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.     

迷宫式新型流道对质子交换膜燃料电池的性能优化

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)具有广泛的应用前景。为了提升流道构型对于质子交换膜燃料电池的综合性能,通过建立一种三维单相、等温的圆形交错迷宫式流道质子交换膜燃料电池模型,分析新型流道对质子交换膜燃料电池的输出性能、阴极氧和水浓度分布及阴极进气流速的影响。结果表明,圆形交错式流道相较于矩形交错式流道和蛇形流道电流密度提升25%和143%,也可以明显的改善流道内反应物和产物的分布和输运。阴极进气流速的增加可以提升电池的性能,但也会带来其他额外的损耗。可见,圆形交错式流道可以有效提升输出性能,改善氧和水的分布。     

利用多孔介质板回收PEMFC排气中水分的实验

针对使用多孔介质板的质子交换膜燃料电池增湿器,建立了研究透过多孔介质板的热湿移动特性的实验测量系统,使用该系统测量并比较了增湿气体(燃料电池的排气)透过多孔介质板向被增湿气体(燃料电池阴极供气)进行热湿传递时,气体的温度、相对湿度与流量等因素对热湿传递特性的影响.结果表明:在使用相同的多孔介质板的前提下,降低气体流量、提高增湿气体进口温度和相对湿度对多孔介质板两侧的换热更加有利;提高增湿气体的进口温度、降低气体流量和增湿气体的相对湿度可提高水分回收率,而提高增湿气体的温度、相对湿度以及流量均可提高水分传递量.     

复杂流道质子交换膜燃料电池单体的两相流模拟

为更真实地模拟质子交换膜燃料电池的工作性能,特别是电池内生成的水蒸气过饱和的情况,发展了一个简化的稳态的、非等温的三维两相流数学模型.模型考虑了相变过程对电池的温度场和传质过程以及电池性能的影响.应用模型对一个电极面积为3.12 cm×4 cm蛇型流道结构质子交换膜燃料电池进行了数值计算,得到了电池内复杂的流场、温度、局部电流密度和组分浓度等的多维空间分布.最后,分析了不同的阴极反应气加湿对电池性能所产生的影响.     

质子交换膜燃料电池变载过程动态响应分析

为了研究质子交换膜燃料电池变载过程中气体传输对动态响应的影响,建立了5流道蛇形流场质子交换膜燃料电池三维单相模型,并基于实际参数进行Fluent仿真.分析了运行参数(包括工作压力、进气增湿、化学计量比)对质子交换膜燃料电池稳态性能的影响,以及运行参数对质子交换膜燃料电池动态性能的影响.结果表明:工作压力高、阳极湿度大、化学计量比大能提高燃料电池稳态性能,小电流密度下阴极湿度大燃料电池稳态性能好,大电流密度下则相反;工作压力高、化学计量比大、阴极湿度大能提高燃料电池动态性能.     

质子交换膜燃料电池流场设计最佳化的反问题求解方法

为寻求最佳的流道高度参数,利用由简化共轭梯度法(反向求解器)和完整的三维、两相、非等温燃料电池数学模型(正向求解器)构成的质子交换膜燃料电池多参数最佳化反问题求解方法,将流道各弯头处高度作为搜寻变量(最佳化对象),以电池输出功率密度的倒数作为目标函数,通过搜寻目标函数最小值,得到了流道各弯头处最佳高度(最优化设计参数值).结果表明,最佳的蛇型流场除出口流道为高度渐扩型外,其余流道均为高度渐缩型,其性能比传统蛇型流场提高了约11.9%.渐缩型的流道强化了肋下对流,可有效移除肋条下方多孔扩散层中的液态水,提高反应气向多孔电极的传递速率,因而改善了电池性能.渐扩型的出口流道可防止过强的肋下对流导致燃料"短路",直接跨过多孔扩散层从电池出口流出造成燃料浪费.     

流道对ab-PBI膜高温燃料电池阴极传质的影响

目的研究高温质子交换膜燃料电池的流道深度及其宽度对于提高其性能的影响.方法建立了一个二维、单相、稳态数学模型模拟研究高温质子交换膜燃料电池阴极氧气和水蒸气分布规律,分析流道深度及宽度对电池阴极中氧气、水蒸气浓度分布的影响.结果在高温质子交换膜燃料电池阴极中,氧气浓度沿着流道方向降低,而水分浓度则升高;从催化剂层到扩散层,氧气浓度升高,而水分浓度降低.在一定范围内增大流道深度,电池阴极催化剂层和扩散层内氧气浓度越大,水分浓度越小.在一定范围内增大流道宽度,电池阴极扩散层和催化剂层内氧气浓度越小,水分浓度越大.结论在一定范围内降低流道的深度和增大流道的宽度有利于氧气的传输与充分反应,可以提高高温质子交换膜燃料电池的性能.研究结果对高温质子交换膜燃料电池的流场结构参数的优化具有重要参考价值.     

