质子交换膜燃料电池五边形挡板流场结构优化与性能改进

为有效提高燃料电池(fuel cell,FC)的性能,提出一种在阴极处具有五边形挡板的新型流场(flow field,FF)设计。为了解五边形挡板的加入对FC内部传质过程的影响,开发了一个三维、多相、非等温稳态模型,将多孔层结构引起的各向异性传输性质和催化层实际团聚体结构的非均质特性耦合到模型中,研究了挡板高度变化时FC性能的变化。结果表明,五边形挡板增强了流道的传质性能与气体分布均匀性。随着挡板高度增加,流道的传质性能、排水性能以及气体分布均匀性增加,高度100%(H100)的挡板由于与气体扩散层直接接触,堵塞了排水通道,因此其保水性能最好。在相对湿度为50%情况下,H100的FF结构具有最大的净功率密度,与原始FF(H0)相比,净功率密度增加17.778%。

燃料电池模型多尺度参数双代价函数的全局灵敏度分析

质子交换膜燃料电池半经验模型存在较多未知经验参数,且其尺度和取值范围均相差较大,在全局灵敏度分析中局部高灵敏度信息易丢失,从而导致结果存在偏差。为此,构造了互为倒数的双代价函数。在原代价函数基础上计算全域内经验参数与响应误差的相关性,利用Sobol方法均匀采样进行首次全局灵敏度分析,筛选整个取值范围内高灵敏度(即影响收敛速度)参数;进而利用倒数代价函数放大局部区域的误差相关性,对于剩余全域不敏感参数,进行倒数代价函数的再次全局灵敏度分析,筛选出局部取值范围内高灵敏度(即影响收敛精度)参数。从而提高了多尺度多局域高灵敏参数识别能力。分析结果证明了所得高灵敏度参数辨识后模型的响应误差与全参数辨识的结果一致,可节省约60%的计算成本。该方法的适用性和准确性在电堆实验中均得到了有效验证。

燃料电池气体扩散层纤维孔隙特性对液态水传输的影响分析

质子交换膜燃料电池气体扩散层(GDL)内部纤维孔隙特性对GDL液态水传递能力,以至电池的性能和寿命都有重要影响。本文中基于流体体积法建立了能捕捉液态水穿过GDL纤维孔隙运动行为的气液两相模型,分析了GDL纤维的孔隙率、形状、间距纵横比和接触角对GDL内液态水传递的影响。结果表明,GDL纤维间距的纵横比通过影响横、纵向的毛细力来决定液态水的运动方向,沿纵向增大接触角能加速液态水的爬升,从而明显提升GDL的排水能力。

多孔层的孔隙特性和各向异性对燃料电池瞬态性能的影响

燃料电池(Fuelcell,FC)与外部环境之间的传热和多孔层的传质均会影响FC内的水热气电状态,进而影响到催化层的电化学反应速率,从而显著影响其瞬态性能(Transient performance, TSP)。多孔层的孔隙特性和各向异性是影响其传热传质能力的关键因素,充分认识其对FC-TSP的影响规律,对于优化车载FC动力源的负载响应有重要意义。为此,综合考虑FC与外部环境动态热交换,内部水热气电等各物理性质的空间动态分布以及气、液和溶解相等多相时变转化关系,建立FC多相三维瞬态传质传热数值模型,以分析多孔层非均质性质对动态过程的影响。进一步,以电流密度的阶跃变化模拟动态负载,分析FC的电压,膜的水含量和温度,微孔层|催化层界面的氧浓度。结果表明,多孔层的孔径大小和分布及各向异性对FC的TSP有明显影响。另外,不同热条件对FC的内部物理量分布的影响较对TSP的影响更为显著。