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。     

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。     

三维质子交换膜燃料电池的完整模型

通过聚集体模型描述催化层结构,建立了阴阳极包括蛇形流道、多孔扩散层、质子交换膜和催化层的完整质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维流体力学模型,重点研究稳态条件下的基本工作参数分布和气体扩散层渗透率的影响.模型方程借助于计算流体力学软件-F luent求解.模拟的极化行为验证了模型的有效性,说明在燃料电池模型中充分考虑催化层的必要性.计算结果表明流体流速、压力、反应气体组成和局部电流密度等参数的空间分布明显,并且受气体扩散层渗透率影响明显,优化气体扩散层结构至关重要.     

全尺寸大面积PEMFC模拟及应用研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)中传输现象及电化学反应是一个多维、多相、多尺度的动态复杂过程。与超算中心合作,利用CFD软件,对具有实际流场结构的全尺寸大面积PEMFC进行模拟,研究了流场结构对反应气体、水浓度、电流密度等的分布状态的影响,以及气体加湿度、操作压力和进气方式对电池性能的影响。结论认为,在正常条件下运行时,阴极流场板空气供应决定着催化层电化学反应的速率,因此以阴极流场板气体分布均匀性考察电流密度分布的均匀性,而不求解电化学方程,在一定条件下是简单、可行同时合理的。沿阴极流动方向,流速逐渐增加,流道内液态水体积分数逐渐增大,催化层内的电流密度和温度则逐渐减小。增加背压可以显著提高电池性能;阴极气体湿度在50%时电池性能最好。研究结果应用于25kW电堆的制造与运行,效果良好。     

重力对PEMFC性能影响的实验

目的 改变PEMFC(质子交换膜燃料电池)阴极和阳极的上下位置,测试重力对PEMFC水管理的影响,优化燃料电池阴阳极的摆放方式.方法 对应着阴阳极上下位置的不同,在阴极气体加湿(阳极不加湿)和阳极气体加湿(阴极不加湿)两种运行条件下,通过改变电子负载测定输出电压和电流.结果 温度在40～70℃变化时,对阳极在上,阳极气体加湿或不加湿;阴极在上,阴极气体加湿或不加湿4种情况,测得的电压/电流密度数据,绘出了4幅极化曲线图.结论 重力对PEMFC内液态水的排出有很大的影响,阴极在上时,如果液态水过剩,过剩液态水不容易排出电池阴极;而当阳极在上时,阴极过剩液态水相对容易从电池阴极排出.阳极在上的PEMFC电流密度性能要比阴极在上的要好.     

PEMFC二维稳态水传输模拟分析

建立了一个二维稳态等温的质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型用于研究电池内部水传输机理。模型综合考虑了电池中的动量守恒、质量传输和电荷守恒,以及催化层中的电化学反应。通过计算预测了电池在特定条件下的极化曲线,曲线趋势和试验结果吻合良好。模拟分析电池内部水传输机理表明:电流密度增加会加强水从阳极向阴极的迁移,使膜的阳极侧脱水;进气湿度对水的传输有较大的影响,减小任何一侧气体的相对湿度会使膜大范围干燥,导致电池性能下降。     

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。     

气体扩散层各向异性传输特性的孔尺度模拟

为研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）气体扩散层（GDL）内孔隙率对各向异性传输特性参数的影响,首先,使用数值随机重构的方法对Toray TGP-H气体扩散层进行三维微观结构重构。在重构中考虑到了碳纤维分布的各向异性以及Toray TGP-H气体扩散层内部所有的相,包括孔、碳纤维、黏合剂和聚四氟乙烯。然后,利用孔尺度模型分别研究了孔隙率与有效扩散率、曲度、有效电导率、有效热导率以及液态水渗透率在厚度方向和平面内方向的关系。结果表明：孔隙率对传输特性有显著的影响,并且Toray TGP-H气体扩散层的传输特性在平面方向和厚度方向存在着十分明显的各向异性。     

