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.     

NH_3杂质对HT-PEM燃料电池性能的影响

目的研究氢燃料中存在NH3杂质时对高温质子交换膜燃料电池的影响.方法使用燃料电池测试系统测试了HT-PEM燃料电池的极化曲线和交流阻抗图谱,采用等效电路法获得了HT-PEM燃料电池的等效电路元件,并对被NH3毒化后的电池催化剂层进行了电子显微扫描,分析了氢燃料中NH3质量浓度、电池温度和使用时间对HT-PEM燃料电池性能的影响.结果氢燃料中NH3的存在改变了电池电极电化学反应界面的结构,阻碍了质子的传递,导致电池性能下降,并且被NH3毒化后HT-PEM燃料电池再通入纯净氢气后电池性能仍继续下降.结论氢燃料中的NH3对HT-PEM燃料电池有很强的毒化作用,主要体现在降低了电池电极电化学反应界面,同时,被NH3毒化后HT-PEM燃料电池性能很难恢复,这种损害是不可逆的.     

燃料电池堆流体分布不均匀度的估算方法

在燃料电池堆的运行过程中，燃料或氧化剂等流体在各个单电池板上分布的不均匀性是影响其性能的重要因素．针对流体分布均匀性的问题，以流体在管道中流动的压降计算式作为基本计算公式，经简化整理得出了计算电池堆中流体分布不均匀度的估算式．利用此式可以分析流体分配管道和板流道的尺寸以及单电池个数对电池堆性能的影响．此公式可用于燃料电池堆的设计计算．     

燃料中CO_2杂质对高温质子交换膜燃料电池性能的影响

目的研究燃料中添加不同浓度的CO2对高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池性能的影响.方法运用燃料电池测试系统对HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗特性进行测试,并采用等效电路分析获得了HT-PEM燃料电池的等效元件,分析了重整燃料H2中CO2含量对HT-PEM燃料电池伏安特性和交流阻抗特性的影响.结果氢燃料中的CO2对HT-PEM燃料电池有一定的毒化作用,主要体现在CO2吸附在催化剂表面,形成了Pt-CO键,降低了电池的开路电压,导致浓差极化加剧.如果通入纯氢气燃料,电池性能可恢复至95.3%水平.结论提高燃料中CO2的含量,燃料电池的法拉第阻抗增大,电池的性能降低;随着温度的升高,电池系统对CO2的容忍度降低;CO2对电池性能的影响可以得到恢复.     

基于正交试验的低压燃料电池性能

通过对低压质子交换膜燃料电池的正交试验研究,得到如下结论:氢气的湿度与氢气的当量比对于燃料电池性能的影响较小,相对于空气的湿度、当量比以及燃料电池的工作温度而言,可以不予考虑;空气当量比对燃料电池性能的影响在5个运行参数中是最复杂的.它不是有固定的影响效果,而是随着工况点的变化,随着燃料电池电流大小的变化,而发生较大的变化.随着电流的增大,空气当量比对燃料电池性能的影响也增大,当电流达到较高水平时(本试验中电流达到120A之后),这种影响会下降.     

基于温度条件下PEM燃料电池的动态特性

目的研究温度变化对PEM燃料电池动态特性的影响,分别比较不同加湿温度和电池温度下PEM燃料电池的动态特性,找到最佳加湿温度和电池温度.方法通过测试PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗,采用等效电路法研究燃料电池中的欧姆阻抗和法拉第阻抗,分析电池温度和加湿温度对燃料电池的伏安特性,欧姆阻抗和法拉第阻抗的影响.结果实验得出电池温度和加湿温度不同对PEM燃料电池的影响不同;不同的电池温度和加湿温度对电池的电阻变化影响不同.结论当加湿温度低于电池温度10K时,电池性能最好,欧姆阻抗和法拉第阻抗最低;因此实验结果对PEM燃料电池性能的优化具有重要意义.     

基于非线性规划与XGBoost的燃料电池汽车多目标能量管理策略

为了解决燃料电池汽车功率分配中的实时性与准确性问题,提出使用离线非线性规划+在线XGBoost算法对燃料电池汽车功率进行预测.首先搭建燃料电池混合动力汽车的动力系统模型,并且通过聚类分析获取车辆行驶的典型混合工况;其次使用非线性规划算法离线计算在该工况下燃料电池与锂电池的最优分配比例;最后XGBoost算法以非线性规划计算结果为训练数据进行模型训练验证.结果表明：所提出的算法强化了目前离线计算中对于燃料电池混合动力系统动态性能多目标优化的考虑,增强了在线机器学习训练数据的准确性,同时所提出的XGBoost算法可以加快计算速度以及避免数据的过拟合,实现对燃料电池混合动力汽车功率的精确估计.     

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.     

水和甲醇在硅基微通道中换热特性的实验研究

以水和甲醇为工质,在三角形硅基微通道热沉中进行了层流流动与换热的实验研究.基于实验结果,得出了摩擦常数及平均Nusselt数的实验关联式.并发现入口段效应对微流体的流动与换热的影响十分显著.在相近的工况下对采用这两种工质时的微通道壁温进行了比较,结果表明采用水为工质时壁温较低,其原因主要在于水的导热系数及比热均较高的缘故.并对这两种工质在微通道中流动与换热综合性能进行比较,结果发现采用水为工质时具有较好的综合性能.     

单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析

利用构建的单室微生物燃料电池,进行了阴极板中铁离子浓度、阳极底物、底物浓度及阳极板面积对单室直接微生物燃料电池性能影响的研究.结果表明:在其它条件相同的情况下,随着阴极电极板中Fe3 含量的增加,电池负载输出电压随之提高;不同底物的阳极反应,随着产生的电子和质子数的提高,电量随之增大;输出电压亦随底物浓度的增加而提高,但底物葡萄糖的浓度饱和值为0.72g/L;增加阳极板数量加大阳极比表面积,更多的微生物吸附在阳极电极上传递电子,电池输出电压与阳极板数量不成倍数关系.此研究为单室微生物燃料电池的应用提供了理论依据.     

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。     

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.     

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。     

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.     

阳极支撑型固体氧化物燃料电池电化学数值分析

根据阳极支撑平板型固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)的工作原理,建立了SOFC的三维热流电化学模型,研究燃料电池进气方式、进气速率、燃料气组成对其温度场、燃料利用率以及电池性能的影响.结果表明,相比于反向进气方式,采用同向进气,电池温度分布更均匀,热应力更小;适当提高阴极侧空气进气速率会降低电池平均温度和热应力,同时也有利于提高电池功率密度和燃料利用率;增加燃料气的进气摩尔分数,反应速率、系统温度梯度和功率密度随之加大,由于温度梯度的增大最终导致热应力增加.     

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 …     

一种以H2S为燃料的固体氧化物燃料电池

研究了在一个大气压和750～850℃下,具有H2S、(MoS2 NiS Ag)／YSZ／Pt和空气结构的固体氧化物燃料电池的电化学性能,发现升温有助于增强电解质的离子传导性,使电池性能变好．在750℃下,阳极通入H2S、阴极通入空气时,电池的最大电流密度和最大功率密度分别达800mA／cm^2和84mW／cm^2;在850℃下,电池的最大电流密度和功率密度分别达1750mA／cm^2和200mW／cm^2．