质子交换膜燃料电池的三维数学模型

采用聚集体模型描述催化层结构,建立了包括蛇形流道、扩散层、催化层和电解质膜的质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维流体力学模型.模型方程借助Fluent 6.0求解.模拟极化行为与实验结果一致,证实了模型的有效性.给出了流场和工作电流密度等参数的空间分布.计算表明:在一定范围内增加催化层孔隙率和电解质含量,会降低燃料电池的性能.模型适合于考察催化层参数对PEMFC的影响.     

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%。     

四流道蛇形流场孔隙率对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池内部结构对交换膜的性能有着极为重要的影响,而孔隙率又是燃料电池结构的重要组成部分。以四流道渐变蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池在工作电压为0.8 V的条件下,对孔隙率分别在0.750、0.625、0.500、0.375、0.250情况下的质子交换膜燃料电池进行模拟分析和数值比较,研究流道内气体流速和沿流道方向的压力分布情况,以电池输出电流密度为参考标准,研究孔隙率对电池输出性能的影响。     

不同流场的PEMFC性能研究

改进了一个耦合气体流道和气体扩散层的两相、三维和多组分质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,研究4种流道形式对PEMFC输出性能的影响。设定温度为70℃,有效面积为3.61 cm~2的情况下,发现单边交指单蛇形流道的性能最好,单蛇形流道的性能最差。阳极流场的形状对PEMFC性能的影响不大。单边交指单蛇形流道的阴极氧气浓度分布最均匀,浓度差值为6.41 mol/m~3,同时排水性能最好,阴极流道内水浓度差值为10.25 mol/m~3。     

蛇形流场PEMFC的三维多物理场数值模拟

对质子交换膜燃料电池进行了三维多物理场建模。在多物理场建模的基础上,通过COMSOL Mutiphysics中的4种应用模式,利用电流平衡、质量传输方程和动量传递方程等去模拟PEMFC的膜电极(MEA)中阴极侧和交换膜上的工作状态,分析了膜电极阴极侧上的压力分布、气体质量分数分布、气体速度场分布以及电流密度分布等,为蛇形流场PEMFC提供了全面的性能分析和设计上的理论依据,最后通过设计上的改进,解决了该电池的水淹问题。     

PEMFC多级横向流道交错流场参数研究

流场结构是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成部分，采用合适的流场结构能显著提高PEMFC的工作效率。设计了一种新型流场结构，将新型流场流道级数以及横截面积作为研究重点，利用三维软件COMSOL Multiphysics对新型流场进行了数值模拟和比较分析。结果表明，随着横向流道级数和进出口面积比的不断增加，电池输出性能均呈现出先增大后减小的变化趋势，采用三级横向流道能使新型流场结构有最高的输出性能，均匀递减型流道可以有效提升电池的输出功率。     

微小型质子交换膜燃料电池性能测试分析

微小型质子交换膜燃料电池(mPEMFC)在便携式电子设备、便携式军用设备等领域有着广泛的应用前景。搭建了微小型燃料电池性能测试平台,对三种极板流场的微小型PEMFC性能进行比较,并研究了不同的运行参数对交指流场微小型PEMFC性能的影响。实验结果表明,交指流场的微小型PEMFC性能最佳,蛇形流场次之,平行流场最差,交指流场的微小型PEMFC的性能受其电池温度和加湿温度影响较大,性能随气压升高而稍有提高。实验结果对提高微小型PEMFC的性能有一定参考价值,有利于微小型PEMFC在生活中的推广应用。     

质子交换膜燃料电池的热模拟

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的热问题模拟现状,根据研究问题的需要,对模拟相关的模型进行了描述,并应用计算机模拟技术对质子交换膜燃料电池进行了热模拟。从热源、温度场在质子交换膜燃料电池内部的分布情况以及电池性能等方面进行了分析和讨论,得出了结论:热源、温度在质子交换膜电池内部分布的不均匀性和不同电流密度情况下膜电极组件的温差。电池性能曲线与试验结果进行了比较,模拟与试验结果基本吻合。     

PEMFC薄金属流场板冲压成形有限元模拟

流场板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要元件之一。寻求一种操作成本低,容易批量生产的金属流场板加工方法,板料冲压成形是最佳候选。基于弹塑性有限元变形理论,采用有限元软件DYNAFORM建立质子交换膜燃料电池流场板冲压成形过程有限元模型。分析了变形过程中应变、厚度分布情况模拟结果验证了板料冲压成形应用在金属流场板加工上的可行性。     

