基于Python的质子交换膜燃料电池引射器自动仿真设计

质子交换膜燃料电池（PEMFC）引射器设计通常需经过结构参数计算、计算域建模、网格划分和数值模拟等步骤,并经过多轮迭代得到一个性能较优的设计方案,所需时间成本较高。针对PEMFC引射器,通过Python编程语言将以上功能进行集成,自动计算引射器结构参数,并调用OpenFOAM软件中的blockMesh工具进行计算域建模、网格划分,以及rhoSimpleFoam求解器进行数值仿真验证,形成一套参数化的自动仿真设计工具。研究表明,该工具可显著提高PEMFC引射器设计开发的速度,从而促进汽车工业的发展。     

车用PEMFC直流道散热特性研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的散热对其性能有很大影响。文章利用Gambit软件建立带冷却通道的PEMFC模型,使用计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行数值模拟计算。通过改变冷却通道进口处冷却水的流速和温度,对质子交换膜内温度和冷却水出口处温度进行了分析。数据表明,冷却水的流速和温度对PEM内温度分布都有一定影响。为使PEMFC正常稳定工作,冷却水流速不宜过小、温度不宜过低。     

车用PEMFC氢气系统建模及其排放特性研究

建立基于尾氢再循环的车用PEMFC氢气系统的集总参数模型和质子交换膜燃料电池堆的二维CFD模型,瞬态模拟研究额定功率工况下尾氢排放对系统及电堆工作特性的影响。结果表明：排放过程中,阳极进气压力和进气流量等参数出现显著的波动现象,且波动幅度和波动时间与排放持续时间存在直接关系;电堆性能在排放过程中有所下降,排放结束后能迅速恢复到排放前的水平;阳极内部的水气分布在排放过程中得到明显改善。     

车用PEMFC直流道散热特性研究

本文利用Gambit软件建立了带冷却通道的质子交换膜燃料电池（PEMFC）模型,使用计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行数值模拟计算。改变冷却通道进口处冷却水的流速和温度,对质子交换膜内温度和冷却水出口处温度进行了分析,其结果为PEMFC优化提供依据。     

不同流场结构对PEMFC性能影响的模拟研究

该文模拟常规矩形平行流场、正六边形平行流场和正六边形蜂窝状仿生学流场对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响。通过对极化曲线、氧气和水分布、膜电流密度以及压降和寄生功率密度进行分析,结果表明：正六边形流场表现出良好的输出性能,且正六边形蜂窝状流场的电流密度比常规矩形平行流场和正六边形平行流场分别提升11.28%和4.95%。此外,常规矩形平行流场、正六边形平行流场和正六边形蜂窝状流场的氧气不均匀度分别为0.64、0.53和0.41,正六边形蜂窝状流场展现出更好的水和膜电流密度分布能力,进一步说明正六边形流场缓解了氧气、水和膜电流密度分布不均匀的问题。正六边形蜂窝状流场压降虽比常规矩形平行流场和正六边形平行流场分别增加40.0%和27.7%,有较高的寄生功率密度,但仍获得了最大的净输出功率密度。     

PEMFC翅脉流道传质及输出性能分析

为研究流道结构对质子交换膜燃料电池（PEMFC）反应气体质量传输及输出性能的影响,建立翅脉流道、叶脉流道及蛇形流道的三维PEMFC几何模型,并对比3种流道的反应气体浓度分布、压力分布及电流密度分布,最后对翅脉流道结构参数进行优化。结果表明,与蛇形流道、叶脉流道相比,翅脉流道能明显改善流道和扩散层内反应气体浓度分布的均匀性,有利于强化反应气体向催化层的质量传递;翅脉流道能减小气体压力分布梯度,使反应气体扩散更加充分;翅脉流道的平均膜电流密度更大,有利于促进电化学反应稳定进行;翅脉流道能改善PEMFC的输出性能,翅脉流道峰值功率密度比蛇形流道、叶脉流道分别提高7.72%和6.25%;减小翅脉流道的直流道长度或圆弧流道圆心角,可提升翅脉流道输出性能。     

小型PEMFC电源系统热设计实验研究

通过实验研究了利用燃料电池产生的废热以强制对流传热的方式给金属氢化物储氢器加热的可行性与具体的设计方案,与目前已报道的国内外便携式PEMFC系统相比,该方案无任何附属设备,使系统保持较高的整体效率,提高了金属氢化物储氢器的放氢性能.通过正交实验和实验数据的方差分析得知该方案在保证金属氢化物储氢器持续放氢的同时,对PEMFC无明显负面影响.     

