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。     

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.     

质子交换膜燃料电池阴极单相流压降模型及验证

燃料电池阴极单相流压降是进行阴极在线水管理的基准,已有研究缺少该压降的全工况模型。该文在156W单片燃料电池上发现了阴极压降随电流、过量系数变化的二次方关系,并给出影响压降的5个参数:电流、过量系数、电池温度、进气压强以及进气湿度。提出了包括这些参数在内的流量二次方模型。通过分析各工况下模型系数与实验数据的对应关系得出模型与实验数据之间偏差小于10%。该模型可应用于蛇形流道或平行流道的所有电池堆,对在线水故障诊断具有一定的参考价值。     

车用质子交换膜燃料电池

文章介绍了500 W质子交换膜燃料电池性能试验,考察了电池气体流道占反应面积的相对体积质量大小、电堆温度、反应气压力、反应气增湿温度及过量系数对电池电压的影响,测得各节单电池的电压分布规律。为适应车用动力源的需要,对电堆进行了大负荷长时间运行试验,测定电堆效率,分析其影响因素。     

质子交换膜燃料电池冷启动动态数值模型

利用数值仿真的方法,建立了一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)的分层集总多相数值模型,全面考虑了燃料电池冷启动过程中的水热传递和水的相变过程。作为一维多相模型的简化,能够在显著提高计算效率的同时也能保证仿真结果和实验结果较好地拟合。利用该模型,研究了PEMFC电堆在冷启动过程中的温度不一致性和高次型电流加载的冷启动策略,降低了燃料电池成功冷启动的最低温度。此外,提出了一种全新的仿真燃料电池零下环境中极化曲线的方法,能有效评估燃料电池零下环境中的输出特性。     

质子交换膜燃料电池电催化剂研究

阻碍PEMFC商业高.提高催化剂的利用率不仅与催化剂的类型有关,电极制备工艺的优劣也对此有较大影响.高性能电催化剂的研究成果在推动了质子交换膜燃料电池快速发展的同时,对优化电极制备工艺也很有现实意义.本文对目前质子交换膜燃料电池的电催化剂和MEA制备技术的最新研究工作进行了分析评述.     

质子交换膜燃料电池冷启动研究综述

质子交换膜燃料电池具有工作温度低、能量转换效率高等诸多优点,在车辆、移动电源等设备都有广阔的应用前景。然而目前仍存在许多亟待解决的问题,如制造成本,耐久性,冷启动性能等,制约其商业化发展。燃料电池冷启动能力的提升对促进燃料电池汽车的推广应用有重要意义。从冷启动研究目标和现状,结冰的影响分析,冷启动策略等方面对文献进行综述分析和总结,为燃料电池冷启动相关研究提供支持。     

质子交换膜燃料电池建模研究评述

车用动态工况下,质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部压力、温度和气体浓度直接影响整个系统的性能和耐久性,因此需要借助数学模型分析电池内部传质、传热和化学反应过程,以优化燃料电池系统设计及控制。然而,燃料电池是一个非线性、多输入、强耦合的系统,模型的建立涉及从原子分子级尺度,到材料晶格结构级尺度,再到部件、电堆和系统级尺度。针对多尺度建模问题,从关键部件、单体、电堆及系统等角度,对不同尺度的建模方法进行全面梳理,并阐述了未来建模的挑战及发展趋势。     

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。     

质子交换膜燃料电池的研究进展

论述了质子交换膜燃料电池的开发现状及国内外研究进展；同时介绍了趋于成熟的贮氢技术，包括质子交换膜、双极板、膜电极和电催化剂在内的关键技术、应用以及未来展望。     

质子交换膜燃料电池电压损耗

质子交换膜燃料电池电压损耗的定量分析,对于寻求膜电极性能的提升空间具有重要的参考意义。该文以实验室自制的膜电极为研究对象,对其内部损耗、 ohm极化、活化极化以及浓差极化依次进行了实验分析。结果表明:在阴极铂载量为0.2 mg/cm~2的膜电极中,活化极化在整体电压损耗中所占比例最高,这一现象在低温下愈发明显; ohm极化的占比最小,电流密度为1 550 mA/cm~2时,其最大值约为0.09 V;浓差极化在低电流密度区域的影响较小,在大电流密度区域以指数形式增长。经过对浓差极化的分析发现, 40%～44%的氧气扩散阻力主要来源于气体扩散层内的分子扩散阻力, 43%～50%的氧气扩散阻力主要来源于氧气穿过离聚物层到达铂表面的阻力。     

