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耦合光热发电储热-有机朗肯循环的先进绝热压缩空气储能系统热力学分析 被引量:2
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作者 尹航 王强 +4 位作者 朱佳华 廖志荣 张子楠 徐二树 徐超 《储能科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期3749-3760,共12页
先进绝热压缩空气储能是一种储能规模大、对环境无污染的储能方式。为了提高储能系统效率,本工作提出了一种耦合光热发电储热-有机朗肯循环的先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES+CSP+ORC)。该系统中光热发电储热用来解决先进绝热压缩空... 先进绝热压缩空气储能是一种储能规模大、对环境无污染的储能方式。为了提高储能系统效率,本工作提出了一种耦合光热发电储热-有机朗肯循环的先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES+CSP+ORC)。该系统中光热发电储热用来解决先进绝热压缩空气储能系统压缩热有限的问题,而有机朗肯循环发电系统中的中低温余热发电来进一步提升储能效率。本工作首先在Aspen Plus软件上搭建了该耦合系统的热力学仿真模型,随后本工作研究并对比两种聚光太阳能储热介质对系统性能的影响,研究结果表明,导热油和太阳盐相比,使用太阳盐为聚光太阳能储热介质的系统性能更好,储能效率达到了115.9%,往返效率达到了68.2%,[火用]效率达到了76.8%,储电折合转化系数达到了92.8%,储能密度达到了5.53 kWh/m^(3)。此外,本研究还发现低环境温度、高空气汽轮机入口温度及高空气汽轮机入口压力有利于系统储能性能的提高。 展开更多
关键词 先进绝热压缩空气储能 聚光太阳能辅热 有机朗肯循环 热力学模型 [火用]分析
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面向火电厂改造的熔盐卡诺电池储能系统仿真研究 被引量:1
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作者 韩瑞 廖志荣 +2 位作者 于博旭 徐超 巨星 《储能科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期3605-3615,共11页
熔盐卡诺电池储能系统将火电厂与储能技术耦合,是实现机组灵活改造的有效途径。该系统可采用新能源场站弃电或者电网低谷电直接或者通过热泵循环间接加热熔盐,将电能转化为高温热能存储,而后高温熔盐和锅炉共同作为热源来驱动汽轮机发电... 熔盐卡诺电池储能系统将火电厂与储能技术耦合,是实现机组灵活改造的有效途径。该系统可采用新能源场站弃电或者电网低谷电直接或者通过热泵循环间接加热熔盐,将电能转化为高温热能存储,而后高温熔盐和锅炉共同作为热源来驱动汽轮机发电,从而达到减少煤炭使用甚至替代锅炉的目的。为探究部件参数变化对火电厂改造的熔盐卡诺电池储能系统的效率影响规律,本工作首先在Aspen Plus平台中搭建了热泵循环、熔盐蒸发器以及典型600 MW亚临界燃煤机组等模块构成的熔盐卡诺电池储能系统热力学模型。其次,分析了热泵的循环工质、有/无回热以及部件关键参数对热泵制热效率及系统储能特性的影响规律。最后,比较了直接电加热和利用热泵循环加热熔盐的两种不同电转热形式的储能系统变工况效率。研究结果表明,有回热系统的热泵制热系数和储能系统往返效率均高于无回热系统;对于有回热系统,氩气作为热泵循环工质的回热器热负荷最低,然而氮气作为热泵循环工质时,储能系统的往返效率最高。在冷源温度67℃、等熵效率0.9和机械效率1.0时,储能系统额定工况的往返效率可达61.46%。此外,在额定工况下,采用热泵的储能系统相比于直接电加热的系统往返效率提高了45.16%。本研究可为火电厂改造的熔盐卡诺电池储能系统的设计和分析提供理论指导。 展开更多
关键词 卡诺电池 火电厂改造 系统效率 熔盐储热 数值模拟
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锂离子电池结合棋盘拓扑分流结构的浸没冷却热管理研究 被引量:4
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作者 刘倩 石千磊 +3 位作者 李凯璇 徐超 廖志荣 巨星 《发电技术》 2021年第2期218-229,共12页
针对动力电池热管理的问题,对18650圆柱型锂离子电池阵列的新型液冷结构及其冷却效果展开研究。提出棋盘拓扑分流结构的浸没式冷却方法,结合锂离子电池自身形状和阵列排布的特点,基于电池阵列本体形成一种简单合理的浸没式冷却拓扑结构... 针对动力电池热管理的问题,对18650圆柱型锂离子电池阵列的新型液冷结构及其冷却效果展开研究。提出棋盘拓扑分流结构的浸没式冷却方法,结合锂离子电池自身形状和阵列排布的特点,基于电池阵列本体形成一种简单合理的浸没式冷却拓扑结构。在此新型冷却结构的设计下,进一步建立电池阵列的单体模型和模组模型,通过数值模拟方法对单体模型和模组模型在各个时刻的温度分布情况进行分析,验证了以单体模型代替模组模型的可行性。在确保单体模型计算准确性的基础上,对冷却液流道的出入口布置进行数值模拟,结果表明:流道出入口同侧布置与异侧布置具有几乎相同的出入口压降,但流道出入口同侧布置的冷却效果优于异侧布置,且随着电池生热量的增大和生热时间的增加,同侧出入口布置的优势更加明显。 展开更多
关键词 锂离子电池 热管理 歧管 浸没冷却 数值模拟
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非均匀翅片对级联相变储热系统热性能强化的研究 被引量:4
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作者 廖志荣 李朋达 +2 位作者 田紫芊 徐超 魏高升 《发电技术》 2022年第1期83-91,共9页
级联相变储热是一种具有重要商业前景的相变储热技术。利用数值模拟方法研究了一种采用非均匀翅片布置进行强化传热的级联相变储热系统,分析了各级相变储热模块采用均匀翅片数量和均匀翅片高度布置对系统的强化作用,进而研究了各级模块... 级联相变储热是一种具有重要商业前景的相变储热技术。利用数值模拟方法研究了一种采用非均匀翅片布置进行强化传热的级联相变储热系统,分析了各级相变储热模块采用均匀翅片数量和均匀翅片高度布置对系统的强化作用,进而研究了各级模块采用非均匀翅片数量和非均匀翅片高度布置下系统的充/放热性能。研究结果表明:相比于各级采用均匀翅片数量布置,采用非均匀翅片数量布置的级联相变储热系统可缩短完全熔化及凝固总时间约5.2%,同时提高系统充热平均功率约12.6%;采用非均匀翅片高度布置可略微缩短系统完全熔化及凝固总时间,但对系统充/放热平均功率影响较小。研究结果对级联相变储热系统的强化传热具有一定理论指导价值。 展开更多