PEMFC树状分形流场传递过程的数值分析

对树状分形流场的质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行了三维数值模拟。建立了三维稳态两相等温模型来研究树状分形流场燃料电池内的流体流动、多组分的传递过程和电化学反应过程。分别从PEMFC在大电流密度时和小电流密度时的氧气浓度、水蒸气浓度、液态水浓度和膜中的水含量、电流密度来进行了讨论。结果表明:在大电流密度下物质的传输速度变大,阴极生成更多的液态水,流场和扩散层中的氧气浓度要比低电流密度时要小。膜中的水含量在流道入口处最小,故此处膜对质子的传递性能最差。     

交指型极板的质子交换膜燃料电池阴极模拟

介绍了采用交指型极板的质子交换膜 (PEM )燃料电池的工作原理 ,通过建立电池阴极数学模型揭示了电极内部的气体是通过强迫对流进行传递 ,指出这一传质机理能加快气体的传递 ,从而提高电化学反应速率 ;比较了采用交指型极板与常规极板的PEM燃料电池的局部电流密度和伏安曲线大小 ,指出交指型极板可提高电池的局部电流密度和极限电流密度 ,从而改善电池性能 ;最后指出增大电池进出口压差、减小气体扩散电极厚度以及增加极板流道个数都可以进一步改善采用交指型极板的PEM燃料电池的性能。     

质子交换膜燃料电池三维性能数值仿真

采用CFDResearchCorporation(CFDRC)Ver .2 0 0 3软件进行模型的建立及数值求解。比较了不同流道设计对电池性能的影响。结果发现 :在低操作电压下 ,气体补充速度比反应速度慢 ,容易产生浓度极化 ;栅状流道的气体分布非常不均匀 ,也会有传质极限的现象发生。蛇行流道的气体分布较均匀 ,传质也较好 ,性能比栅状流道好     

PEMFC气体流道中多孔介质的应用

为了使质子交换膜燃料电池(PEMFC)反应气体在气体流道(GFC)与脊岸区域中均匀分布,从而提高氢气利用率,改善电堆输出性能,利用COMSOL multiphysics建立PEMFC三维单流道模型,将多孔介质布置在GFC中,并提出了两种多孔介质的布置方案,与传统没有GFC多孔介质的方案进行比较,结果表明,新提出的两种方案较传统电堆气体分布更加均匀、拥有更大的压降,并将最佳工况点的功率密度提高了36%。     

质子交换膜燃料电池电流分布测定

目前大功率燃料电池研究中存在的主要问题是电池在放大过程中性能出现大幅度衰减。研究质子交换膜燃料电池电流密度分布 ,是解决其电池放大过程中性能衰减的基础 ,对提高燃料电池的比功率 ,加速其商业化进程具有重要意义。采用子电池方法 (SubcellApproach)对质子交换膜燃料电池电流分布进行了测定 ,采用网状流场 ,面积为 13 0cm2 。分别考察了气体压力、气体流量、电池温度及不同放电电流密度等条件对电池电流分布的影响。实验结果表明 ,采用网状流场电流密度分布并不均匀。分析了网状流场内流体、水分布情况 ,提出了一种网状流场新的流型。这种方法还可以应用于蛇型流场及其他流场电流分布的测定     

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。     

反应气相对湿度对PEMFC性能的影响

反应气相对湿度影响电池内部水的输运和质子膜的质子传导率,合适的反应气湿度可改善电池性能.利用三维数值模型分析反应气相对湿度对直通流道和交叉流道质子交换膜燃料电池性能的影响.模拟结果表明,当阳极反应气相对湿度为100%时,低操作电压条件下,降低阴极反应气相对湿度有利于电池性能提高,然而在高操作电压条件下,电池性能随阴极相对湿度的增加而提高;当阴极反应气相对湿度为100%时,低操作电压条件下,降低阳极反应气相对湿度,电池性能提升,高操作电压条件下,电池性能不依赖于阳极反应气相对湿度.通过对电池内部局部传递特性的分析,从质子交换膜湿润性及阴极传质限制两方面分析探讨了反应气相对湿度对电池性能影响的原因.     

多通道蛇形流场PEMFC内传递现象的数值模拟

电极板上的流场构型对质子交换膜燃料电池的流动特性和电池效率有重要的影响。为研究多通道蛇形流场设计质子交换膜燃料电池的局部流场、电流密度和组分浓度等的空间分布,应用作者前期发展的基于计算流体力学的三维稳态数学模型,对一个小型电池单体(电极面积大小为5.9cm×6.1cm)进行了详细的数值模拟,讨论和分析了该设计的流动特性和传输机理。结果表明:电池的电流密度分布比较均匀,阴极的压力损失要比阳极大得多,阳极氢的质量分数从流动入口到出口基本呈现增大趋势。