质子交换膜燃料电池三种流场结构的性能研究

平行、交指和蛇形是质子交换膜燃料电池最常用的三种流场结构，为研究三者性能差异，利用CFD技术建模进行仿真分析，在反应气体均充足的条件下，对比三种流场燃料电池的氢气摩尔浓度、流道压降、催化层温度、水摩尔浓度的分布和极化曲线。结果表明，蛇形流场性能最优，交指流场其次，平行流场最差。尽管蛇形流场压降最大，但其催化层中温度最高，阳极氢气分布和阴极水浓度分布也最均匀，且其性能优势在高电流密度下更为突出。     

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。     

预紧力作用下PEMFC的性能分析

建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维稳态模型,探究气体扩散层有效孔隙率分布随流场脊压力作用的变化趋势,剖析阴极氧气、阴极水浓度以及电流密度的分布规律。在流脊施加力的作用下,流脊下扩散层区域有效孔隙率降低,最低处可降至0. 14,较扩散层原始的有效孔隙率下降了65%,将阻碍反应物和生成物的扩散行为;位于流道拐弯处的流脊下方的扩散层区域内,生成物发生聚集,最高水浓度达到19. 80 mol/L,导致反应物供应量不足,引发电流密度下降;流场结构导致流脊下方的扩散层电流密度增大,流道流脊交界处扩散层表面电流密度集中,扩散层中出现横向电流。     

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。     

反应气体化学计量比对PEMFC超调的影响

利用一个三维蛇形流场燃料电池模型,分析了反应气体的不同化学计量比对质子交换膜燃料电池超调的影响。结果表明：在反应气体的相对湿度较高,化学计量比大于1时,电流密度的超调主要受氧气浓度的影响;在氢气化学计量比小于等于1时,电流密度的超调主要受氢气浓度的影响。     

动态响应对质子交换膜燃料电池性能影响研究

基于工况变化复杂,动态负载对车用质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)发动机的影响备受关注。由于其动态特性,燃料电池动态输出在一定程度上影响着电池的性能和寿命。研究PEMFC单电池在动态负载变化时的动态特性,通过瞬态测试方法,结合理论分析,对PEMFC动态响应特性的多个方面进行研究。研究了气体流量、加湿度等操作条件对PEMFC动态响应的影响。结果表明,当阴极空气化学计量比大于3时,在低电流密度区,PEMFC低调差别不明显,高电流密度区由于水的堆积,依然有较大差别,电流密度阶跃越大,其差别越大;阴极空气加湿湿度太低或者太高都会引起PEMFC动态响应的较大变化,PEMFC的动态响应性能在高于50%但是小于100%加湿,会达到一个很好的动态响应性能。     

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。     

质子交换膜燃料电池不同流场接触压力有限元分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)螺栓扭矩在双极板与气体扩散层间产生接触压力,该力直接影响反应气体扩散层传质进而影响PEMFC效率。本文建立了三维有限元模型,研究不同材质和流道形式下接触压力随螺栓扭矩的变化规律。研究结果表明:石墨双极板接触压力较316L不锈钢小,分布更均匀;平行流场接触压力最大,三通道蛇形流场最小;平行流场分布均匀性最佳,新型仿生树形流场最差;平行流场螺栓扭矩在1.5～2.0N·m间、三通道蛇形与新型仿生树形流场在2.0～2.5N·m间存在分布均匀性极值。从优化接触压力与分布均匀性提升PEMFC性能的角度出发,应采用弹性模量小的材质以及双极板与气体扩散层直接接触面积少、流道数目多且一致化的流道形式,并使用最佳螺栓扭矩进行封装。     

基于代理模型的三维梯形流道质子交换膜燃料电池结构优化设计

为了优化梯形直流道质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的性能,以梯形流道的上/下底宽为设计变量,建立一个三维,多相的梯形直流道PEMFC模型。以矩形直流道质子交换膜燃料电池为基础模型,用于对比分析。以净输出功率为目标函数,应用克里金(Kriging)代理模型完整预测分析域和形成响应面,发现用Kriging代理模型构建的响应面函数精度较高。最后,通过遗传算法得到一个宽矮型的最优梯形流道结构。研究显示梯形流道下底宽对净输出功率的影响较大,增加流道的下底宽度可以促进氧气向下扩散,从而提高电流密度。当电压为0.5V时,和基础模型相比,最优模型的净输出功率提升20.90%。研究还发现在阴极侧,流道下方氧气的摩尔浓度比脊下方的浓度高,沿着反应物的流动方向氧气摩尔浓度逐渐下降。沿着反应物流动方向和垂直方向,最优模型的氧气浓度梯度低于基础模型,最优模型的氧气分布更加均匀。在阴极扩散层及催化层内,最优模型的氧气平均摩尔浓度高于基础模型。     