关键词 太阳能热发电 级联相变储热(CLH-TES) 相变材料(PCM) 强化传热 非均匀翅片 数值模拟
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Experimental Study on the Molten Salt at Micron Scale during the Melting Process
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作者 TIAN Ziqian liao zhirong +3 位作者 XU Chao FANG Yongzhe JIANG Kaijun YUAN Mengdi 《Journal of Thermal Science》 SCIE EI CSCD 2024年第1期70-85,共16页
The investigation of the melting behaviors of the molten salt at micron scale during the melting process is critical for explaining the solid-liquid phase transition mechanism.In this paper,a novel experimental system... The investigation of the melting behaviors of the molten salt at micron scale during the melting process is critical for explaining the solid-liquid phase transition mechanism.In this paper,a novel experimental system and analysis method were proposed to study the melting process with three heating rates in the range of1-10℃/min of the solar salt at micron scale.The solid-liquid boundary morphology and phase transition kinetics of molten salt particles were focused on.Meanwhile,the correlations between liquid fraction,temperature and time under different heating rates were studied.The solid-liquid boundary morphology was depicted by the visualized experimental set-up,and the instantaneous liquid volume fraction during the non-isothermal phase transition was obtained.Then,the correlation between temperature and liquid volume fraction was proposed to reveal the evolution of the solid-liquid boundary with temperature at different heating rates.Furthermore,the non-isothermal phase transition kinetic equation was established by introducing a constant parameter(V_(a,b)),and more kinetic parameters such as 1g V_(a,b) and-lg V_(a,b)/b were studied.The results showed that the exponent b is not sensitive to the heating rate with a range of 3-5 for solar salt particles.However,the heating rate influences the value of V_(a,b) and presents a positive relationship.Besides,the non-isothermal phase transition kinetic equations at different heating rates in the range of 1-10℃/min can be quickly predicted by the proposed improved experimental test method.This study could fill the research insufficiency and provide significant guidance for future research on the solid-liquid transition mechanism of molten salts at micron scale. 展开更多
关键词 molten salt non-isothermal phase transition solid-liquid boundary morphology liquid volume fraction micron scale melting process
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基于可逆热致变色的动态体吸收太阳能光热存储相变材料 被引量:2
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作者 袁梦迪 刘陈煦 +3 位作者 徐超 廖志荣 叶锋 刘顺凯 《中国科学:技术科学》 EI CSCD 北大核心 2023年第3期341-352,共12页
