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空气流场的优化设计

质子交换膜燃料电池空气流场的合理设计可以使电流密度、气体浓度等均匀分布,有利于提高性能。采用数值模拟与测试相结合的方法,对5种常见的空气流场进行了综合评价。结果显示,模拟结果与测试结果反映的电池性能变化趋势基本相同,性能由低到高依次为:平行流场、网格流场、平行蛇形流场、渐缩流场。串并联流场的模拟和实验结果略有差异。该方法可用于质子交换膜燃料电池空气流场的优化设计。     

操作参数对PEMFC性能的影响

通过实验研究三通道蛇形非对称流场的质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行温度、气体加湿温度、空气流量、H2流量以及燃料电池工作压力等操作参数对PEMFC性能的影响。结果表明:燃料电池温度保持在333～343K,加湿温度与电池温度相同时,电池性能达到最佳状态;质子交换膜燃料电池中O2的还原反应是影响整个燃料电池放电性能的一个关键因素;工作压力为2.026×105Pa左右时电池的性能最佳。     

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.     

直接甲醇燃料电池电化学性能

以Pt-Ru/C和Pt/C分别为阳极、阴极催化剂,自制了膜电极,并组装了直接甲醇燃料电池(DMFC)以及测试系统.通过稳态电流-电压极化曲线法,研究了甲醇流量、甲醇浓度、甲醇温度以及空气增湿温度对DMFC电化学性能的影响.研究结果表明,在电池温度为25 ℃以及阴极为自然空气的条件下,当DMFC输出电压为0.22 V时,其输出电流密度和峰值功率密度分别可以达到68 Ma·cm-2和14.8 Mw·cm-2,且各因素对电池性能存在着明显的影响.实验的最佳运行工艺参数:甲醇流量为2 Ml·min-1,甲醇浓度为2 mol·L-1,甲醇温度为30 ℃,空气增湿温度为40～60 ℃.     

基于模糊辨识的燃料电池建模

通过分析直接甲醇燃料电池(DMFC)的组成结构、工作原理，运用电化学、流体动力学、热力学等学科理论，建立DMFC电池性能数学模型，并根据DMFC实验数据进行了仿真。由于数学模型具有复杂性，难以满足工程上对DMFC控制系统的设计，特别是实时控制需要的情况，因此采用一种基于在线辨识的模糊预测算法对DMFC电堆进行建模。结果表明，这种数学建模是合理和可行的，对直接甲醇燃料电池控制系统的建模和控制具有一定的实用价值。     

具有脊下对流的循环蛇形流场燃料电池性能分析

为了减少燃料电池在大电流密度运行过程中的电压损失,文章设计了循环蛇形流场,并采用数值方法对其电流密度、反应物浓度和压力分布进行了计算。仿真结果表明,循环蛇形流场在相邻流道之间产生较大的压差,从而增强对流传质,提高了催化层表面反应物浓度和分布的均匀度;在电压为0.4 V时,与多通道蛇形流场相比,循环蛇形流场的电流密度提高了8.3%。     

重力场对人工肾传质影响的实验研究

自行设计并搭建了人工肾透析系统,实验研究了人工肾4种不同放置方式下(水平放置透析液进出口向上、水平放置透析液进出口向下、竖直放置血流向上、竖直放置血流向下)尿素和肌酐的传质情况.结果表明,重力场对人工肾传质影响显著,竖直放置血流向上清除率最高,竖直放置血流向下清除率最低.该结果对临床应用中提高人工肾的透析效率,以及人工肾透析机的优化设计均有重要的指导意义.     

直接甲醇燃料电池的阳极进料系统及控制策略

直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cells,DMFC)的甲醇燃料的利用关系到系统的能量密度,是其微型化亟待解决的问题。为了提高甲醇利用率和提高系统的能量密度,必须采用必要的进料系统和控制策略。该文从主动和被动两类系统总结了面向直接甲醇燃料电池的关键系统组件和相关的控制策略,从系统工程的角度加以分析,总结了DMFC用甲醇传感器和系统控制的设计开发思想,并指出电池型化学传感器将是DMFC用甲醇传感器的主要开发方向,系统需采用脉冲式进料和混合动力方式以适应不同模式的负载。自呼吸电堆需采用基于化学势为推动力的被动式进料方式。采用空载自升温模式有助于缩短启动时间。     

