扩散层对ab-PBI膜高温燃料电池阴极内传质的影响

目的研究高温质子交换膜燃料电池的扩散层孔隙率及其厚度对于提高其性能的影响.方法建立一个二维、单相、稳态数学模型研究高温质子交换膜燃料电池阴极氧气和水蒸气扩散传递规律.模型耦合了质量守恒方程、动量方程、能量方程、组分方程和催化剂层中的Butler-Volmer方程,研究扩散层孔隙率及其厚度对电池阴极中氧气、水蒸气浓度分布的影响.结果在气体流动方向,氧气浓度逐渐降低,水分浓度逐渐升高;从催化剂层到扩散层,氧气浓度逐渐降低,而水分浓度渐渐升高.减小扩散层的厚度和增大扩散层孔隙率,在气体流动方向,氧气浓度降低的梯度变大,水分浓度升高的梯度也越大;在扩散层和催化剂层厚度方向,氧气浓度降低的梯度变小,水分浓度增大的梯度也越小.结论在一定范围内降低扩散层厚度和增大孔隙率有利于氧气的输入和产物水的排出,提高高温质子交换膜燃料电池性能,对高温质子交换膜燃料电池结构参数的优化及电池的推广应用具有重要影响.     

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.     

扩散层孔隙率对平行流场 PEMFC 性能影响研究

为了研究扩散层孔隙率对质子交换膜燃料电池的性能影响,采用计算流体动力学商业软件 ANSYS Fluent在不同扩散层孔隙率(0. 3、0. 5、0. 7)的条件下,对传统平行流场和斜坡平行流场的性能曲线、气体浓度分布、液态 水分布进行数值模拟分析;结果表明:在高电位下各案例对应的性能差异较小,在中低电位性能差异较大,随着扩散层孔隙率越大,质子交换膜燃料电池性能越好,且孔隙率在 0. 3~ 0. 5 时电流密度增长率最大,最大可达 9. 03%;当扩散层孔隙率较高时,有利于反应气体穿过扩散层,使得催化层氧气浓度增大,促进了燃料电池内部的电化学反应;随着扩散层孔隙的增大,能够更有效地促进反应气体的传输,流道内水含量越高,越有利于液态水的排出;相比传统平行流场,斜坡平行流场电池性能更好,氧气分布更均匀,流道中气体流速更大,排水效果更好,且孔隙率为0. 7 时电流密度增长率最大,最大可达 28. 79%。     

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。     

基于数值模拟研究渗透率对HT-PEMFC性能的影响

目的研究气体扩散层多孔介质渗透率对高温质子交换膜燃料电池(HTPEMFC)性能的影响,优化PEMFC的结构参数,提高电池的整体性能.方法采用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,以直通道流场结构的PEMFC在工作电压为0.4V的条件下,对气体扩散层渗透率分别设定为1.18×10-12m2、1.18×10-11m2、1.18×10-10m2以及1.18×10-9m2的HT-PEMFC进行数值模拟和结果分析.结果模拟结果得出了流道内沿流道方向的阴极压力变化、电池电流密度以及阴极气态水浓度的分布情况.结论随着气体扩散层渗透率的增大,能有效降低电池阴极流道内的压降,进而改善电池内部传质、降低额外的功耗,提高电池电流密度以及增强阴极的排水能力.对HT-PEMFC结构的优化和设计具有重要的指导意义.     

流道面积比与阴极流量对交叉型流道PEMFC性能的影响

建立三维PEMFC传输模型,分析阴极流道面积比与阴极流量对交叉型流道质子交换膜燃料电池局部传递特性与电池性能的影响,模型中考虑了液态水生成,以更接近电池实际操作状态．流道面积比代表燃料流动面积与电池总面积之比,较大的流道面积比可提高燃料直接扩散面积,使更多氧气通过扩散方式进入扩散层和催化层参与电化学反应,增进化学反应速率,增大局部电流密度,从而提升电池性能．但对于交叉型流道设计,模拟结果表明,由于流道中挡板的作用,燃料由自然扩散传质转变为强制对流传质,流道面积比的影响被消弱,最佳的电池性能出现在流道面积比为0．4时．结果也显示,提高阴极流量可改善电池性能．通过分析电池内部电流密度、氧气流量和液态水分布等局部传递特性,揭示了流道面积比与阴极流量对电池性能影响的内在原因．     

基于介观分析的HT-PEM燃料电池阴极扩散层传质研究

目的研究高温质子交换膜燃料电池阴极扩散层中传质过程,解决扩散环境因素降低传质扩散效率的问题.方法基于Martini力场原理建立介观力学数学模型,采用Materals Studio软件中Mesocite模块构建气体与扩散层的粗粒化几何模型,通过介观动力学方法分析温度、扩散层孔隙曲折度、孔隙率和气体组分等因素对阴极扩散层中传质过程的影响,并根据均方位移研究不同因素对扩散系数的影响.结果随着温度升高,气体各组分在扩散层中的扩散系数增大;碳纳米管长度变大,氧气分子扩散系数下降,而水分子扩散系数上升;水分子质量分数增大,氧气分子的扩散系数下降,而水分子的扩散系数上升.结论在一定范围内增大扩散层的孔隙率以及降低反应时水分子的质量浓度会有利于反应气体的扩散,提高反应效率.     

