质子交换膜水电解中气-液两相传输的模拟研究

两相传输是影响质子交换膜水电解系统性能的关键因素。为掌握质子交换膜水电解单元中多孔扩散层内气液两相传输规律,基于数值重构的三维多孔扩散层结构,采用格子Boltzmann两相流动模型模拟研究了扩散层内两相传输过程,详细分析了扩散层孔隙率和表面接触角对气泡传输与分布的影响。数值模拟结果表明:孔隙率减小会明显降低气体渗透率,从而导致气泡难以在扩散层内找到有效传输通道。接触角的增大不仅增加了气泡在界面堆积的风险,也减缓了气泡在孔隙内的传输速度。从孔隙尺度水平初步掌握了质子交换膜水电解单元多孔扩散层内两相传输规律,可为高性能水电解系统设计和优化提供理论支撑。

PEMFC梯度扩散层内两相传输特性的孔隙网络模拟

为了探究孔隙率的梯度化对气体扩散层内气液两相传输特性的影响,本文采用三维孔隙网络模型计算了不同孔隙率梯度值下扩散层内液相饱和度分布、气液相界面和氧气有效扩散率随液相饱和度的变化曲线,并从孔隙尺度水平对孔隙率梯度的作用机制进行探究。研究结果表明:引入孔隙率梯度能够显著地抑制液相水侵入气体扩散层,有利于气体的传输,且随着梯度化程度的增大,抑制能力增强。同时,随着梯度化的提高微孔层自身的干燥气体扩散率下降。因此,综合上述两者的作用,本文给出了最佳的孔隙率梯度值。

具有闭塞端阳极的燃料电池内液态水积聚研究

具有闭塞端的燃料电池阳极侧水的积聚是制约电池性能提高的关键难题。传统的宏观两相模型流道内普遍采用气液两相雾状流的假设,严重低估电池内水淹程度。文章采用毛细压力流道拓展模型,建立了二维、两相流、非等温数学模型,清晰地展示出二维空间的液态水传递和分布的特性,得到如下信息:沿流动方向液态水的饱和度不断升高,流道末端易发生水淹,阳极侧末端液态水的饱和度大于阴极侧。

基于Green函数法的太阳高能粒子行星际扩散过程模拟

统计分析了自1976-2017年期间记录到的217次SEP(Solar Energetic Particle)事件的日冕足点经度位置,其分布特征符合日冕横向分布的东西效应,同时基于两相传输模型及其Green函数解,对发生在不同日冕足点的四次SEP事件进行了模拟研究。模拟与观测结果表现一致,表明该模型能够较好地模拟发生在不同日冕足点的SEP事件。针对模型中多个传输参数开展的敏感性试验发现,SEP事件日冕足点经度位置能够影响观测结果的探测时间和峰值,而太阳风速对发生在不同日冕足点的事件具有不同影响机制;此外,日冕区扩散系数与SEP事件在日冕区的扩散过程相关,主要影响事件的强度峰值;行星际径向扩散系数的改变对于模拟结果的影响主要体现在峰值到达时间上,且由于SEP事件主要是在大尺度的行星际磁场中传播,行星际径向扩散系数对于模拟结果的影响最为显著,而表征粒子源释放时间尺度的逃逸时间对于模拟结果影响相对较小。

光伏发电制氢储能系统仿真及性能分析研究

本文构建了包括光伏发电设备、电解池、高压氢储罐以及燃料电池在内的光伏发电制氢储能系统仿真模型,并对系统内部气液两相传输以及能量传输效率进行了预测和分析。结果显示,随电流密度增加,电解池电极内液态水和氧气饱和度分别呈下降和上升趋势,最后趋于平衡。系统的发电量随光照辐射强度增加和环境温度下降而提高,太阳能整体利用效率在2%~4%之间。最后,以天津地区的气象参数为例,计算了系统的储氢量、发电量和能量转换效率。

PEM燃料电池毛细压力流道拓展模型

多孔电极与流道内的水淹现象是制约质子交换膜(PEM)燃料电池性能提高的关键难题。传统的宏观两相模型普遍存在液态水饱和度预测值偏低的不足,而流道内气液两相雾状流的假设则是低估水淹程度的一个主要原因。本文提出了反映流道壁面浸润差异性的毛细压力流道拓展模型,并对低气速下燃料电池内的传热传质进行了模拟。计算结果表明,该模型克服了原有模型对饱和度预测值偏低的不足,不仅反映了液相水分布的贴壁效应,同时还可以考虑流道壁面差异的影响。