质子交换膜燃料电池堆建模与参数分析

质子交换膜燃料电池性能衰退与寿命预测研究需要依靠多物理仿真模型。为了满足燃料电池堆对仿真工具的要求,单电池模型被串联起来建立了一个燃料电池堆二维模型。在每个单电池内,考虑了各个组件的气体成分,带电离子和水分子的耦合传输特性。以10个单电池组成的电堆为例,将电池堆性能的影响因素归结为内部性能参数和操作运行过程中的控制参数。得到了燃料电池堆的气体浓度分布、阴阳极湿度分布、局部电流密度分布和整体温度分布等。最后对电池内部性能参数和操作参数进行分析,发现提高催化层活性比表面积可改善活化损失;提高质子交换膜电导率可改善欧姆损失;提高扩散层孔隙率可改善浓差损失。为PEMFC性能优化设计和操作条件的选择打下基础。     

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。     

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。     

质子交换膜燃料电池流场板研究进展

质子交换膜燃料电池具有比能量高、清洁高效等优点, 流道作为燃料电池的核心结构之一, 其结构尺寸对气体传输、液态水排出都有着重要影响, 选择合适尺寸参数对实际运行具有重要意义。以50 mm×50 mm单蛇形流道电池为研究对象, 采用数值模拟的方法, 建立质子交换膜燃料电池三维两相等温模型, 分析流道深度、流道宽度、流道脊宽等参数对电池电流密度、气体传质特性、电池净输出功率、排水性能的影响。结果表明: 随着流道深度、流道宽度的减小, 参与反应的氧气浓度提高, 电流密度也随之提高, 电池净输出功率逐渐增大, 催化层排水性能逐渐增强, 因此电池性能逐渐提高; 随着流道脊宽的减小, 参与反应的氧气浓度逐渐提高, 电流密度随之增大, 但电池净输出功率增加幅度较小, 氧气浓度增加也较缓慢。

     

PEMFC阴极催化剂性能的探讨

依据PEMEC阴极催化剂层内氧消耗和电流生成平衡的原则，建立了反映阴极催化剂层性能的数学模型，并用实验验证了此模型的有效性。分析了过电压、质子传导率和催化剂表面积等参数对催化剂层性能的影响。     

不同流道结构质子交换膜燃料电池内传递现象的三维模拟

应用计算流体力学方法，建立了用于模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）传递特性和电化学性能的稳态、等温的三维数学模型。计算了传统流道和交叉梳状流道燃料电池的流场、电流密度和组分浓度等的多维分布。与传统流道的燃料电池相比，交叉梳状流道所产生的电极内强烈的强制对流机理提高了反应物和产物的传输速率，从而改善了电池的极限电流和极化性能等。利用模型估算的极化特性和文献实验结果吻合较好。     

PEMFC输出特性建模与多因素仿真分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一个涉及多个学科领域的复杂系统,其输出特性受到多种因素的影响.为研究工作温度、压力、膜含水量、加载幅度、加载速度对其输出特性的影响,根据质子交换膜燃料电池(PEMFC)的数学模型,建立了考虑双电层电容作用的电压动态模型,并在Matlab/Simulink平台上进行仿真.利用实验室自制风冷自增湿DXFC-200质子交换膜燃料电池和燃料电池测试系统,将现场测得实际输出伏安特性曲线与所建模型输出曲线进行拟合,证明了模型的准确性和稳定性.在此基础上进行单因素纵向分析,并进一步运用正交实验进行多因素横向比较,分析了在低电流区域和高电流区域工作温度、压力、膜含水量对电池输出特性的影响程度.分析结果表明:在一定范围内提高温度、增大压力、增大膜含水量、减小加载幅度和加载速度可以有效改善电池性能;在低电流区域,工作温度对电池输出特性影响更显著,在高电流区域,膜含水量对其性能影响更显著.所建模型可以真实反映质子交换膜燃料电池的工作特性,对于改善电池性能,延缓电池衰减,制定燃料电池控制策略能够提供基础理论支持.