燃料电池在机械应力下的工作参数分布

针对质子交换膜燃料电池在机械应力下的气-液两相流进行数学模拟研究,建立了一个二维质子交换膜燃料电池非等温两相流多物理场稳态模型. 该模型综合考虑了固体力学、电化学、传热传质以及气液两相流的物理因素,研究了质子交换膜燃料电池在机械应力作用下的两相流分布.计算结果显示：在机械应力作用下,燃料电池肋板下方的多孔介质应力明显大于流道下方的应力,且在肋板和流道交界处下方的气体扩散层会产生明显的应力集中现象;随着电流密度的增加,阴极相对湿度逐渐增加,但阳极相对湿度会减小;液态水仅在阴极产生且主要在肋板下方的多孔介质内形成,其在阴极的饱和度随电流密度的增加而不断增加.     

考虑两相影响的PEMFC内部传递过程三维模拟

针对常规流场的质子交换膜燃料电池提出了三维非等温数学模型,在考虑水相变的情况下对电池内部传热传质和电化学反应进行了数值模拟,分析了多孔介质内水蒸气凝结和液态水分布对传递过程和电池性能的影响,并同单相模拟结果进行了对比.计算表明,水蒸气的凝结在降低多孔介质渗透性的同时,加强了反应气体向反应界面的传递;两种模型在高电流密度下阳极均缺水严重,需要更好的水管理;单相模型由于忽略了水蒸气的凝结,实际低估了电池的欧姆极化.     

质子交换膜燃料电池一维气液两相流模型研究

为研究质子交换膜燃料电池内水对电池输出性能的影响,搭建了一维燃料电池气液两相流模型,该模型考虑了氧气、氢气、水蒸气和液态水在气体流道、气体扩散层和催化层中的流动以及膜结合水在聚合物中的传输过程,同时考虑了电池内部水的相变。采用该模型分析了进气相对湿度对燃料电池输出性能的影响,结果表明:在小电流密度工况下,高相对湿度入口气体能够降低电池内阻提高输出电压;在进气相对湿度较高和大电流密度条件下,阳极比阴极更容易发生水淹。     

质子交换膜燃料电池的三维数值模拟

对一种质子交换膜燃料电池进行了整个单电池的三维数值模拟.计算中采用单相等温模型,数值求解用整场离散、整场求解的方法,同时采用已知电流通过Butler-Volmer方程修正过电位获得电池电压的方法模拟电化学动力学过程.数值结果与实验值的对比表明,所采用的单电池计算模型在大部分工况下获得的输出电压与实验值偏差均可控制在10%～20%以内.计算并分析了单电池局部电流密度分布,同时将单电池模型与典型单元模型的计算结果进行了对比,发现两者在电流密度、质量组分的分布上均存在明显的差异,其原因主要在于典型单元边界条件设置所致.该工作将有助于对质子交换膜燃料电池的流动、传质与电化学过程进行进一步的数值研究.     

固体氧化物燃料电池数值仿真模型的建立

基于COMSOL Multi-physics 5.3a仿真平台,建立三维模型对固体氧化燃料电池进行数值计算。考虑板式固体氧化物燃料电池单体内部的气体流动、组分质量分数、电化学反应过程,研究不同工况下的气体分布、电流密度和极化情况,分析电池长度、工作温度、进气成分对固体氧化物燃料电池工作性能的影响。研究结果表明:固体氧化物燃料电池入口处气体质量分数较大,电化学反应速率也较快;在高电流密度下,入口氧气的质量分数会显著影响电池性能,而在低电流密度下,氧气质量分数不是影响电池电压的主要因素;当电池工作温度升高时,电池内部很多参数会发生变化。     

具有梯度结构扩散层的质子交换膜燃料电池性能研究

为了考察质子交换膜燃料电池气体扩散层孔隙率的梯度变化对扩散层排水、导电、导气以及电池整体性能的影响,在综合考虑电化学反应、水的生成、相变及传输、氧气传输、膜中水传输等因素的基础上,研究了扩散层孔隙率沿厚度方向梯度变化时燃料电池内部的传输现象和电池性能.结果表明,梯度扩散层能够提高液态水和气体的通过能力,从而提高电池的性能,且孔隙率梯度越大排水性能越好.     

固体氧化物燃料电池用导电陶瓷材料的研究进展

综述了导电陶瓷材料在固体氧化物燃料电池中的应用现状,分别从燃料电池的关键组件（电解质材料、阴极材料、阳极材料和连接材料等方面）对导电陶瓷的要求及其研究现状进行了讨论,提出目前研究广泛的导电陶瓷在固体氧化物燃料电池中存在问题。     

质子交换膜燃料电池多孔介质中水的两相迁移

在混合流动模型的基础上,建立了一个新的二维两相流模型来研究质子交换膜燃料电池内水分的传递规律和分布状态,在该模型中,催化剂层作为一个有厚度的实体包含在电极中.模型耦合了质子交换膜燃料电池电极中的流动方程.组分方程、催化剂层和质子交换膜中的电势和电流密度分布方程,可以应用在质子交换膜燃料电池的阴极,也可以使用在阳极.同时,模型还考虑了相变引起的液相和气相间的动量变化,重点模拟了水分在燃料电池的阴极、阳极和质子交换膜中的传递规律及其分布状态.模拟结果显示:升高加湿温度、提高电流密度和降低电池温度都会使电池质子膜中的水分含量增大,质子传导率升高,也会使阴极中液态水含量增加,阴极浓差极化加剧.     

