质子交换膜电解池二维两相流综合模拟研究

建立一个二维、非等温质子交换膜电解池两相流稳态模型,研究不同电压下电解池膜电极组件（MEA）中温度、液态水饱和度、膜态水分布以及温度、液态水饱和度和膜厚对质子交换膜电解池性能的影响,并通过实验验证模型的可靠性。实验结果表明：即使忽略接触电阻,膜润湿性较好,高电压（2.0 V）下欧姆损失占比仍可达到34.7%;随着电压的增大,极化损失的主导部分由活化损失变为欧姆损失,且传质损失占总极化损失的比例最小;当电压较小时,膜水含量是质子交换膜（PEM）电导率的主要影响因素,当电压较大时,温度是PEM电导率的主要影响因素。升高温度、增加液态水饱和度及降低膜厚均能有效提高电解池的性能。     

PEMFC碳纸气体扩散层内气液两相流格子Boltzmann模拟

为了提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）水管理,本文借助多相流格子Boltzmann模型（LBM）模拟分析了PEMFC碳纸气体扩散层（GDL）内的气液两相输运过程,主要研究了GDL疏水性对气液两相流的影响。结果表明：液态水流路径不仅受到GDL结构形态的影响,而且受到材料疏水性影响。液态水在疏水性弱的GDL中不仅容易沁入,而且容易在孔隙中达到饱和;相反,在疏水性较强的GDL中,液态水很难突破沁入小尺寸孔隙,而从孔径较大的孔隙流通,从而形成毛细力主导的指进流动。     

质子交换膜燃料电池水传输研究现状

质子交换膜燃料电池中水含量与水传输是影响质子交换膜电池输出性能、工作稳定性和使用寿命的重要因素.良好的质子交换膜燃料电池水管理系统是电堆商业化的必要条件.讨论了对质子交换膜燃料电池水传输的研究方法,探讨了结构参数对燃料电池水分布和性能影响的研究现状.     

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。     

不同材料作为阳极扩散层对质子交换膜水电解池性能的影响

文章分别选用钛毡、烧结钛板与碳纸作为阳极气体扩散层,组装单节质子交换膜水电解池,并进行极化曲线和稳定性测试,以及交流阻抗测试和物理表征。研究结果表明:在常压,60℃的条件下,钛毡具有最好的电解性能;在电流密度为2.0 A/cm~2的稳定性测试中,烧结钛板扩散层、钛毡扩散层和碳纸扩散层的衰减率分别为65,73,386 mV/h;钛毡更适合作为质子交换膜水电解池的阳极扩散层。     

两相格子Boltzmann方法模拟大密度比下双液滴冲击液膜的流动过程

基于两相格子Boltzmann模型,对大密度比下有一定水平间距的双液滴冲击液膜的流动过程进行了仿真,模拟了不同液滴初始间距和不同雷诺数下液滴冲击液膜的动态过程,重点分析了不同液滴初始间距和雷诺数下产生不同冲击和溅射现象的原因,以及不同参数对冲击和溅射行为的影响.总结了中心位置水花溅射高度随时间的变化规律,并论述了冲击和溅射过程中的内在作用机理.结果表明:在一定范围内,初始间距和雷诺数越大,中心位置水花溅射高度上升越快;随着雷诺数的增大,冲击、碰撞的程度越剧烈,中心位置水花顶端有液滴飞出.     

模拟PEM燃料电池环境下质子交换膜损伤研究

该文研究在模拟燃料电池环境下的质子交换膜（PEM）材料的损伤情况。选用2种溶液模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）环境,一种是接近燃料电池实际运行环境溶液,称为正规溶液（RS）,另一种则为加速试样老化的加速持久性（ADT）溶液。采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）技术对老化试样表面的化学成分变化进行研究;同时,采用机械拉伸性能试验对老化前后试样进行研究。试验结果表明,在模拟PEMFC环境下,随着老化时间的增加,试样表面分子结构和化学成分发生明显变化,抗拉强度和断裂伸长率降低,试样材料损伤加剧。     

离子污染对质子交换膜电解制氢的影响研究进展

质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解制氢运行灵活,具有优异的可再生能源波动适应性,是极具发展前景的绿色制氢技术。然而,在实际PEM电解制氢运行过程中,可能存在离子污染,对PEM电解堆的性能以及运行寿命产生很大影响。为此,首先分析了离子污染的来源,一方面来自水中的残余金属阳离子,如Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等,另一方面来自电解堆内部关键材料和系统水循环管路因化学或电化学腐蚀产生的痕量金属离子,如Fe³⁺、Cu²⁺、Ni²⁺等;然后综述了不同离子污染对电解性能的影响,包括欧姆过电位、阴极反应过电位与阳极反应过电位;最后,综述了离子污染缓解策略,即如何避免规模化电解制氢过程中杂质离子污染带来的能效和成本问题。     

