微流体燃料电池性能的预测(英文)

报道了基于微流体技术的燃料电池性能的数值预测.在这种微流体燃料电池中,液态燃料和氧化剂并行流入微通道,电池的内部电流是微通道内离子的横向输运形成的.模型考虑了流体动力、组分的对流和扩散以及发生在电极表面的电化学反应.通过给定一组工作电压,利用FLUENT软件预测对应的电流密度.计算结果表明,计算得到的电池的极化曲线与实验结果吻合较好.随着反应物体积流率的增加,两股流体的混合程度降低,浓度边界层厚度明显减小,电池性能逐渐增加.电池性能对阴极流体中氧气浓度的变化比较敏感,而阳极流体中甲酸浓度的变化对其影响较小.这一计算结果表明这种微流体燃料电池是阴极受限的,这与实验结果一致.     

流道截面形状对质子交换膜燃料电池性能的影响

流道的截面形状对质子交换膜燃料电池的性能有较大影响。基于流体力学计算方法搭建了三维质子交换膜燃料电池单电池模型,通过比较不同流道横截面形状、调整流道与气体扩散层接触面积的方式对模型进行数值模拟分析。结果表明:三角形和圆形流道生成的电流密度较大,燕尾形流道电流密度分布均匀性最好;燕尾形和圆形流道有最佳的水气分布均匀性。     

螺杆集成方式对燃料电池电化学性能的影响

以15片单体电池组成燃料电池电堆为研究对象,进行电化学性能、交流阻抗与内部接触压力分布的试验测试.系统全面地研究了螺杆集成方式燃料电池电堆电化学性能的影响,深入剖析集成力大小和加载方式对燃料电池电堆内欧姆交流阻抗和内部接触压力分布的作用机制,螺杆集成方式不利于电堆电化学性能的高功率输出.得出电堆内压力分布均匀性和燃料电池电化学性能的提高不应仅局限于集成力大小,更重要的是均匀的集成力加载方式,以及配合端板结构进行优化和匹配.     

质子交换膜燃料电池双极板流场分析

质子交换膜燃料电池双极板的流道设计影响反应气体的分布均匀性及流道阻力,进而影响燃料电池性能。通过CFD技术对四种常见的流道设计,包括平行流道、网格流道、蛇形流道、螺旋流道,进行流场分析,比较不同流道设计的双极板的传质面积、气体分布均匀性及流道阻力。在不考虑加工复杂度的前提下,双极板为单流道时采用网格流道性能较佳,多流道时采用螺旋流道性能较佳。     

质子交换膜燃料电池启动策略

为了缩短质子交换膜燃料电池启动过程中氢气/空气界面存在的时间并限制电堆启动电压,通过实验研究直接启动、启动前氢气吹扫时间以及启动辅助负载对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性,在此基础上提出一种电堆启动时氢气吹扫阳极和启动辅助负载相结合的燃料系统启动控制策略。实验验证了该启动控制策略不仅能限制燃料电池启动时的高电压以及缩短燃料电池启动过程中电堆阳极侧氢气/空气界面的存在时间,还有利于提高单电池的电压均衡性,是一种有效的质子交换膜燃料电池启动控制策略。     

基于ANSYS的PEM单电池组装应力分析

采用ANSYS软件对质子交换膜燃料单电池装配进行有限元分析.分析了300、400、500、600 N等不同大小的载荷对装配的影响,对比了这4种载荷下燃料电池堆的核心部件膜电极组件的变形情况及应力分布情况,得出燃料电池单电池的最佳装配压力为400 N.该结果可为燃料电池堆的组装提供较好的参考依据.     

基于反应状态原位测试的空冷型燃料电池运行参数分析

空冷型质子交换膜燃料电池内部反应状态是影响电池输出性能和稳定性的关键因素.通过研制空冷燃料电池反应状态的原位测试装置,实现电池温度和电流密度的实时测量,揭示氢气出口脉排间隔、氢气入口气压和阴极风速对电池性能的影响机制.研究表明：空冷电池中温度和电流密度分布不均,平均电流密度为500 mA/cm²时,电池内温度极差达到20℃,电流密度极差达到400 mA/cm².氢气出口脉排间隔越短、入口气压越大,氢气出口区域性能越好,分布均匀性越好,电流密度波动也越小,输出稳定性提高.如果阴极风速过低,电池局部温度高,温度分布均匀性降低;风速过高则导致生成水被吹走,质子膜含水量下降,电流密度分布均匀性变差.     

高温质子交换膜燃料电池电堆端板拓扑优化

以实现高温质子交换膜燃料电池单电池内部接触压力的均匀性与电堆内单电池之间接触压力的一致性为目的,建立了一种具有非线性接触边界条件的高温质子交换膜燃料电池电堆端板的拓扑优化模型.通过研究在一定工作温度下装配荷载对电堆内部接触压力的影响,并综合考虑端板的质量与制造难度,构建了一种适用于燃料电池电堆的简化模型.从基于热力耦合的有限元法出发,对燃料电池端板进行以最小质量为目标、最大应力为约束的拓扑优化,并在综合考虑结构形状与拓扑结果的基础上建立端板的几何模型.结果表明,拓扑优化得到的端板结构使电堆内部具有更均匀的接触压力,因此拓扑优化可以为端板的结构设计提供理论参考.     