一种质子交换膜燃料电池冷启动分层数值模型

针对质子交换膜燃料电池在低温环境启动时伴随的复杂物理和化学现象,搭建了一种新的燃料电池单电池冷启动数值模型,该模型全面包含了燃料电池低温启动的电化学反应机理、水热传递机理、水相变机理等.研究了催化层聚合物体积分数、孔隙率、质子交换膜厚度三个因素对低温冷启动的影响.最终提出了储水量(WSC)这一预测燃料电池低温冷启动能力的指标.     

微型直接甲醇燃料电池流场板内多相流动分析

针对微型直接甲醇燃料电池,运用多孔介质理论建立了微型直接甲醇燃料电池流场板内含电化学反应的、毛细力驱动下的微通道内多相流动的传输模型;计算并分析了流场板内微通道尺寸、功率密度等重要参数对毛细力驱动下微通道中多相流动的传输特性的影响,以及流场板内微通道尺寸对电池性能的影响.结果表明:微通道内液相饱和度随通道宽度和高度的增加而增大,随节距和电池功率密度的增加而减小;电池的功率密度随微通道高度和宽度的增加而增大,随节距和长度的增加而减小.     

质子交换膜燃料电池性能影响因素的数值分析

为研究交指流场质子交换膜燃料电池的输出性能,分析影响其性能的因素,寻找改善其性能的可行措施,探讨了使用交指流场流道的必要性和优越性,建立了包括质子交换膜燃料电池阴极/阳极侧流道、扩散层和催化层以及质子交换膜在内的完整的稳态、三维、两相数学模型.基于计算流体力学方法,用该模型对交指流场质子交换膜燃料电池的全流场进行了统一的数值计算以模拟其输出性能,分析了流场流型、氧化剂种类、反应气体进气速度、质子交换膜厚度和双极板筋宽对质子交换膜燃料电池输出性能的影响,确定了提高质子交换膜燃料电池输出性能的一些方法.将理论模型的模拟计算结果与实验结果进行比较,两者较为吻合.     

质子交换膜燃料电池三维气液两相流数值模拟

质子交换膜燃料电池液态水的生成和传输过程研究,是进行电池水管理的关键。该文基于多相混合流理论,建立了质子交换膜燃料电池三维气液两相流动与传热的数学模型。该模型不仅能模拟燃料电池内部反应气的流动、扩散和化学反应过程,还能模拟液态水的传输和相变过程。应用该模型模拟了电池内液态水的分布及其对燃料电池性能的影响,结果表明液态水主要分布在阴极侧,在大电流密度下,液态水阻碍了氧的扩散过程,导致电池性能下降。模拟结果与实验结果吻合较好。     

Modeling and Experimental Study of PEM Fuel Cell Transient Response for Automotive Applications

This paper presents an analysis of the dynamic response of a low pressure proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack to step changes in load, which are characteristic of automotive fuel cell system applications. The goal is a better understanding of the electrical and electrochemical processes when accounting for the characteristic cell voltage response during transients. The analysis and experiment are based on a low pressure 5 kW proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack, which is similar to those used in several of Tsinghua's fuel cell buses. The experimental results provide an effective improvement reference for the power train control scheme of the fuel cell buses in Olympic demonstration in Beijing 2008.     

H2S气体浓度及流率对复合质子传导膜燃料电池性能的影响

采用溶胶—凝胶法制备了纳米级Li2SO4+Li2WO4+Al2O3复合质子传导膜,研究了不同H2S气体浓度、流率和操作温度对结构为H2S、（复合MoS2阳极催化剂）/ 复合质子传导膜/（复合NiO阴极催化剂）、空气的燃料电池电化学性能影响。燃料电池的性能与通入阳极侧的H2S浓度和流率有关,H2S浓度和流率增加,提高了阳极侧气体扩散速率和电化学活性组分,使燃料电池的开路电压、输出电流与功率密度提高,电化学性能变好。即使气体中的H2S浓度低达5%时,该气体也可作为电池的燃料并用来发电。操作温度增加,质子传导膜的电传导率和电化学反应速率增加,电池的输出电流与功率密度提高。比较了MoS2与复合MoS2催化剂的性能,复合MoS2催化剂比MoS2催化剂具有更好的性能和化学稳定性。当采用纯H2S作为燃料,通入阳极和阴极侧的H2S和空气的流率分别为35mlmin-1和100mlmin-1,操作温度为650、700和750oC时,燃料电池产生的最大功率密度为12.4、52.9和130 mWcm-2、最大电流密度为45、281和350 mAcm-2。     

质子交换膜燃料电池阴极扩散特性的数值分析

针对交指型质子交换膜燃料电池阴极,采用通用Darcy定律来描述多孔介质内的流体流动,建立一个二维的稳态的多组分的传输模型.通过求解模型,得到电极内的压力、速度、质量分数分布,并讨论进、出口之间压差、电极厚度和电极肋条宽度的改变对电池性能的影响.结果表明:随着进、出口之间压差的增加,电流密度是增大的,但是增大的幅度是逐渐降低的;电极厚度存在一个最优值,该值依赖于电极结构和气体分配器的设计参数;采用窄的电极肋条有利于提高电池的性能.     

Water Transport Analysis in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells by Magnetic Resonance Imaging

1 Results Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) have beenintensively developedfor future vehicle applications andon-site power generation owing to its high energy efficiency and high power density.In PEFCs ,appropriatewater management to maintain polymer electrolyte membrane (PEM) hydratedis of great i mportance ,becausethe ion conductivity of membraneislower at lower water content .Consequently,it is of great interest to watercontent and water transport process in PEMs during fuel cell operation.     

Analysis of Water Management in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Introduction Fuel cells provide an environmentally friendly high- efficiency power source that is not limited by the Carot efficiency. The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is considered to be the most promising can- didate for electric vehicles …