重力倾角对PEMFC电堆性能的影响

通过改变质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的倾斜角度,研究重力倾角θ对大面积PEMFC电堆性能的影响.对应不同的重力倾角,分别改变反应气体空气和氢气的进气方式,考察电堆性能的变化.结果显示:优化重力倾角能够大幅度提高PEMFC电堆的性能,当电堆倾斜放置、反应气体由高的一端流向低的一端时,电堆性能优于反应气体由低的一端流向高的一端;若反应气体均由高的一端流向低的一端,则倾斜角度越大,电堆性能越好,电堆竖直放置时(θ=90°)获得最大的输出功率;若反应气体均由低的一端流向高的一端,则倾斜角度越大,电堆的性能越差,平行放置时(θ=0°)电堆的性能最佳.     

Silicon-based micro direct methanol fuel cell with an N-inputs-N-outputs anode flow pattern

A micro direct methanol fuel cell(μDMFC) is suitable for use in notebook computers,mobile phones,and other digital products.To resolve the poor mass-transport efficiency problem in the anode flow channel,this paper presents an N-inputs-N-outputs parallel flow pattern with rectangular convexes to reinforce methanol mass transport and reduce concentration polarization.The simulation results show that the N-inputs-N-outputs parallel flow channels with the rectangle convexes improve the performance.μDMFCs,which have four anode flow patterns,are fabricated using MEMS(microelectromechanical systems) technology.The experimental results show that the μDMFC with the rectangle convexes has a performance better than previously reported systems,and has a peak power density of 19.96 mW/cm2.The simulation and experimental results are in good agreement.     

能量旁路组合发动机磁流体发电通道数值模拟

利用简化的一维低磁雷诺数下磁流体动力学方程组,对理想分段法拉第型MHD发电通道开展了数值模拟研究,分析了电磁参数和通道几何参数的变化对MHD发电通道性能的影响。结果表明:MHD发电通道能够有效减小出口气流速度,降低总温,并提取出能量,但由于电磁作用的不可逆效应以及焦耳热的产生总压有所损失。磁场强度B、电导率σ的大小,反映了通道内电磁作用强度。适度扩张型通道能够抑制出口气流速度、静温和总温,并增强电磁作用效果。要使通道出口速度减小,总温和总压降低,能量提取率增加,可以增大磁场强度B或电导率σ;反之则反向调节。     

Recovery of copper from copper slag using a microbial fuel cell and characterization of its electrogenesis

The microbial fuel cell, which can convert the chemical energy of organic matter into electricity via the catalytic action of microorganisms, is a novel environmentally friendly technology for wastewater treatment and energy generation. The electrical energy generated by the microbial fuel cell can be used as an alternative to a traditional external power source required to extract copper via electrolytic treatment. A dual-chamber microbial fuel cell (DMFC) for the treatment of copper slag sulfuric acid leach liquor was constructed. The electrogenesis performance of the DMFC and its ability to extract copper from the copper slag leachate were investigated. The results demonstrated that the maximum voltage was 540 mV when the DMFC achieved steady-state operation. The removal rate of copper ions was greater than 80.0%, and the maximum value was 92.1%. Moreover, X-ray diffraction and scanning electron microscopy were used to characterize the cathodal products. The results showed that the product deposited onto the cathode was copper and that its morphology was similar to that of the electrolytic copper powder. The DMFC can generate electricity and recover copper from copper slag simultaneously.     

Operational and structural aspects of a vapor-feed semi-passive direct methanol fuel cell supplied with concentrated methanol

Direct methanol fuel cell （DMFC） has great potential to replace the traditional battery in the field of portable power sources. This study investigates the operational and structural aspects of a vapor-feed semi-passive DMFC supplied with concentrated methanol. The effec tiveness of using vaporous methanol to improve the cell performance is experimentally validated. Results indicate that there exits an optimal value of methanol concentration that favors both methanol supply and control of methanol crossover （MCO）. With the increase in vaporization temperature, the cell performance can be enhanced. Based on the traditional structural design, a sintered porous metal plate is further used to depress the impact of MCO so that the cell performance can be significantly improved at a relatively higher methanol concentration. This is of great importance to enhance the energy density and operating duration for portable applications. The mechanisms related to the performance behaviors are discussed in detail.     

