢气侧压力为0.1 MPa、燃料电池工作温度为60℃时,同时改变阴极和阳极侧进气温度来对一个由十片单电池组成的电堆进行实验.实验结果表明:质子交换膜燃料电池性能受进气温度影响较大,在燃料电池进气压力和工作温度一定的情况下,随着进气流量的增加,进气温度随之升高,电池性能也将得到明显改善;其次,通过比较同一进气压力、进气温度和工作温度下电堆的一致性,得出第十片单电池性能衰减较快.     

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。     

相对湿度对PEMFC水传输和分布的影响

建立了一个二维稳态两相等温的质子交换膜燃料电池模型用于研究相对湿度对电池水传输的影响。模型综合考虑了电池中的动量守恒、质量传输、电荷守恒、催化层中的电化学反应,以及扩散层中液态水的凝结。通过计算分析电池内部的水分布和水传输表明:燃料电池的进气均需要加湿,以保证电解质膜的湿润,使其具有很好的导电能力;阴极进气加湿在75%左右电池性能可以达到最佳;阳极进气干燥对电池的性能影响较大。     

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。     

基于质子交换膜动态特性的PEM燃料电池建模与仿真

质子交换膜是燃料电池的核心部分,膜的含水量及膜内阻对燃料电池的性能至关重要。基于质量守恒、能量守恒、电荷守恒和电化学反应动力学,将燃料电池划分为阳极气道、阳极扩散层/催化层、质子交换膜、阴极气道、阴极扩散层/催化层5个控制体,建立了简化的半机理半经验动态模型,描述了H2O和H2等各组分在相应控制体内及燃料电池关于电压、温度、压力和膜含水量等一些重要变量(如电压、温度、压力和膜含水量等)的动静态特性;描述了水通量密度、质子通量密度和含水量等膜内变量(如水通量密度、质子通量密度和含水量等)的动态过程。仿真结果表明,该模型能够较准确地反映运行参数对PEMFC动静态性能的影响。     

不同截面流场的质子交换膜燃料电池模拟

流场对于质子交换膜燃料电池至关重要,采用流体力学计算软件Fluent的PEM模块对不同截面形状流道的质子交换膜燃料电池进行数值模拟和优化设计.研究表明,矩形截面、半圆形截面、三角形截面以及梯形截面流道的质子交换膜燃料电池性能相差不大,而变截面流道的质子交换膜燃料电池性能要远远好于其它非变截面流道的电池.     

流场板二次流对质子交换膜燃料电池性能影响

电池流道结构对电池性能有直接影响，有必要对电池流道结构进行研究。在质子交换膜燃料电池流道内放置堵块可以增强反应气体的传质进而增强电池性能，但不同堵块对电池性能影响不同。采用数值模拟的方法，建立了三维、稳态的单直流道质子交换膜燃料电池数值模型。对阴极流道内放置不同堵塞率堵块的质子交换膜燃料电池进行研究，重点分析堵块产生的二次流对电池性能的影响。研究发现在流道内放置堵块产生的二次流可以增强电池性能，堵块堵塞率为0.8时电池净功率最大。反应气体在流道内受到堵块扰流作用，在堵块后方产生二次流增强了反应气体传质是电池性能增强的主要原因。     

Elucidating the operating behavior of PEM fuel cell with nickel foam as cathode flow field

Metal foam material, which serves as an alternative replacement of the conventional flow distributor of proton exchange membrane(PEM) fuel cell, has been attracting much attention over last few decades. In this work, three-dimensional modeling work for PEM fuel cell containing metal foam as cathode flow distributor has been carried out. The fuel cell performance and operating characteristics of metal foam flow field and conventional parallel flow channel have been compared and discussed.The cell performance has been reasonably validated based on the corresponding experimental tests conducted in this study. The superior performance of PEM fuel cell with metal foam as cathode flow field benefits a lot from the uniform gas flow. The porous metal foam material provides more pathways for the water delivery at the interface of metal foam flow field and gas diffusion layer(GDL), accelerating water removal capability of cathode. Because of the significant oxygen transfer loss in diffusion limited parallel channel, the operation of PEM fuel cell with parallel channel is found to be more sensitive to cathode humidification and oxygen supply at inlet. Due to the more uniform and effective electron transport though the porous electrode, it is possible to use thinner GDL in metal foam PEM fuel cell. It is expected that this study could give a good baseline of operating behavior of PEM fuel cell with metal foam flow distributor.     