相变材料(phase change material,PCM)有望解决热能储存和热管理等方面的问题.然而,随着瞬态熔体前沿远离热源,其能量密度和功率密度逐渐降低.在太阳能直接热利用过程中,传统充热的完成完全依赖于PCM本身的热扩散过程,低热导限制了PCM... 相变材料(phase change material,PCM)有望解决热能储存和热管理等方面的问题.然而,随着瞬态熔体前沿远离热源,其能量密度和功率密度逐渐降低.在太阳能直接热利用过程中,传统充热的完成完全依赖于PCM本身的热扩散过程,低热导限制了PCM的充热速率.本文提出了基于可逆热致变色特性的动态相变材料(dynamic phase change material,Dyn PCM),可以自动控制光热界面位移紧跟熔体前沿,使相变材料在光热转换中的充热速率不受材料自身热导率限制.Dyn PCM由热致变色剂和主体PCM两部分组成,热致变色剂以2-苯氨基-3-甲基6-二丁氨基荧烷作为供电子体,2,2-双(4-羟苯基)丙烷作为受电子体及4-苄氧基苯基乙基葵酸酯作为溶剂成功实现无色-黑色的变换.主体PCM以石蜡为例,其中含83.3 wt.%石蜡含量的Dyn PCM_(5)潜热为154.38 kJ/kg,仅比石蜡降低6.6%,其透明态表现出与石蜡接近的透射率为91.2%.对比表明,Dyn PCM_(5)的充热速率比石蜡提升了260%.经80次循环后,Dyn PCM的基团未发生改变,充放热性能及透射率稳定性优异,仍具有良好的可逆的变色及充热能力.因此,本研究提出的热致变色复合Dyn PCM_(5)是一种有前景的太阳能储热材料,可进一步运用在太阳能直接吸热过程中. 展开更多
关键词 动态相变材料 熔体前沿 热致变色 相变储热 太阳能
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A novel preheating method for the Li-ion battery using supercooled phase change materials 被引量:4
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作者 FANG XuanYi NONG XinLu +1 位作者 liao zhirong XU Chao 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第1期193-203,共11页
The Li-ion battery is widely used in power tools, energy storage systems, and electric vehicles. In reality, battery thermal management is essential to control the battery temperature within a specific temperature ran... The Li-ion battery is widely used in power tools, energy storage systems, and electric vehicles. In reality, battery thermal management is essential to control the battery temperature within a specific temperature range. Although research has shown that preheating the battery at low temperatures on cold days can improve output performance significantly, few efforts have been made to study the preheating method in-depth. As a result, this research proposes two preheating designs for cylindrical batteries with supercooled phase change materials: Single-and dual-phase change material(PCM) designs. A mathematical model is developed to analyze the effect of the PCM layer’s height, thickness, and mass on the preheating effect for seven candidate PCMs with high supercooling degrees. Furthermore, the economic efficiency of the single-PCM design with different PCMs is compared. In addition, the optimal ratio of the PCMs’ height for the dual-PCM design is investigated. Eventually, the improvement of the battery’s output performance is discussed. The results reveal that the proposed designs can effectively preheat the battery with a temperature rise higher than 10°C. The single-PCM design using Li NO3·3H2O shows the best preheating ability, while CH3COONa·3H2O is the most economical. Although the dual-PCM design cannot outperform the single-PCM design, it can preheat the battery twice and show better flexibility. Compared with the battery without preheating, a 26650-format battery with the single-PCM design can prolong the operating time by 38.8 min and save the electric quantity by 2.1 A h;while they are by 42.8 min and 2.3 A h with the dual-PCM design. 展开更多
关键词 preheating method Li-ion battery phase change material SUPERCOOLING
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熔盐在凝固过程中的微米尺度实验及模拟研究
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作者 田紫芊 廖志荣 +1 位作者 徐超 江凯军 《中国科学:技术科学》 EI CSCD 北大核心 2023年第12期2090-2100,共11页