车用质子交换膜燃料电池堆的设计

为了得到一种车用质子交换膜燃料电池堆的设计方法,以双极板流场内的气体流速、压力控制和气体分布与冷却水分布均匀为目标,研究了流场设计和冷却水流道布置,探讨了燃料电池堆的组装技术,涉及到了定位、预紧力选择以及密封方式的确定。对设计出的燃料电池堆进行稳态和动态实验。结果表明:通过该设计方法得到的燃料电池堆具有良好的稳态性能,并且能够保证动态过程中气体的补充,从而保证了电池堆功率的正常输出,达到了车用燃料电池的要求。     

电池堆中电压衰减最快电池的仿真和试验研究

为研究燃料电池堆中衰减最快单电池的性能,提出了阳极相对湿度影响下(anode relative humidity,ARH)的模型.建立了几何模型和计算网格,并将ARH模型嵌入计算流体动力学软件进行仿真.搭建了一个燃料电池堆测试系统并进行测试.对仿真结果和试验结果进行对比.结果表明:在试验条件下,距离进气口最远的单电池电压衰减最快,性能最差;相比Fluent原模型,ARH模型预测下的极化曲线能更好地与试验结果吻合,当相对湿度为100%时,ARH模型计算值与试验值误差降到3%,比Fluent模型能更精确地预测试验结果.     

PEMFC流场的数学模拟

质子交换膜燃料电池（PEMFC）流场是影响其电池性能的重要因素．建立了针对PEMFC流场分析的数学模型，并对5种常见形式的流场进行了模拟计算，考察了其中气体流速及电流密度等物理量的分布情况．模拟结果显示，流场形式对电流密度分布影响很大，适当拉近上游和下游流场之间的距离可以促进电流密度的均匀分布．所建方法可以用来评价流场，对流场形式的设计有指导作用。     

电池联接方式对燃料电池/燃气轮机混合动力系统性能影响

为了研究不同电池联接方式对混合动力系统性能的影响,应用模块化建模的方法建立了混合动力系统模型.利用该模型分析了电池的燃料和氧化剂都采用串联以及燃料串联氧化剂并联2种不同电池联接模式下燃料电池及整个混合动力系统性能的变化.将所有电池都并联的联接方式作为参考,不同联接方式的结果与参考工况进行了比较.结果表明,将电池的燃料和氧化剂都串联后电池堆可以被更好地冷却,电池堆内的温度分布更加均匀,系统的特性会有明显改善.     

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.     

基于计算流体力学的熔盐燃料电池电堆的仿真

基于计算流体力学技术，建立并仿真了10kW级顺流型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的三维模型，对电堆内部的物质、动量和能量守恒过程进行了理论分析，模型考虑了MCFC电堆的一个重要组成部分-波状板，并讨论了波状板尺寸对电堆性能的影响，结果表明，在采用较大尺寸波状板的电堆中，电化学反应进行得更加充分，所建模型对电堆内部流场的设计有一定意义。     

质子交换膜燃料电池薄金属双极板性能优化与设计

针对质子交换膜燃料电池制造技术实用化的瓶颈，研究了质子交换膜燃料电池低成本制造与性能优化问题，建立了质子交换膜燃料电池半个单池的三维计算模型，采用计算流体动力学技术对阳极燃料气体（H2）流场进行了数值模拟；以阳极最大燃料气体（H2）利用率为目标优化流场板沟槽尺寸，设计了一种操作成本低、容易批量生产的板料冲压成形薄金属双极板结构，可增大电池组体积比功率和提高燃料电池的性能；利用弹塑性有限元方法模拟阳极流场板冲压成形过程，验证了板料冲压成形金属双极板结构的可行性．     

基于计算流体力学的熔融碳酸盐燃料电池输出性能数值模拟

对熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的连续、动量、能量方程以及电压、电化学方程进行了数学描述，采用计算流体力学(CFD)方法，对MCFC的输出性能进行数值模拟，计算结果包括电池温度、电流密度以及功率密度分布等重要参数．并将理论模型的计算结果与kW级的MCFC温度分布实验数据进行比较，两者符合很好，证明所提数学模型具有较高的可靠性．     

板型燃料组件内部流场数值分析

为板型燃料组件的设计和实验研究提供参考 ,采用商用流体力学计算程序 CFX5对板型燃料组件内部流场进行了数值模拟 ,以获得各流速下的板间流场。数值计算结果表明 :板型燃料组件不同流道和单一流道内的流速分布基本均匀 ,在 2 0个流道中居中的 3～ 5流道内的流量比其它流道小一些 ,其中中间流道内的流量最小 ,其流量与平均流量的误差小于 10 % ;提梁对其后部速度场的影响较大 ,对其后部压力场的影响很小。当板间水隙的最大加工误差为0 .15 mm时 ,该流道内的流量与流道内平均流量的误差接近10 %。组件进出口差压计算值与实验值比较接近 ,证明了计算结果的可靠性     

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.     

板式固体氧化物燃料电池的热应力分析

为了深入掌握固体氧化物燃料电池(SOFC)的结构性能,进而提高其可靠性,在对SOFC的内部流动和电化学特性进行数值模拟,对顺流和逆流两种流动情况下板式SOFC内温度分布、电势特征和电流密度特征进行分析的基础上,将数值计算得到的温度场作为载荷施加到SOFC的热应力模型中,建立了数值模拟SOFC的有限元热应力模型,对SOFC关键结构中的三合一电极板中的热应力分布特征进行了分析研究.研究结果表明:相对于顺流形式,逆流形式燃料入口附近的温度梯度要大得多;材料间热膨胀系数的不匹配导致了热应力的产生;热应力的大小与温度分布和温度梯度密切相关.由于过大的热应力可能会导致SOFC结构开裂甚至破坏,该研究工作为SOFC单电池和电池堆的设计优化提供了重要的理论依据.