质子交换膜燃料电池蛇形流场结构的数值模拟

为了研究蛇形流场结构对电池性能的影响,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蛇形流场三维阴极模型,分析了蛇形流场燃料电池中单、双、三蛇形结构流场对电池流场内压力分布的影响,验证了建立模型的有效性与可靠性;进一步研究在三蛇形流场结构基础上,蛇形燃料电池拐角处设计为直角、圆角两种结构时,对不同拐角结构流场内部以及拐点处流体流速进行了分析。研究发现：三蛇形流场的压力损失相对较小;蛇形燃料电池拐角处设计为圆角结构时,能更好的提高反应气体的流动与扩散,进而提高反应速率。     

Experimental investigation of liquid water in flow field of proton exchange membrane fuel cell by combining X-ray with EIS technologies

The flow field is a pivotal part to manage the transport of water and gas in proton exchange membrane fuel cell. However, the reported water measurement methods (e.g., X-ray and electrochemical impedance spectroscopy (EIS)) cannot give a comprehensive understanding water distribution in the flow field, resulting in challenges in optimizing the channel design and enhancing fuel cell performance. Therefore, we propose a water measurement method combining the X-ray radiography with EIS to investigate the effect of different operating conditions on the growth law and distribution of liquid water in parallel and serpentine flow fields. The attenuation coefficient of liquid water to X-ray is calibrated with constant tube-current and tube-voltage of X-ray generator. Besides, the parallel flow field with hydrophobic treatment is studied. The results show that the water accumulation of the parallel flow field is far more than the serpentine flow field, and the water content of the middle region is higher than that of other regions in the parallel flow field. Furthermore, operating conditions (cathode inlet gas flow rate, inlet gas humidity, and back pressure) have little effect on the liquid water content of the middle region in the parallel flow field. The polarization curve, EIS result, and X-ray radiography show that the performance and water drainage capacity of the hydrophobic parallel flow field are better than the normal one.

     

考虑水膜存在的PEMFC流场的优化模型

在PEMFC的研究中,双极板流场一直是一个非常关键的研究部分。如今对双极板流场的研究,多基于反应产物水仅以气态形式存在,然而在实际的反应中,尤其在大电流密度下,扩散层中有液态水产生并在电解质表面形成水膜,影响着燃料电池的使用性能。引入液态水水膜对PEMFC性能的影响,推导出新的电流密度公式,使其更符合真实反应情况,并建立了更准确的三维阴极模型对交指形流场尺寸进行优化,得出在宽度为1cm的双极板上制造出4组流道且其进出流道宽度比为1.5∶1时更好。     

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。     

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.     

交指状流场质子交换膜燃料电池的数值分析

为研究流场结构设计对电池内的流动、组分传递和电池性能等的影响,建立了一个稳态的三维非等温质子交换膜燃料电池数学模型,应用此模型对一个交指状流场设计的电池单体（电极面积为64 cm ×65 cm）进行了数值研究.数值计算得到了电池的温度、组分质量浓度和局部电流密度等的空间分布,分析了不同电池反应物湿度等对电池特性的影响.结果表明,受传质的影响,沟道下方阴极催化层的温度大于相应沟脊下方的区域;与饱和气流进气的基本工况相比,降低阴极的进气湿度能提高电池的性能,而降低阳极的进气湿度则会导致电池性能的下降.     

阴极流道对PEM燃料电池性能影响

目的研究阴极流道变化对PEM燃料电池性能的影响,比较不同阴极流道下的PEM燃料电池的性能和稳定性,优化阴极流道,找出阴阳极流道的最佳组合.方法运用燃料电池测试系统测量了PEM燃料电池的性能参数,比较在相同操作参数,相同阳极流道,不同的阴极流道对电池性能的影响.结果阳极交指/阴极交指流场燃料电池性能最好,阳极交指/阴极蛇形流场燃料电池性能其次,阳极交指/阴极平行流场燃料电池性能最低.阳极流道与阴极流道的最佳组合为阳极交指流道、阴极交指流道组成的流场为最佳组合流场.结论实验结果对PEM燃料电池的流道优化组合具有重要的参考作用,为其推广应用提供了参考依据.