本文采用可视化实验和相场法数值模拟相结合的方法在微米尺度下研究了太阳盐凝固过程中固液相转变机理.实验研究发现,太阳盐颗粒凝固过程可划分为三个典型阶段,各阶段的相转变规律及固-液相边界形貌结构不同.此外,太阳盐凝固结晶过程是... 本文采用可视化实验和相场法数值模拟相结合的方法在微米尺度下研究了太阳盐凝固过程中固液相转变机理.实验研究发现,太阳盐颗粒凝固过程可划分为三个典型阶段,各阶段的相转变规律及固-液相边界形貌结构不同.此外,太阳盐凝固结晶过程是典型的枝状晶形貌,其初始结晶的位置较为随机,并显著影响了各个方向枝状晶的演变过程.当晶核位置靠近中心时,各个方向的主枝晶的增长较为一致,使得总体形貌呈现很好的对称性.在相场法模拟中,基于控制变量法探讨了各项异性模数j、无量纲潜热系数K和各项异性强度δ三个关键相场参数对枝状晶的影响.基于实验结果进行对比分析,进一步优化了模型参数,结果表明当K=2.4,j=9,δ=0.01时,数值模型可准确模拟实际太阳盐颗粒的晶体演变过程. 展开更多
关键词 可视化实验 微米尺度 太阳盐 凝固过程 枝状晶 相场法
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Numerical Investigation on the Effects of Design Parameters and Operating Conditions on the Electrochemical Performance of Proton Exchange Membrane Water Electrolysis
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作者 HASSAN Alamir H. WANG Xueye +1 位作者 liao zhirong Xu Chao 《Journal of Thermal Science》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第6期1989-2007,共19页
Proton exchange membrane electrolysis cell(PEMEC)is one of the most promising methods to produce hydrogen at high purity and low power consumption.In this study,a three-dimensional non-isothermal model is used to simu... Proton exchange membrane electrolysis cell(PEMEC)is one of the most promising methods to produce hydrogen at high purity and low power consumption.In this study,a three-dimensional non-isothermal model is used to simulate the cell performance of a typical PEMEC based on computational fluid dynamics(CFD)with the finite element method.Then,the model is used to investigate the distributions of current density,species concentration,and temperature at the membrane/catalyst(MEM/CL)interface.Also,the effects of operating conditions and design parameters on the polarization curve,specific electrical energy demand,and electrical cell efficiency are studied.The results show that the maximum distribution of current density,hydrogen concentration,oxygen concentration,and temperature occur beneath the core ribs and increase towards the channel outlet,while the maximum water concentration distribution happens under the channel and decreases towards the channel exit direction.The increase in gas diffusion layer(GDL)thickness reduces the uneven distribution of the contour at the MEM/CL interface.It is also found that increasing the operating temperature from 323 K to 363 K reduces the cell voltage and specific energy demand.The hydrogen ion diffusion degrades with increasing the cathode pressure,which increases the specific energy demand and reduces the electrical cell efficiency.Furthermore,increasing the thickness of the GDL and membrane rises the specific energy demand and lowers the electrical efficiency,but increasing GDL porosity reduces the specific electrical energy demand and improves the electrical cell efficiency;thus using a thin membrane and GDL is recommended. 展开更多
关键词 hydrogen production proton exchange membrane water electrolysis gas diffusion layer cell efficiency
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新一代太阳能热发电高温集热场光热力耦合设计方法研究 被引量:6
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作者 王志峰 廖志荣 张剑寒 《中国科学:技术科学》 EI CSCD 北大核心 2020年第10期1316-1328,共13页