新型拓展流道PEMFC传质模拟与性能研究

该文提出一种带有拓展区域的新型PEMFC流道,拓展区域长度分别设计为1、2和4 mm。采用COMSOL软件建立三维等温稳态模型并进行数值计算。结果表明：新型拓展流道PEMFC性能均优于传统直流道PEMFC,其最佳拓展长度为2 mm。在高电流密度下,拓展流道使氧气分布更加均匀,提升水的去除能力。当取最佳拓展长度时,增加拓展区域数量能进一步提升燃料电池性能,与传统直流道相比,双拓展区域的流道使PEMFC峰值功率密度提高了18.44%。     

基于神经元的PEMFC仿生流道性能模拟研究

质子交换膜燃料电池的流道结构对反应气体的流动和压降等具有重要影响。受神经元结构启发,提出一种兼顾径向流道和仿生流道在压降和气体分布均匀性优点的新型仿生流道结构。通过COMSOL软件模拟研究该新型流道的分支数（2~9）对质子交换膜燃料电池的性能曲线、阴极氧浓度分布、水浓度分布及压降的影响。结果表明：增加流道分支数可提高质子交换膜燃料电池的输出性能,其中9分支流道的峰值功率密度最大,为0.32 W/cm²,相比于2分支流道增加了的146.15%;分支数的增加也会提高氧浓度分布的均匀性,阴极气体扩散层与催化层交界面处的平均氧浓度从0.44 mol/m³提高到1.42 mol/m³,氧气不均匀度从2.13降低至0.90;分支数的增加也明显改善了弧形流道内的水浓度分布。此外,随着流道分支数从2增加到9,流道压降从38.57 Pa递减至4.47 Pa,质子交换膜燃料电池的输出功率从0.40 W递增到1.56 W。     

阴极挡板排列对PEMFC反应物输运和性能的影响

为了改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能,采用流道内使用挡板堵塞的方法,以增强反应气体向催化层的传质。建立了一个三维、两相、稳态的PEMFC数值模型,研究了凸字排布、顺排和逆排这3种不同阴极流道挡板的排布方式对PEMFC性能的影响,并与无挡板常规流场进行对比,然后在最佳排布方式的基础上研究了挡板形状(矩形、梯形和半圆形)对PEMFC性能的影响。结果表明：PEMFC阴极流道挡板顺排性能最好,相较于无挡板常规流道,净功率提升了14.3%;使用梯形挡板的PEMFC性能最好,相较于无挡板常规流道,净功率提高了16.4%。     

质子交换膜燃料电池内电荷传递的数值模拟

为深入研究质子交换膜燃料电池内电荷传递的规律,发展了一个三维的单相流、非等温数学模型,模型考虑了电子在催化层和扩散层、质子在催化层和质子交换膜中的传递。通过计算得到了电池内电位和电流密度的空间分布,分析了不同电极结构参数下电流密度的分布和最终造成的性能差异。结果表明,欧姆电位的下降主要发生在膜相电位,而碳相电位的下降几乎可以忽略不计;电流密度在流道与集电极交界处出现＂火焰形＂累积效应;改变电池的结构对电池性能影响不大,应结合加工成本和电流密度分布综合考虑。     

质子交换膜燃料电池阴极传质过程的数值模拟

利用CFD方法对采用交指型流道质子交换膜燃料电池阴极的传质过程进行数值模拟,得到了阴极扩散层内氧气和水蒸汽质量浓度的分布特性,探讨了电池结构参数和操作条件对电池性能的影响。     

质子交换膜燃料电池数值分析

建立了一个三维的数学模型来模拟研究质子交换膜燃料电池,以及流道里流体的流动、阳极氢气和阴极氧气各组分的传递、热量传递、电荷传递、和氧化还原的电化学反应动力学,得到了电池内的组分浓度分布情况、温度场分布情况、以及多孔扩散层孔隙率对电池性能的影响.     