质子交换膜燃料电池的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效节能、工作稳定、环境友好的理想发电装置.质子交换膜是PEMFC的核心组成,是一种选择透过性膜,主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用.PEMFC用电催化剂主要为铂系电催化剂,为降低成本,提高铂的利用率和开发非铂系催化剂是今后催化剂研究的主要方向之一.文中对PEMFC电极的制备技术和电池的水管理、热管理方法等作了简要介绍.     

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。     

质子交换膜燃料电池阳极钝化现象研究

在组装的单体质子交换膜氢氧燃料电池系统上,用线性电位扫描法研究了不同电池温度和湿度下的阳极极化行为．发现发生钝化的输出槽压约为0．6V,输出功率在最大值附近时,阳极产生钝化现象．钝化的起因是阳极铂催化剂氧化形成铂氧化物的结果．提高电池的工作温度和湿度,都加速了燃料电池阳极的钝化．     

质子交换膜燃料电池的研究与应用

在能源和环境危机的今天,质子交换膜燃料电池由于其特点和优势有着更多的发展前景。文章在介绍质子交换膜燃料电池在各领域应用和发展现状的同时,也从电池材料和制造技术、成本、氢能源等几个方面进行了分析,阐述了质子交换膜燃料电池发展中面临和要解决的一系列问题。     

质子交换膜燃料电池混合流场的研究

质子交换膜燃料电池双极板上流场的设计在很大程度上影响燃料电池的性能.传统燃料电池平行流场虽然结构简单,易于加工,但存在气体分布均匀性不佳,水淹现象严重等问题.本文对传统的平行流场进行改进,设计了一种新型混合流场的质子交换膜燃料电池,并利用Comsol软件对新型混合流场燃料电池的阴极气体浓度、水的摩尔浓度、电流密度进行计算分析.结果表明,混合流场燃料电池在气体分布均匀性、水的去除能力上均优于传统平行流场燃料电池.     

质子交换膜燃料电池密封结构设计方法研究

质子交换膜燃料电池是新能源技术发展的重要方向,针对燃料电池最佳封装力作用下密封结构容易失效的问题,基于燃料电池结构和工作原理提出了基于最佳封装力的密封结构设计方法,并使用有限元分析手段对其进行验证。结果表明,基于该方法设计的密封槽和密封圈在保证燃料电池工作性能不受影响的同时,密封圈也处于最佳压缩状态之下,不仅密封圈预压缩量小于橡胶的永久变形量,而且产生的接触应力也满足介质密封要求,密封结构极大的提高了燃料电池工作的可靠性。     

质子交换膜燃料电池膜电极的关键技术

 膜电极是多相物质传输和电化学反应场所,决定着燃料电池的性能、寿命及成本。本文分析膜电极当前技术现状与商业化目标,梳理膜电极分类及经过梯度化膜电极向有序化膜电极发展的技术脉络,介绍近年来超低Pt载量的第三代膜电极-有序化膜电极的新进展,比较各种有序化膜电极制备方法的优缺点。目前有序化膜电极在铂族元素总载量为0.118 mg/cm²下取得的最好性能为861 mW/cm²@0.692 V,0.137 g/kW,成本降至5美元/kW,Q/ΔT值从2013年的1.9下降到1.45。从降低Pt用量及简化燃料电池发电系统、降低系统成本的角度看,自增湿有序化膜电极是未来膜电极开发的重要方向。     

质子交换膜燃料电池及其数学模型简述

以氢氧质子交换膜燃料电池为例,阐述了燃料电池的工作以及计算燃料电池动力学的基础数学模型。这个模型包括五个基本的控制方程:质量、动量、组分传递、电荷和能量方程以及各物理化学属性之间的关系。