以800℃太阳能吸热器和超临界二氧化碳发电机组为特征的新一代太阳能热发电技术因成本低的优势得到了欧盟、美国、澳大利亚和中国等的立项支持.高温太阳能集热场是太阳能热发电核心技术之一,对高温吸热器的安全性和效率极为重要.本文提... 以800℃太阳能吸热器和超临界二氧化碳发电机组为特征的新一代太阳能热发电技术因成本低的优势得到了欧盟、美国、澳大利亚和中国等的立项支持.高温太阳能集热场是太阳能热发电核心技术之一,对高温吸热器的安全性和效率极为重要.本文提出了以安全性和效率为目标,以吸热器许用能流密度为牵引,基于"光学-热学-力学"在电站设计点耦合分析的800℃高温集热场设计方法. 展开更多
关键词 新一代太阳能热发电 定日镜场 吸热器 耦合设计方法
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新型储能技术进展与挑战Ⅱ:物理储能与储热技术
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作者 巨星 徐超 +8 位作者 郝俊红 宋记锋 滕伟 田华军 赵海森 陈哲 王天虎 廖志荣 杜小泽 《太阳能》 2024年第8期48-58,共11页
新型储能技术日益成为中国建设新型能源体系和新型电力系统的关键技术,已成为中国经济发展的新动能,将在促进可再生能源消纳、实现能源体系转型、提高能源利用效率、减少环境污染等方面发挥重要作用,相关技术研究也在快速发展。开展了... 新型储能技术日益成为中国建设新型能源体系和新型电力系统的关键技术,已成为中国经济发展的新动能,将在促进可再生能源消纳、实现能源体系转型、提高能源利用效率、减少环境污染等方面发挥重要作用,相关技术研究也在快速发展。开展了该领域的系列评价性综述工作,分为电化学储能技术、物理储能与储热技术、储能集成与规划3个部分,对各类新型储能技术的应用领域、最新研究进展及局限性等问题进行了全面系统的对比分析,并进一步探讨了储能集成、安全、规划调度等储能系统相关领域面临的挑战及发展趋势。第2部分为物理储能与储热技术,重点对物理储能与储热技术中的压缩空气储能、飞轮储能、重力储能、相变储热、热化学储热和卡诺电池技术与工程的相关成果进行了综合分析与讨论。总体而言,物理储能和储热技术大多具有使用寿命长、安全性高的特点,且在能量转化过程中自身多具有转动惯量,属于电网支撑型的储能技术,可满足从大规模长时储能到高功率快速响应的不同需求。在新兴的物理储能和储热技术中,重力储能和卡诺电池的相关技术显示出良好的发展前景。 展开更多
关键词 储能技术 物理储能 压缩空气储能 飞轮储能 重力储能 相变储热 热化学储热 卡诺电池
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新型储能技术进展与挑战I:电化学储能技术
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作者 巨星 徐超 +8 位作者 郝俊红 宋记锋 滕伟 田华军 赵海森 陈哲 王天虎 廖志荣 杜小泽 《太阳能》 2024年第7期98-108,共11页
新型储能技术日益成为中国建设新型能源体系和新型电力系统的关键技术,已成为中国经济发展的新动能,将在促进可再生能源消纳、实现能源体系转型、提高能源利用效率、减少环境污染等方面发挥重要作用,相关技术研究也在快速发展。开展了... 新型储能技术日益成为中国建设新型能源体系和新型电力系统的关键技术,已成为中国经济发展的新动能,将在促进可再生能源消纳、实现能源体系转型、提高能源利用效率、减少环境污染等方面发挥重要作用,相关技术研究也在快速发展。开展了该领域的系列评价性综述工作,分为电化学储能技术、物理储能与储热技术、储能集成与规划3个部分,对各类新型储能技术的应用领域、最新研究进展及局限性等问题进行了全面系统的对比分析,并进一步探讨了储能集成、安全、规划调度等储能系统相关领域面临的挑战及发展趋势。第1部分为电化学储能技术,重点对锂离子电池、钠离子电池、液流电池、固态电池和水系电池的技术与工程的相关成果进行了综合分析与讨论。电化学储能技术具有灵活配置的特点,可以满足不同功率和能量的应用需求,锂离子电池技术的成熟度最高,在储能市场占有主体地位,未来进一步发展集中于系统集成和安全技术方面,以推进更大规模的商业化应用。其他一些尚处于基础研究阶段的电池技术也展现出了巨大的发展潜力,比如:固态电池具有更高的安全性,钠离子电池具有优越的低温性能,液流电池具有较长的循环寿命等。 展开更多
关键词 储能技术 电化学储能 锂离子电池 钠离子电池 液流电池 固态电池 水系电池
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Numerical investigation of water and temperature distributions in a proton exchange membrane electrolysis cell 被引量:3
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作者 WANG ZhiMing XU Chao +2 位作者 WANG XueYe liao zhirong DU XiaoZe 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第7期1555-1566,共12页
A three-dimensional, non-isothermal, two-phase model for a PEM water electrolysis cell(PEMEC) is established in this study.An effective connection between two-phase transport and performance in the PEMECs is built thr... A three-dimensional, non-isothermal, two-phase model for a PEM water electrolysis cell(PEMEC) is established in this study.An effective connection between two-phase transport and performance in the PEMECs is built through coupling the liquid water saturation and temperature in the charge conservation equation. The distributions of liquid water and temperature with different operating(voltage, temperature, inlet velocity) and physical(contact angle, and porosity of anode gas diffusion layer) parameters are