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建模及水热传输特性分析

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理开展了研究,建立了一维非等温两相流解析模型,研究了不同电流密度、微孔层接触角和不同加湿方案对电池内部水分布和温度分布的影响,提出了更好的进气加湿方案。结果表明:电流密度增大会导致阳极拖干、阴极水淹加剧,导致电池各部分温度上升。因各层材料亲水性不同,在交界面处能观察到液态水阶跃现象。增大微孔层接触角促进阴极液态水反扩散到阳极,一定程度上缓解阳极变干,但过大的接触角可能导致阴极水淹加剧。通过采取"阳极充分加湿、阴极低加湿"的进气加湿方案可以有效提高电池性能,并且能在一定程度改善电池内部受热,提高电池使用寿命。     

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。     

质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的神经网络预测模型

质子交换膜燃料电池膜电极组件表面的温度分布会影响质子交换膜燃料电池的性能、寿命和可靠性.为探究质子交换膜燃料电池传热规律,本文提出了一种基于神经网络的质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的预测模型.本研究选取径向基函数神经网络(RBF)和广义回归神经网络(GRNN)两种神经网络,以电流密度、温度点的位置作为网络输入,不同位置的温度作为网络输出,对平行流道质子交换膜燃料电池、蛇形流道质子交换膜燃料电池分别建立了神经网络预测模型.结果显示,RBF神经网络预测的均方根误差平均为0.464、平均绝对百分误差为1.179％,GRNN神经网络预测的均方根误差平均为0.7155、平均绝对百分误差为2.27％;相较于GRNN神经网络,RBF神经网络精度更高;基于RBF神经网络的平行流道质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布预测模型预测值与96％的实验值的相对误差在5％以内.基于RBF神经网络的蛇形流道质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布预测模型预测值与95％的实验值的相对误差在5％以内.     

HT-PEM燃料电池组合流场的性能模拟

为了研究流场结构对HT-PEM燃料电池性能的影响,运用多物理场直接耦合分析软件(COMSOL Multiphysics),对由两种流道组合而成的4种流场(两种单一流场与两种混合流场)的HT-PEM燃料电池进行了数值模拟。在相同的操作条件下,得到了4种组合流场的极化曲线、阴极氧气浓度变化及阴极流道中心压力变化情况。对模拟结果进行分析和比较得出:阴极氧气浓度和阴极流道中心压力均沿着气体流动方向逐渐降低,其变化主要发生在流道的拐角处及渐变处;综合考虑输出电流密度、气体传质及气体在电极各处分配的均匀性等因素,蛇形渐变流场的整体性能最好,阳极普通蛇形流场/阴极蛇形渐变流场组成的混合流场其次,普通蛇形流场再次,阳极蛇形渐变流场/阴极普通蛇形流场组成的混合流场最差。模拟结果对HT-PEM燃料电池结构的优化和设计具有重要的指导意义。     

气体扩散层厚度对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的气体扩散层(GDL)厚度对燃料电池的输出性能有重要影响。文章利用多物理场直接耦合分析软件(COMSOL Multiphysics 5.0),在电池温度为70℃的条件下,对4种不同厚度的GDL进行模拟分析,并在相同的操作条件下,得到了4组极化曲线、阴极氧气浓度、阴极水浓度、阳极氢气浓度以及电流密度的变化趋势图。对比分析4组变化趋势图后发现:GDL的厚度越小,燃料电池的性能越好;GDL的厚度对阳极氢气的浓度分布影响不大;当GDL的厚度增大时,产生的液态水会堵塞GDL的孔隙,降低GDL的孔隙率。     

质子交换膜燃料电池内部传热传质三维模拟

针对常规流场质子交换膜燃料电池提出了三维非等温数学模型。模型考虑了电化学反应动力学以及反应气体在流道和多孔介质内的流动和传递过程,详细研究了水在质子膜内的电渗和扩散作用。计算结果表明,反应气体传质的限制和质子膜内的水含量直接决定了电极局部电流密度的分布和电池输出性能;在电流密度大于0.3~0.4A/cm2时开始出现水从阳极到阴极侧的净迁移;高电流密度时膜厚度方向存在很大的温度梯度,这对膜内传递过程有较大影响。     

阴极开放式质子交换膜燃料电池实验性研究

文中围绕实验室自制的开放式阴极自增湿型质子交换膜燃料电池开展了大量相关实验,采用FLUKE Ti25红外温度成像仪测得了各种操作条件下电池表面温度分布图像。实验结果表明:在封闭式阳极(anode dead-end)操作条件下,液态水会在阳极逐渐积累而影响反应气的传质,造成电池输出性能的衰减。通过阳极排气可以使电池性能恢复。纵观电堆表面温度分布情况,总体呈现出沿氢气流道方向递增的趋势。且随着电流密度的增大,这种温度分布的不均匀性变得更加明显。在实验所测试的范围内,电堆的平均输出功率密度达到了583 mW/cm2。     

钙离子对质子交换膜燃料电池性能衰减机理研究

采用试验方法,通过向质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极(阳极和阴极)注入2种浓度(200和500 mg/L)的Ca~(2+)溶液,研究Ca~(2+)对PEMFC电化学性能的影响;通过扫描电镜(SEM),能量散射谱仪(EDS)和电子探针(EPMA)对经Ca~(2+)污染20 h后的电池性能的衰减机理进行研究。实验结果表明,经200和500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,电池的电化学性能衰减明显,随着Ca~(2+)浓度的增加,电池电化学性能衰减程度增大;SEM和EDS实验结果表明,经500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,阴、阳两极的气体扩散层分别与阴、阳两极的催化层剥离,在质子交换膜、阳极催化层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层均发现Ca元素,在质子交换膜上Ca元素含量高于其他部件上;EPMA实验结果表明,Ca~(2+)污染PEMFC阳极后,Ca元素主要存在于质子交换膜上;研究结果表明,PEMFC电化学性能衰减的机理主要是由于Ca~(2+)与质子交换膜中的质子发生离子交换反应并取代质子交换膜中的磺酸根基团上的质子形成新的磺酸盐结构所致。