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。     

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.     

三维聚合物电解质膜燃料电池中水的输运模拟

针对新型螺旋形加压聚合物电解质膜燃料电池,提出了一种液态水生成和输运效应的数值模型.该数值模型基于燃料电池的物理机理、流体流动、传热导、多孔介质中的传质、电化学反应、含相变的多相流动、电流输运、多孔介质和固体导电区域中的位势场以及穿过聚合物膜的水的输运设计优化过程.在分析中还使用了燃料电池模型.例如,电化学模型--用于预测局部电流密度和电压分布;位势场模型--用于预测多孔介质以及固体导电区中的电流和电压;多相混合物模型--用于预测在多孔扩散层中的液态水和气体流;薄膜多相模型--用于研究气体流道中的液态水流.最后给出了聚合物电解质膜燃料电池液态水生成和输运的理论模型的数值结果,包括催化层和膜中的H2,O2和H2O的质量和克分子数的等值线图.     

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 …     

水平井两相流变密度射孔模型研究

综合考虑水平井气液两相流体分层流动特性以及气液两相流体高速通过射孔孔眼所产生的非达西流动效应等因素,基于向井流流动模型和水平井筒气液两相分层流动模型,建立了水平井两相流变密度射孔优化模型。通过对所建模型的数值求解,揭示了变密度射孔完井水平井内气液两相分层流动规律,并对模型中产量、地层渗透率等重要参数进行了敏感性分析。结果表明,均匀射孔会导致水平井筒跟端的径向流入量大大增加,出现明显的端部效应,而通过调节射孔密度,可以有效地调整水平井生产剖面,尤其对于高渗油藏,变密度射孔能够有效地减缓可能出现的水气锥进,从而提高油田的开发效益。     

碱性阴离子交换膜燃料电池实验及数值模拟

针对碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)水管理开展了实验及数值模拟工作,使用Tokuyama A201膜制备并组装了实验室规模的AEMFC单电池,建立了一个基于质量守恒、组分守恒及电荷守恒的碱性阴离子交换膜燃料电池二维稳态等温模型,用于研究电池性能及内部水传输机理。通过模型计算分析电池性能及内部水传输和水分布情况,结果表明:计算预测得到的特定参数下的极化曲线趋势与单电池测试的数据吻合良好;电流密度增加会增大水从阳极到阴极的净通量,有利于阴极反应的进行;电池两极均需进气加湿,提高阳极进气湿度可以加快水从阳极到阴极的净迁移,在较高电流密度下阴极进气湿度过低对电池性能影响较大。     

面向控制的一维非等温两相流燃料电池模型研究

经验模型不能反映电池内部复杂的物理化学耦合过程及其导致的响应迟滞,这给燃料电池系统精确控制策略的开发带来了一定困难。针对此问题,建立了面向控制的一维非等温两相流模型,考虑了流道内气体瞬态效应、电池内部水相变,研究了电流密度对气体浓度以及水热分布特性的影响,分析了运行条件和模型参数对电池输出电压的影响,探究了电流阶跃下该模型相比于集总参数模型在输出性能方面的优势。结果表明,该模型具有更好的适用性,可为燃料电池系统层面的模型优化及控制策略设计提供可靠依据。     

直接甲醇燃料电池测试系统的搭建与调试

为了系统研究直接甲醇燃料电池的电性能,以及电池的传热传质现象、气液两相流规律,设计并搭建了用于测试液态进料直接甲醇燃料电池的实验系统。文中简要介绍整个实验系统,并详尽给出实验系统的调试方法。整个实验系统可根据要求调整工况,可配合可视化系统对不同工况下直接甲醇燃料电池的气液两相流进行研究。     

水平管内气液两相流影响滑脱损失的实验研究

为了探究滑脱损失在气液两相流中对压降存在的影响,从而进一步减小滑脱带来的损耗,本文通过利用多相流实验设备,采用水-空气为流动介质,对水平管条件下的气液两相流中的滑脱损失进行了实验研究。在采用杜克勒Ⅰ法无滑脱压降模型的理论基础上,结合实验所得数据,利用滑脱密度、滑脱压降和滑脱压降比三个参数分别对不同管径、不同液相表观流速以及不同气液比条件下的滑脱损失进行了分析。结果表明：在相同气体表观流速条件下,最大滑脱损失会随管径的增大而增大;当气相表观流速一定,液相表观流速越大时,滑脱损失在管线的整体压降中产生的影响越大;在液体表观流速不变,气液比改变时,可根据滑脱压降大小判断滑脱损失影响;水平管中滑脱损失变化与滑脱密度之间没有明显的关联性;水平管中段塞流型相较于层状波浪流会产生更大的滑脱损失。以上结论可为工程设计、实践提供参考。