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.     

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．     

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.     

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.     

质子交换膜燃料电池用气体扩散层——碳纤维纸的制备

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理，并通过分析气体扩散层材料的性能要求，设计了一条制备高性能碳纤维纸的技术路线。对制得的碳纸样品进行了显微结构和基本性能的表征，同时还将它应用于PEMFC的单电池中进行综合性能的测试，测试结果表明，按照这种技术路线制得的碳纤维纸在性能上基本能满足PEMFC的使用要求。     

基于孔隙尺度的燃料电池气体扩散层结冰研究

针对燃料电池用气体扩散层内液态水在孔隙尺度下的动态结冰过程,首次引入了一种介观模拟尺度方法——格子Boltzmann方法.首先,构造燃料电池用真实气体扩散层三维微孔隙结构;其次,通过一维半无限大空间凝固热传导、二维直角区域凝固和二维介质方腔凝固三组数值试验严格考察该凝固模型中液态水、固体冰和碳纤维不同热物理参数选取的精确性,证明引入的格子Boltzmann方法在研究燃料电池气体扩散层中结冰现象的有效性;最后,针对孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的二维气体扩散层在孔隙尺度下的结冰过程进行模拟研究.模拟结果表明,对应孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9时,气体扩散层孔中液态水完全结冰量纲一时间F_0分别为2.67、3.11、3.68、4.31和4.84,有自然对流情况下的结冰时间F_0比无自然对流时分别减少0、0、0.001、0.001和0.007.     

质子交换膜燃料电池用气体扩散层--碳纤维纸的制备

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理,并通过分析气体扩散层材料的性能要求,设计了一条制备高性能碳纤维纸的技术路线.对制得的碳纸样品进行了显微结构和基本性能的表征,同时还将它应用于PEMFC的单电池中进行综合性能的测试,测试结果表明,按照这种技术路线制得的碳纤维纸在性能上基本能满足PEMFC的使用要求.     

质子交换膜燃料电池气体扩散层制备过程材料表征和孔尺度模拟计算

为研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）气体扩散层的制备方法对其结构和性能的影响,将聚丙烯腈基碳纤维原纸作为前驱体,以酚醛树脂作为粘结剂,采用热压、碳化、石墨化等工艺制成气体扩散层,考察在原纸浸渍的过程中,不同质量分数酚醛树脂乙醇溶液对气体扩散层结构和性能的影响。利用扫描电子显微镜、汞侵入法、四探针法等进行性能表征,并利用X射线断层扫描技术获得气体扩散层的三维结构,通过孔尺度模拟进行性能计算。结果表明,采用实验表征方法和模拟计算方法可以更加准确和清楚地对气体扩散层性能进行表征,在使用15%质量分数酚醛树脂乙醇溶液浸渍原纸时,可以得到与商用气体扩散层相等的78%孔隙率,同时将电阻率降低了30%左右。     

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。     

下降管内壁激冷水降膜流动特性

为了研究Texaco气化炉激冷室下降管内气液两相流动特性,在不考虑气液两相热质传递的条件下,采用数值方法探讨了激冷水流量、入口气体速度对下降管内壁降膜的流动特征、流型与断裂所产生的影响.结果表明,随着激冷水流量增大,下降管内壁降膜连续性越好,气体速度对降膜结构的影响相对较小.当激冷水流量保持不变的情况下,降膜入口速度对降膜连续性的影响比降膜入口厚度的影响显著,增加降膜入口速度对抑制降膜断裂具有更为重要的作用.     

喷雾冷却沸腾传热强化试验

随喷雾流量及过热度增加,热流密度增大,但热表面中心干涸区变大、液膜覆盖区减小,表面利用率降低,传热性能有提升空间。基于此,通过改变单喷嘴高度、设计微孔阵列喷嘴两种途径,探讨热表面液膜均匀性和喷雾冲击强度对传热的影响规律。结果表明单喷嘴高度存在最佳值(4 mm),此时热表面无干涸区,喷雾冷却沸腾传热性能最强;与喷嘴高度6 mm相比,在喷雾流量为50 mL/min、过热度为20 K时,热流密度提高了13%;微孔阵列喷嘴形成的液膜分布更均匀,使得表面温度也较均匀,当过热度大于10 K,微孔阵列喷雾传热性能更优,比上述工况下单喷嘴的热流密度提高16%。强烈冲击的均匀薄液膜是决定喷雾冷却沸腾传热的关键,为进一步强化喷雾冷却沸腾传热提供了可行的方向。     

临汾市土壤热扩散率和液态水通量密度研究

利用临汾市基本气象观测站的土壤温度资料,采用同时考虑热传导和热对流的土壤温度算法研究了临汾市的土壤热扩散率和液态水通量密度.结果表明：两参数垂直方向上均不同性,平均而言,4月、7月的土壤热扩散率随着深度增加而增大,而10月的土壤热扩散率随着深度增加而减小;三个月的液态水通量密度均在土壤深度0.025 m与0.075 m之间减小,4月液态水通量密度在土壤深度0.075 m与0.125 m之间增大,在土壤深度0.125 m与0.175 m之间减小,7月和10月的液态水通量密度变化情况与4月则正好相反;土壤热扩散率和液态水通量密度均存在月际差异,各深度层变化不一致.     

