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。     

直接甲醇燃料电池中多物理量分布的一维模拟

为了研究直接甲醇燃料电池(DMFC)内的电流、电位和各物质的浓度等物理变量的分布,建立了沿电池厚度方向的一维模型。模型的研究区域包括阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层。模型中较细致地描述了甲醇氧化的多步骤复杂反应,而催化层结构采用团聚体模型来描述,模型中还考虑了甲醇穿透对阴极氧气反应的影响和甲醇进料浓度对各物理量分布的影响。从模拟结果可以看到,在阳极扩散层由于甲醇氧化反应速率较大,甲醇在阳极催化层两侧的浓度梯度大于阳极扩散层浓度梯度;由于扩散层厚度远远大于催化层厚度,甲醇在阳极扩散层的浓度差比在阳极催化层的浓度差大;在阴极催化层由于甲醇氧化反应速率较小,甲醇浓度变化很小;电池内膜相电位不同导致各处过电位不同。     

脊下横流对PEMFC性能影响的数值分析

针对脊下横流对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响建立了一个三维数学模型,模型中考虑了传质、传热和电化学反应,主要考察了诱发脊下横流对阴极氧气传质性能的影响。结果表明,通过诱发脊下横流,提高了阴极扩散层的氧气浓度和分布的均匀性,尤其是脊下的氧气浓度有较大的升高,同时还降低了脊下和流道下水浓度,改善了电池的水管理。结果显示脊下横流可以提高电池在高电流密度区域的性能,但在低电流密度区域对电池性能的影响较小。     

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。     

锌-空电池防水透气扩散层结构优化研究

作为未来有望大量使用的环境友好的新型二次电池，锌-空电池受到越来越广泛的关注。气体扩散层作为阴极氧气通道，其性能不仅影响氧气的供应效果，甚至影响整个电池的性能。通过优化防水扩散层结构，分析防水扩散层厚度对电池性能的影响。利用电化学工作站对电池进行综合性能测试，研究结果表明，采用自制电极组装的锌-空电池，其开路电压基本稳定在1.48 V左右，当防水透气扩散层厚度为0.25 mm时，电池的综合性能最优，在电流密度为227 mA/cm²，可以获得最大功率密度，达到137 mW/cm²。     

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。     

甲醇阳极制备工艺

对甲醇阳极的制备工艺进行了研究。通过对甲醇阳极不同的气体扩散层的研究,得出由碳黑和聚四氟乙烯(PTFE)形成的气体扩散层制成的电极电池性能最好,气体扩散层中PTFE的最佳含量为20%。通过甲醇阳极横断面的扫描电镜(SEM)与X射线散射图谱(EDS)分析,探讨了气体扩散层影响电池性能的原因。同时对碳纸支持层的影响也进行了研究。阴极空气近于大气压条件下,阳极Pt含量3.5mg/cm2,阴极Pt含量1.6mg/cm2,1mol/L甲醇浓度,电池温度60℃条件下,电池的开路电压为0.66V,0.4V时电池的电流密度为60mA/cm2,0.2V时电流密度为120mA/cm2。     

非水系锂空气电池放电过程模拟

针对非水系锂空气电池多孔电极内物质传输及电极反应过程建立多物理场耦合数学模型,考虑两种不同的放电产物生长模式,分别建立了产物形态模型和电子通道模型。比较了两种产物模型的放电电压-比容量关系曲线,发现基于电子通道模型预测的不同倍率下的电池性能与实验结果吻合更好,并通过模拟研究了电池不同放电阶段的氧气浓度分布、产物厚度分布、多孔正极孔隙率分布、活性比表面积和液相电势分布等演化规律。     

一种考虑催化层结构参数的PEMFC气相模型

质子交换膜燃料电池的结构设计对燃料电池车的开发具有重要意义。目前的电池模型通常把催化层简化成一层薄膜,作为边界条件使用,无法分析催化层结构对电池性能的影响。建立了考虑催化层结构参数的一维气相模型,通过有限元法研究电池内部的流场和电场分布。仿真结果和实验符合良好。分析指出扩散层的孔隙率对电池性能影响较大,应高于0.3,催化层的孔隙率对电池性能影响较小。在催化剂载量不变的情况下,催化层厚度应为10~20 mm。     