在模拟PEM燃料电池环境下质子交换膜化学损伤研究

对暴露在模拟质子交换膜(PEM)燃料电池环境下的质子交换膜(Nafion212膜)的化学损伤进行研究.采用质量损失法研究Nafion212膜在模拟PEM燃料电池环境下的质量损失情况.采用扫描电子显微镜(SEM)研究Nafion212膜表面的微观形貌变化.采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)技术对老化试样...     

小型质子交换膜燃料电池的增湿技术研究

分析了PEMFC电池内部水的生成和转移过程，列举了各种增湿方法，指出了几种外增湿法对小型氢空质子交换膜燃料电池进行增湿的优缺点和对电池性能的影响。     

PEMFC扩散层中气体组分反应和传递格子Boltzmann模拟

通过格子Boltzmann方法中的多组分Shan-Chen模型对燃料电池气体扩散层与双极板流道特征结构进行模型构建,探究不同孔隙率、压缩比以及积水液滴位置对质子交换膜燃料电池（PEMFC）内气体组分传递的影响。模拟结果发现小孔隙率会造成气体的堵塞,影响传质效率,而气体扩散层的压缩效应导致结构变形进而造成气体在流道进口处的堵塞;压缩导致气体通道变得狭窄,促进氧气接触下部的催化层发生反应,流道附近的反应强度会随着压缩比的增加而增加;当积水液滴位于扩散层中部时,其能够将部分的反应气体引导到催化层处,从而增加反应气体的浓度;而位于底部的液滴会将催化剂覆盖从而阻碍催化反应的进行。     

格子Boltzmann方法的竖壁汽液降膜数值研究

对原有的格子Boltzmann伪势模型进行了改进,提出表面张力可调的伪势模型,并基于改进后的伪势两相模型在二维条件下模拟了雷诺数为5、10和20时竖壁降膜的流动,进一步研究了液膜在入口处存在正弦扰动时的流动特性,分析了入口扰动和表面张力作用对液膜稳态波动的影响,总结了液膜稳态波动的规律.结果表明:数值计算得到的流形拓扑及波动特征与实验结论能较好地吻合,表明伪势模型能够较为真实地反映降膜流动的物理过程.     

A novel catalyst coated membrane embedded with Cs-substituted phosphotungstates for proton exchange membrane water electrolysis

Catalyst coated membrane (CCM) is the core component of proton exchange membrane (PEM) water electrolysis and the main place for electrochemical reaction and mass transfer. Its properties directly affect the performance of PEM water electrolysis. Aiming at decreasing the polarization loss and the ohmic loss, a novel CCM embedded with Cs_1.5HPA in the skeleton of the Nafion^® ionomer and the Nafion^® membrane was prepared and possessed functionality of improved protonic conductivity. Meanwhile, the Cs_1.5HPA-Nafion ionomer content in the catalyst layers was further optimized. The SEM, EDS and pore volume distribution measurement showed that the Cs_1.5HPA embedded in the CCM without agglomeration and the micropore and mesopore were well distributed in the catalyst layer. Furthermore, CCMs were tested in a PEM water electrolyser at 80 °C, beneficial effects on both the Tafel slope and the iR loss were obtained due to the improved protonic conductivity as well as the appropriate pore structure and increased specific pore volume. The performance of the electrolyser cell was obviously improved with the novel CCM. The highest cell performance of 1.59 V at 2 A cm⁻² was achieved at 80 °C. At 35 °C and 300 mA cm⁻², the cell showed good durability within the test period of up to 570 h.     

Effect of fiber orientation on Liquid–Gas flow in the gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell

In this study, the lattice Boltzmann method was used to simulate the three-dimensional intrusion process of liquid water in the gas diffusion layer (GDL) of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The GDL was reconstructed by the stochastic method and used to investigate fiber orientation's influence on liquid water transport in the GDL of a PEMFC. The fiber orientation can be described by the angle between a single fiber and the in-plane direction; three different samples were simulated for three different fiber orientation ranges. The simulated permeability correlated well with the anisotropic characteristics of reconstructed carbon papers. It was concluded that the fiber orientation had a significant effect on the liquid invasion pattern in the GDL by changing the pore shape and distribution of the GDL. The results indicated that the stochastically reconstructed GDL, taking into account the fiber orientation, better demonstrates the mass transport properties of the GDL.