质子交换膜燃料电池双极板的设计与模拟分析

质子交换膜燃料电池是直接将化学能转换为电能的装置,双极板上的流道结构对燃料电池的工作性能具有较大的影响。根据应用要求设计了具有平行流道、蛇形流道及希尔伯特分形流道的双极板结构,模拟计算了氢气在不同类型的流道和气体扩散层中的分布状态,分析了燃料电池的输出电流密度和功率密度随电极间电压的变化特点,比较了不同的流道结构对燃料电池输出电流密度的影响,以及不同的工作温度及气体压强的情况下,燃料电池输出电流密度随温度及压强的变化规律。     

Convergence criteria establishment for 3D simulation of proton exchange membrane fuel cell

A validated 3 dimensional (3D) computational fluid dynamics model of a single cell proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) was used for investigating convergence criteria. The simulation study was carried out using the commercial PEMFC simulation module built in to ANSYS FLUENT 12.1 software package and compared with published experimental data. Convergence data up to 19,000 iterations were collected in order to establish expectations for convergence errors and differences in convergence rates for different boundary conditions. Species mass fluxes and current density were used to perform a dual verification of experimentally verifiable simulation predictions. The results of the simulation showed that convergence trends were consistent for different boundary conditions and that the solution trends asymptotically to a final value with species mass flux errors approaching to constant values. The data were used to establish convergence criteria for future 3D PEMFC simulations where residual monitoring alone is insufficient to ensure convergence.     

Carbon monoxide poisoning of proton exchange membrane fuel cells

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) performance degrades when carbon monoxide (CO) is present in the fuel gas; this is referred to as CO poisoning. This paper investigates CO poisoning of PEMFCs by reviewing work on the electrochemistry of CO and hydrogen, the experimental performance of PEMFCs exhibiting CO poisoning, methods to mitigate CO poisoning and theoretical models of CO poisoning. It is found that CO poisons the anode reaction through preferentially adsorbing to the platinum surface and blocking active sites, and that the CO poisoning effect is slow and reversible. There exist three methods to mitigate the effect of CO poisoning: (i) the use of a platinum alloy catalyst, (ii) higher cell operating temperature and (iii) introduction of oxygen into the fuel gas flow. Of these three methods, the third is the most practical. There are several models available in the literature for the effect of CO poisoning on a PEMFC and from the modeling efforts, it is clear that small CO oxidation rates can result in much increased performance of the anode. However, none of the existing models have considered the effect of transport phenomena in a cell, nor the effect of oxygen crossover from the cathode, which may be a significant contributor to CO tolerance in a PEMFC. In addition, there is a lack of data for CO oxidation and adsorption at low temperatures, which is needed for detailed modeling of CO poisoning in PEMFCs. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

质子交换膜燃料电池的多尺度传热传质

介绍了目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)在膜、电极、单电池、电堆或系统等四个结构尺度上的传热传质过程研究;主要讨论了PEMFC内的多组分传输、膜内水管理和多孔电极内的传热、传质过程;认为建立在孔尺度水平的研究方法是深入探讨电池内多孔材料微结构传热传质的有效途径;多维、多尺度模型的建立及其模拟计算能准确反映PEMFC内部的传递过程机理,为进一步优化电池结构和操作条件提供有价值的参考。     

质子交换膜燃料电池故障检测研究

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统的故障检测和系统稳定性问题,结合其多传感器特性,采用基于实时PCA的质子交换膜燃料电池故障检测方法,根据燃料电池反应信号数据建立PCA模型,通过窗口过滤方式和遗忘因子算法实时更新模型,并将降维后获得的数据用统计方法进行处理,从而检测出故障。有效地简化了燃料电池系统故障检测的过程,改善了故障检测的实时性,提高了燃料电池系统工作的稳定性和可靠性。     

Development of a proton exchange membrane fuel cell cogeneration system

A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) cogeneration system that provides high-quality electricity and hot water has been developed. A specially designed thermal management system together with a microcontroller embedded with appropriate control algorithm is integrated into a PEM fuel cell system. The thermal management system does not only control the fuel cell operation temperature but also recover the heat dissipated by FC stack. The dynamic behaviors of thermal and electrical characteristics are presented to verify the stability of the fuel cell cogeneration system. In addition, the reliability of the fuel cell cogeneration system is proved by one-day demonstration that deals with the daily power demand in a typical family. Finally, the effects of external loads on the efficiencies of the fuel cell cogeneration system are examined. Results reveal that the maximum system efficiency was as high as 81% when combining heat and power.