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。     

封装力对PEM燃料电池气体扩散层孔隙率的影响

质子交换膜(PEM)燃料电池中气体扩散层(GDL)的孔隙率对整个燃料电池的性能有着重要影响,而封装力是影响燃料电池GDL孔隙率的关键因素之一。采用实验和有限元模拟相结合的方法研究封装力对气体扩散层孔隙率的影响。利用压汞仪测试气体扩散层的平均孔隙率,基于有限元方法建立质子交换膜燃料电池的双极板和气体扩散层的接触模型,研究质子交换膜燃料电池中不同的封装力下气体扩散层的孔隙率变化情况。结果表明:气体扩散层孔隙率的变化沿接触中心线左右对称,接触区域孔隙率分布较为均匀,随着封装力的增加,气体扩散层孔隙率逐渐降低;而未接触区域孔隙率变化不明显。气体扩散层孔隙率有限元模拟结果与实验测试结果相吻合。     

PEM燃料电池阴极传质过程的二维数值模拟

在混合流动模型的基础上,建立了一个新的二维、稳态、非等温、两相流的单电池电化学反应模型.此两相流模型将催化剂层作为一个实体层来处理,而不是将其看作是一个没有厚度的界面.模型在组分方程中还考虑了水分的相变,并在能量方程和动量方程中考虑了水分相变带来的影响.模型模拟了空气过量系数变化时PEMFC阴极中氧气和水的扩散传递及浓度分布过程.分析操作参数对电池性能的影响,以便得到最佳操作参数,为燃料电池的实际应用提供参考.     

渐变型流场对PEMFC传质和性能的影响

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Full Cell,PEMFC)流场板结构对燃料电池性能有着重要的影响。在保证模型尺寸和结构尺寸的前提下,建立了阴极、阳极、阴阳极分别具有渐变型流场的质子交换膜燃料电池三维模型,并用有限控制体法对模型进行了求解。结果表明,在大电流区域,渐变形流场可以提高气体的浓差扩散,从而提高电池的性能,但阴极氧气的传输对电池性能的提高远大于阳极氢气的传输对电池性能的提高。因此,阴阳极均为渐变型流场的电池性能最好;阴极为渐变型流场,阳极为直型流场的电池性能次之;阴极为直型流场,阳极为渐变型流场的电池性能再次;阴阳极均为直型流场的电池性能最差。     

催化层与扩散层热压结合对DMFCs性能的影响

通过压汞法(MIP),交流阻抗法(EIS)研究了催化层和扩散层之间的结合条件对直接甲醇燃料电池(DMFCs)性能和稳定性的影响.结果表明,将采用转压法制备的膜电极与扩散层热压结合可以优化阴极扩散层的孔径结构,形成有利于水从阴极到阳极传输的返水结构,降低了传质阻抗,改善了在常压低化学计量比空气进料条件下阴极容易水淹的问题,显著提高了DMFCs单电池的性能和稳定性.     

染料敏化太阳电池纳米结构对输出特性的影响

根据电子在半导体中的扩散方程,对纳米TiO2染料光敏化太阳电池(DSSC)的输出特性(J-V)进行了研究。多孔薄膜TiO2孔隙率(P)直接影响敏化电极光吸收系数(a)以及电子扩散系数(D),将P与a及D的关系式代入扩散方程,得到了电极纳米结构(孔隙率)对电池输出特性(J-V)影响的计算模型。在光电极孔隙率的实验范围(0.41～0.71),进行了模型分析。研究表明,在孔隙率0.41～0.71的范围内,开路电压(VOC)随P值增大基本保持不变,而短路电流(ISC)则随P值增大而明显减小,因此电池的最大输出功率减小,为获得最大输出功率,P应该控制在0.41～0.5。数值模拟与实验数据进行比较,两者符合良好,从而验证了所建立的模型。     