examined and discussed in detail. The results show that the water and temperature distributions, which are affected by the operating and physical parameters, have a combined effect on the cell performance. The effects of various parameters on the PEMEC are of interaction and restricted mutually. As the voltage increases, the priority factor caused by the change of inlet water velocity changes from the liquid water saturation increase to the temperature drop in the anode catalyst layer. While the priority influence factor caused by the contact angle and porosity of anode gas diffusion layer is the liquid water saturation. Decreasing the contact angle or/and increasing the porosity can improve the PEMEC performance especially at the high voltage. The results can provide a better understanding of the effect of heat and mass transfer and the foundation for optimization design. 展开更多
关键词 proton exchange membrane electrolysis cell two-phase model liquid water saturation flow rate temperature distribution
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Three-dimensional multiphase modeling of a proton exchange membrane electrolysis cell with a new interdigitated-jet hole flow field 被引量:1
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作者 WANG XueYe WANG ZhiMing +4 位作者 FENG YuanCheng XU Chao CHEN ZhiChao liao zhirong JU Xing 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第5期1179-1192,共14页
The flow field structure on the bipolar plate significantly affects the performance of the proton exchange membrane electrolysis cell(PEMEC).This paper proposes a new interdigitated-jet hole flow field(JHFF)design to ... The flow field structure on the bipolar plate significantly affects the performance of the proton exchange membrane electrolysis cell(PEMEC).This paper proposes a new interdigitated-jet hole flow field(JHFF)design to improve the uniformities of liquid saturation,temperature,and current density distributions.The common single-path serpentine flow field(SSFF)and interdigitated flow field(IFF)are used as comparative references to constitute three PEMEC cases.An advanced numerical model has been established to simulate the performance of the PEMEC using CFD software.The results show that,due to the perpendicular mainstream and the pressure difference,the JHFF enhances the mass and heat transfer inside the porous electrode by introducing strong forced convection,which promotes gas removal underneath the ribs and cooling.Compared with the comparative flow fields,the uniformities of liquid saturation,temperature,and current density distributions by using the JHFF at the anode side are increased by 19.1%,53.2%,and 40.4%,respectively.Further,mainly owing to the largest conductive area,the PEMEC with the JHFF has superior polarization performance,which is 8.05%higher than the PEMEC with the SSFF. 展开更多
关键词 proton exchange membrane electrolysis cell interdigitated-jet hole flow field mass transfer uniform distributions polarization performance
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