气体水含量实验室测定方法研究

天然气或炼油生产中各种气体都携带有水分.这些水分对气体的安全生产、使用和输送都造成危害,因此,必须准确测量并严格控制这些气体中的水含量.介绍了实验室测定气体中水含量的常用方法,并分析了各自存在的问题.在此基础上,提出了一种新的实验室测定气体水含量的方法.新方法基于浓硫酸较强的吸水性,气体在通过两个盛有浓硫酸的吸收瓶时浓硫酸将其携带的水分全部吸收,两个吸收瓶质量增加之和即为气体中的水含量.实验结果表明:当浓硫酸所吸收水分的累积量小于10%时,对测定结果不产生影响;在气体流量小于38L/h、温度从室温至70℃的条件下,新方法最大相对误差为0.8%,不同温度下的平均误差小于0.6%.该方法具有简单、方便、准确、快速的特点.     

井下节流气井的井底压力确定新方法

针对气井压力计测试方法测取节流器以下井段压力存在困难,回声仪测压方法有时测不准液面等问题,推导了具有节流效应影响的压力公式:由节流器上流油压与套压的变化关系,计算出积液深度,再从油套环空采用井深迭代方法,得到一种新的计算井底压力的方法.通过气田现场应用表明:该方法与回声仪测压方法的静压平均相对误差小于2%,流压平均相对误差小于6%;与压力计测试方法的静压和流压平均相对误差分别小于9%和4%.该方法能比较方便和准确地得到气井井底压力,是气田动态监测的一种可靠手段.     

单喷嘴喷雾冷却旋转圆筒的换热特性实验研究

采用单喷嘴喷雾冷却的换热方式来研究旋转圆筒的换热特性。通过设置不同的参数,观察圆筒外壁的温度分布及变化规律,并计算物料的热流密度。实验结果表明,物料到筒外壁之间的热阻会对换热过程产生严重的制约;未喷雾时,外壁面温度达到物料的30%,而喷雾时,达到11%。随着物料温度的升高,外壁平均温度会显著升高,物料的热流密度增长幅度也会逐渐的增大;并且温度越高,喷雾冷却的优势越明显。圆筒转速对温度的分布会产生一定的影响,转速越高,温度分布越均匀,热流密度也会有所提升;当提升1 r/min时,热流密度提高不到1%;喷雾流量对换热效果的影响较大,热流密度随流量的增大而增大,但增长速率会逐渐减缓。     

PDMS复合膜水中脱除乙醇渗透汽化传质过程分析

对聚二甲基硅氧烷（PDMS）/聚砜（PS）复合膜从低浓度乙醇水溶液中脱除乙醇的渗透汽化过程进行了研究。考察了操作温度、料液浓度及流速对渗透通量的影响,并对其传质过程进行分析。结果表明,乙醇渗透通量随料液温度、浓度及流速的增加而增大;利用Wilson图解法确定膜阻,并计算液相传质系数,进而获得传质准数关联式;在此传质过程中,液膜阻力占总阻力50%以上,表明液膜阻力对该渗透汽化过程有较大影响。     

高效液相色谱法测定葡萄酒中人工合成色素

建立了葡萄酒中柠檬黄、苋菜红、胭脂红、日落黄含量的高效液相色谱法测定方法.采用ODS-Cl8色谱柱,甲醇和0.02 mol/L乙酸铵的水溶液为流动相进行梯度洗脱,流速为0.8 mL/min,采用紫外检测器,检测波长为470 nm.该方法测定结果的相对标准偏差小于3%(n=6),平均回收率大于95%.     

均匀剪切稳定分层流动中湍流特性的数值研究

采用大涡模拟的方法,研究了均匀剪切稳定分层流动.主要对不同梯度Richardson数下湍流动量和标量输运特性进行分析研究.结果表明:随着梯度Richardson数的增大,湍流动能减小,湍流势能增大；垂向热通量和雷诺应力减弱,流向热通量增强；并且在强分层情况下,存在动量和热量的逆梯度输运现象.