自由呼吸式质子交换膜燃料电池的研究--三维数值分析阴极流道结构对电池性能的影响

由于阴极气体通道中的自然对流和传热传质特性与电化学反应的耦合,阴极流道对自由呼吸式质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能有着极大的影响。合理的流道设计有助于氧气质量传输和流道中水的合理分布,有效提高电池性能。根据自由呼吸式燃料电池的内部传输现象,建立了三维的流体传动,传热传质和电化学模型,基于计算流体力学(CFD)数值计算方法,利用商业CFD计算软件三维求解了Navier-stokes方程,同时利用用户自建的子程序对电化学模型及水的传输模型进行了求解,二者相互耦合。模型计算经过实验进行了验证。针对不同阴极流道开口率对实际电池性能的影响,计算了电池的内部参数。通过分析结果,提出了这种电池操作条件和设计下的最佳开口率。     

直接甲醇燃料电池两相传质过程研究进展

为了揭示直接甲醇燃料电池两相流及其对电池性能的影响,从可视化研究和数学模型研究两方面综述了直接甲醇燃料电池中气、液两相流的研究进展.概述了阳极和阴极两相流研究,介绍了流场模型、扩散层模型、催化层模型及质子交换膜模型等数学模型.阴极进行可视化研究是必要的,数学模型与实验结合起来研究能更好地促进模型研究的发展.     

泡沫金属在PEMFC流场中的应用

优化流场结构，可提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的反应物气体传质和输出性能。泡沫金属是具有高孔隙率和高导电性的多孔材料。建立以泡沫金属为阴极流场的三维单相等温PEMFC模型，并与平行流场、波浪形流场和蛇形阴极流场模型对比，分析化学计量比对PEMFC氧气摩尔分数及电流密度的影响。泡沫金属作为阴极流场，可提高气体扩散层和催化层的反应物气体浓度，从而提高电化学反应效率；工作电压为0.30 V时，燃料电池的电流密度比蛇形流场的提高了38.84%;提高化学计量比，可提高反应气体的摩尔分数及输出性能，当阳极化学计量比从1.5提高到3.0时，气体扩散层(GDL)中的平均氢气摩尔分数提高41.02%,电流密度提高51.80%。     

固体氧化物燃料电池阴极数学模型与性能分析

该文针对固体氧化物燃料电池（SOFC）的LSM/YSZ(Sr掺杂LaMnO3 / Y2O3稳定ZrO2)多孔阴极，耦合电极内部离子传导、电子传导、气体扩散与电化学反应过程，建立了全面考虑活化极化、欧姆极化与浓差极化的电极微观数学模型。模型对交换电流密度计算子模型进行了改进，揭示了温度、氧气分压对其的影响，并将三相界 (TPB )定量表示为电极微观结构参数（孔隙率，配位数，接触角等）的函数。模型计算结果与文献中实验数据吻合较好。在此基础上利用该模型对过电位、氧气浓度等参数在电极上的分布进行计算，并研究了混合导体颗粒尺寸、氧气利用率、电极厚度、孔隙结构参数对电极极化的影响。模拟结果对电极微观结构优化及电池运行提供了一定的理论指导。     

基于微型燃料电池阴极氧气传输的研究

燃料电池中阴极的氧气传输涉及不同的机理,包括气体在流场中的对流、在气体扩散层(GDL)中的分子扩散、在催化层(CL)中的努森扩散及在水膜和离子膜中的渗透作用。氧气传输阻力可用单电池的极限电流来评价。通过调控氮氧混合气中氧气的百分含量测得一系列的极限电流(I),计算出不同氧分数下的总传输阻力(R_(total))。从R_(total)-I曲线可知,氧气在燃料电池中的传输分为两个区域:一是干态区域(电流密度小于1500 mA/cm~2),R_(total)趋近于常数;二是湿态区域(电流密度大于1 500 mA/cm~2),R_(total)急剧上升。R_(total)-I曲线能清晰反映燃料电池在各电流密度下工作时的氧气传输情况。