水煤浆气化炉三通道喷嘴气相流场的数值模拟

为研究三通道喷嘴结构对气化炉宏观冷态气相流场的影响,利用计算流体力学软件F luen t对水煤浆气化炉的三通道喷嘴和简单的单通道喷嘴分别在自由射流和受限射流情况下进行了气相流场的数值模拟。通过对两种喷嘴在自由射流和受限射流流场的比较,发现二者的流场非常相似,只是在距喷嘴出口较近处速度分布有明显不同。这说明喷嘴的结构对气化炉宏观气相流场的影响并不如入口速度对气相流场的影响显著。通过对喷嘴附近处径向和轴向速度分布的分析,发现三通道喷嘴外环气流和中心气流有强烈的撞击,这对水煤浆的雾化起到重要作用。     

华北平原区典型下垫面退水过程研究

以位于邯郸永年区的河北工程大学降雨-径流-灌排试验场为依托,进行数场人工模拟降雨试验,分别探讨了华北平原区典型下垫面河道径流、地表径流和各层壤中流出流的退水特征。对各种出流方式对比结果表明, 河道径流和地表径流在降雨停止后迅速消退,且很快退水完毕;壤中流退水往往在地表径流退水的后半程开始,其退水历时最长, 流量最小。影响因子分析表明, 降雨强度对退水流量的影响比较明显地表现在河道径流方面,即随降雨强度的加大,河道径流的退水流量呈幂函数上升趋势;降雨量对各层壤中流总退水流量的影响显著,即随着降雨量的增大,壤中流退水流量呈幂函数增大趋势;降雨历时对各种方式的退水流量影响均不明显。雨强还影响退水流量在总径流量中的分配比例,河道径流、地表径流、壤中流1和和壤中流2出流的退水流量分别占总流量的0.72%、8.6%、1.71%和0.19%,退水流量占总流量的12.31%。当雨强小于2mm/min时,随着雨强的增大地表径流退水流量所占比例呈直线增加趋势,但当雨强增加到2mm/min以上之后,地表径流退水流量所占比例反而下降了;随着雨强的增加,壤中流总退水流量所占比例呈对数函数逐渐下降的趋势。计算结果表明, 该区退水常数可以分河道径流、地表径流退水和壤中流退水2类, 其数次降雨平均值分别为 0.85 和 0.95。这一结果为进一步研究水文过程乃至流域尺度的退水过程提供了借鉴。     

蝶式感应加热中间包流场与升温特性

针对传统连铸设备中间包钢液入口与浇注口距离近无法安装感应加热装置的问题，设计出一种新型蝶式感应加热中间包，并建立三维非稳态磁-热-流耦合数学模型研究电磁场对蝶式中间包内流场和温度场的影响，得到感应加热功率与升温特性间的关系.结果表明，感应电流在中间包中形成闭合回路且主要集中在通道处.偏心电磁力使得钢液在通道内产生旋流并伴有较大切向速度，流出通道的钢液向浇注室上方运动.中间包过流量为2t/min时，无感应加热情况下出口温降为7K，而有感应加热情况下，当加热功率由600kW增至1000kW，出口温升由8K增至27K.     

粗糙床面明槽水流能谱特性

对粗糙床面明槽水流能谱特性进行了研究,结果表明功率谱曲线、最大功率谱及相应的频率沿垂线的分布与相对光滑度大小紧密相关,据此得到了流动二维性及小尺度粗糙的判据;此外,在本实验条件下,能量主要集中在频率小于2Hz的涡体内。     

基于钛网基膜电极组件的被动式直接甲醇燃料电池

基于钛网基膜电极组件（membrane electrode assembly,MEA）设计并制作被动式直接甲醇燃料电池（directmethanol fuel cell,DMFC）．钛网基MEA以钛金属网作为电极支撑体基底材料,Nafionll7作为质子交换膜．PtRU／XC-72R作为阳极催化剂,Pt／XC-72R作为阴极催化剂．被动式DMFC壳体采用有机玻璃材料制作．密封元件采用硅胶片制作．紧固件选用标准件．在室温空气自呼吸条件下,选取不同甲醇浓度的电解液．测试了基于钛网基MEA的被动式DMFC极化性能．结果表明：当电解液中甲醇浓度从0．5mol／L经过1．0mol／L增大到1．5mol／L时．基于钛网基MEA的被动式DMFC的功率密度峰值呈现先增大、后减小的规律;当甲醇浓度为1．0mol／L。电池功率密度峰值为3．91mW/cm2．