PEMFC树状分形流场传递过程的数值分析

对树状分形流场的质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行了三维数值模拟。建立了三维稳态两相等温模型来研究树状分形流场燃料电池内的流体流动、多组分的传递过程和电化学反应过程。分别从PEMFC在大电流密度时和小电流密度时的氧气浓度、水蒸气浓度、液态水浓度和膜中的水含量、电流密度来进行了讨论。结果表明:在大电流密度下物质的传输速度变大,阴极生成更多的液态水,流场和扩散层中的氧气浓度要比低电流密度时要小。膜中的水含量在流道入口处最小,故此处膜对质子的传递性能最差。     

质子交换膜燃料电池的三维数学模型

采用聚集体模型描述催化层结构,建立了包括蛇形流道、扩散层、催化层和电解质膜的质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维流体力学模型.模型方程借助Fluent 6.0求解.模拟极化行为与实验结果一致,证实了模型的有效性.给出了流场和工作电流密度等参数的空间分布.计算表明:在一定范围内增加催化层孔隙率和电解质含量,会降低燃料电池的性能.模型适合于考察催化层参数对PEMFC的影响.     

质子交换膜燃料电池阴极液态水传输模型

通过分析确定了质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极膜/扩散层界面和流道/扩散层界面出现液态水的临界电流密度值与阴极反应气体流速的关系。建立了阴极液态水传输模型。模型分析得到,在相同电流密度下,阴极膜/扩散层界面的饱和度高于流道/扩散层界面;随电池温度的升高和入口气体相对湿度的降低,膜/扩散层界面水饱和度下降。同时基于文中条件,由水饱和度的瞬态特性分析表明,在较短的时间内水饱和度达到稳态。这些结果将为电池水管理提供依据。     

CeO2改性阴极扩散层对DMFC性能的影响

在常规的阴极扩散层中引入CeO2纳米粒子,通过扫描电镜(SEM)、接触角测试等表征了该扩散层的形貌、元素组成、亲水/疏水性。采用CeO2掺杂的扩散层组装了直接甲醇燃料电池(DMFC)单体电池并进行了性能测试,结果表明,与传统的阴极扩散层相比,该单体电池以2倍化学计量比空气进料,150 mA/cm2电流密度下,放电电压提高了24%。电池极化分析结果表明,该电池性能的改善可能是在低化学计量比空气进料条件下CeO2纳米粒子改善了氧的传质行为。     

PEMFC新型流场的设计与数值模拟

质子交换膜燃料电池流场的主要功能是为燃料电池提供反应物和生成物流动的场所.流场决定着质子交换膜燃料电池内部的物料分布.流场设计的优劣直接影响着电池的性能.利用FLUENT12.0进行了模拟,针对在反应中形成的气泡流,提出一种能够有效排除第二相的方案,即加入了副流道的设计.新型流场保留了传统流场的流道,并在脊上打出副流道入口通道.该种新型流场能较高地提高电池的性能,其原因为具有主副双流道的新型流场能够更有效地促进反应物氧气的排除和生成物水的排除.较传统流场相比,新型流场的流道截面上氧气的平均摩尔分数提高了16.4％,水的平均摩尔分数降低了66％,电流密度提高了20％.     

PEM燃料电池阴极三维数学模型

通过耦合求解质量守恒方程、动量守恒方程和组份守恒方程,计算出点状、多蛇形和单蛇形三种不同流场阴极O2和H2O浓度的分布以及气体速度分布。电流密度为600mA／cm^2时,催化层与扩散层交界面处点状、多蛇形和单蛇形流场中的最小O2浓度是逐步增加,约为1．5％;最大H2O浓度依次减小,大约1．5％;扩散层中间处气体速度依次增加。最后通过单电池实验得到三种流场的电池性能和模型中气体分布情况一致。     

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%。     

阴极扩散层孔隙率不同分布对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极扩散层孔隙率分布对电池性能影响很大。建立了一个单电池的三维模型,分别考虑了阴极扩散层孔隙率单一分布、线性梯度分布、随机分布等情况,并用有限控制体法对模型进行了求解。研究结果表明,在大电流密度下,阴极扩散层孔隙率的不同分布形态会不同程度地影响阴极氧气质量传输和液态水的排出,从而影响电池性能。     

质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以提供较高的功率/能量密度,是未来空间探索最有前途的动力设备之一,其性能主要取决于内部反应物的传输和水管理。气体扩散层(GDL)作为燃料电池中的重要组成部件,与燃料电池的质量、水、热和电的多相传输紧密相关,是反应物和液态水的主要传输场所。因此,要提高燃料电池性能,合理的气体扩散层的设计至关重要。从提升空间燃料电池的使用寿命、稳定性及电化学性能的角度出发,综述了气体扩散层的物理化学特性,并介绍了多种改性方法,包括疏水性、结构和新型一体式GDL以及其对燃料电池性能的影响,为未来空间燃料电池高性能GDL设计提供了参考。     

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。