进气速度对交指HT-PEM燃料电池性能的影响

目的研究高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池在不同进气速度下的性能差异.方法改进一个耦合气体流道和气体扩散层的三维、两相、多组分HT-PEM燃料电池模型,考虑4种进气速度对燃料电池性能的影响.结果提高反应气体进入流道的速度,可以改善流道中反应气体浓度分布,使反应气体更加均匀地分布在流道中.在温度为453.15 K的交指流场中,氧气的进气速度为1.6 m/s,氢气的进气速度4 m/s为最优进气速度.结论 PEM燃料电池性能在不断的改善,交指流场中氧气浓度分布更加均匀,进出口的压力差足够排除生成物,膜电流密度分布的更加均匀.     

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。     

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.     

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.     

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.     

直接甲醇燃料电池运行参数的研究

以载量均为4 mg/cm2的Pt-Ru黑和Pt黑分别为阳极、阴极催化剂,以碳布为扩散层,以Nafion115为质子交换膜,制备膜电极,组装直接甲醇燃料电池并通过恒电位法和交流阻抗法分别测试性能和阻抗. 研究考察了各种工艺参数对电池电化学性能的影响,得出55 ℃下最佳工艺参数为:甲醇浓度为1.5 mol/L、流量为1.5mL/min时阳极反应达到最优,氧气压力在0.3 MPa、流量在800 mL/min时阴极反应达到最佳.     

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。     

HT-PEM燃料电池性能实验分析

目的研究电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池的性能影响.方法通过电化学工作站测试了HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗,利用等效电路法分解得到HT-PEM燃料电池中的欧姆阻抗和法拉第阻抗,分析电池温度、氢气流量和空气流量对燃料电池的伏安特性、欧姆阻抗和法拉第阻抗的影响.结果电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池性能有一定影响,温度升高和增大气体流量能够一定程度地提高高温质子交换膜燃料电池的性能.HT-PEM燃料电池的性能不会随着气体流量的增加而一直增加.结论升高温度降低了燃料电池的欧姆阻抗和法拉第阻抗;氢气流量变化和空气流量变化对欧姆阻抗和法拉第阻抗没有明显影响.     

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.     

PEMFC中液态水沿程分布的机理研究

通过分析流道和扩散层中的压力损失,并根据理想气体状态方程,得出了沿流道方向气体总压力以及水蒸气分压力沿程分布的表达式.根据液滴生成的机理分析,得出了PEMFC阴、阳两极扩散层中液态水沿程分布的表达式.结果表明:阳极中一般很难有水生成;阴极中加湿度越大,进口压力越大,过量系数越小,液体出现的位置离进口越近,且同一位置液态水的生成速率越大,当阴极气体完全加湿时,液态水的生成速率仅与其到进口的距离、电流密度、膜中水传输系数以及流道的宽度有关,而受流道的高度、过量系数、进口压力以及温度等影响较小.     

PEM燃料电池阴极催化剂层特性

为了提高催化剂层的特性和PEM燃料电池的性能,加速它的推广和应用.给出了一个PEM燃料电池阴极传热传质的数学模型,模拟研究了阴极催化剂层中氧气体积分数、电流密度、阻抗和温度分布的规律.研究发现:模拟条件下,在阴极催化剂层中的传质中,质子传递过程是阴极性能的控制过程;沿着气体通道方向,催化剂层中的氧气浓度、电流密度、阻抗和温度均渐渐降低;沿着Y轴方向,氧气体积分数,阻抗和温度渐渐降低,而电流密度升高.研究结果对PEM燃料电池阴极结构优化和提高性能具有重要的参考作用.     

基于GDL非一致孔隙率的PEMFC模拟仿真

目前,针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的数值模拟研究大多假设气体扩散层(GDL)的多孔介质孔隙率一致,但实际上GDL受双极板脊背压缩产生的变形会导致孔隙率的非一致性.文中针对装配压力引起的GDL变形及非一致孔隙率情况,基于有限元理论和计算流体力学软件,在FLUENT中导入力学分析得到非一致孔隙率的自定义函数(UDF).模拟结果表明:脊部下方GDL由于孔隙率的变化使得沿Y方向截面纵向气体的流速往双极板方向的递增;且孔隙率的非一致性导致脊部下方的气体浓度较流道下方降低、水含量增大,产生积水现象,这些变化将不利于燃料电池性能的保持.然后在验证函数准确性的同时探究了电池温度、湿度等参数随燃料电池电压的变化规律,并研究了燃料电池内部温度的变化.发现流道下方阴极侧电化学区域比阳极侧温度高,反映了实际燃料电池中阴极侧水堆积现象造成热的传输速度慢于阳极侧的实际情况.     

1 kW自呼吸PEMFC堆控制因素试验

自呼吸质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极侧湿度和温度耦合严重,且空气流量对湿度和温度影响不同,从而使得对电池输出电压的控制变得复杂.以氢气压力和提供阴极空气流量的风扇转速为影响因素,对相应的工作点集进行了正交试验研究.分析结果表明,风扇转速高于极值电压转速时,空气会带走更多的水分,从而使得质子交换膜逐渐干燥,阻抗增大,电池性能衰减;风扇转速低于极值电压转速时,空气流量带走的热量减少,使得阴极表面温度升高,阴极端相对湿度迅速减低,从而导致质子交换膜迅速干燥,电池性能衰减迅速.因此,每个工作点存在一个使电池电压最高的风扇转速值.