质子交换膜燃料电池三种流场结构的性能研究

平行、交指和蛇形是质子交换膜燃料电池最常用的三种流场结构,为研究三者性能差异,利用CFD技术建模进行仿真分析,在反应气体均充足的条件下,对比三种流场燃料电池的氢气摩尔浓度、流道压降、催化层温度、水摩尔浓度的分布和极化曲线。结果表明,蛇形流场性能最优,交指流场其次,平行流场最差。尽管蛇形流场压降最大,但其催化层中温度最高,阳极氢气分布和阴极水浓度分布也最均匀,且其性能优势在高电流密度下更为突出。

交指状流场质子交换膜燃料电池的数值分析

为研究流场结构设计对电池内的流动、组分传递和电池性能等的影响,建立了一个稳态的三维非等温质子交换膜燃料电池数学模型,应用此模型对一个交指状流场设计的电池单体(电极面积为6.4 cm×6.5 cm)进行了数值研究.数值计算得到了电池的温度、组分质量浓度和局部电流密度等的空间分布,分析了不同电池反应物湿度等对电池特性的影响.结果表明,受传质的影响,沟道下方阴极催化层的温度大于相应沟脊下方的区域;与饱和气流进气的基本工况相比,降低阴极的进气湿度能提高电池的性能,而降低阳极的进气湿度则会导致电池性能的下降.

交指状流场质子交换膜燃料电池的流动特性

不同流场构型对质子交换膜燃料电池的流动特性和电池效率有重要的影响,因此流场的设计和理论研究是质子交换膜燃料电池研究的重要课题。发展了一个基于计算流体力学的稳态的三维数学模型,应用建立的模型对一个交指状流场设计的质子交换膜燃料单电池进行了数值研究,电池的电极面积大小为6.4×6.5cm2,计算得到了电池的流场、局部电流密度和组分浓度等的空间分布,分析了其流动特性和传输机理。

进气速度对交指HT-PEM燃料电池性能的影响

目的研究高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池在不同进气速度下的性能差异.方法改进一个耦合气体流道和气体扩散层的三维、两相、多组分HT-PEM燃料电池模型,考虑4种进气速度对燃料电池性能的影响.结果提高反应气体进入流道的速度,可以改善流道中反应气体浓度分布,使反应气体更加均匀地分布在流道中.在温度为453.15 K的交指流场中,氧气的进气速度为1.6 m/s,氢气的进气速度4 m/s为最优进气速度.结论 PEM燃料电池性能在不断的改善,交指流场中氧气浓度分布更加均匀,进出口的压力差足够排除生成物,膜电流密度分布的更加均匀.

质子交换膜燃料电池性能影响因素的数值分析

为研究交指流场质子交换膜燃料电池的输出性能,分析影响其性能的因素,寻找改善其性能的可行措施,探讨了使用交指流场流道的必要性和优越性,建立了包括质子交换膜燃料电池阴极/阳极侧流道、扩散层和催化层以及质子交换膜在内的完整的稳态、三维、两相数学模型.基于计算流体力学方法,用该模型对交指流场质子交换膜燃料电池的全流场进行了统一的数值计算以模拟其输出性能,分析了流场流型、氧化剂种类、反应气体进气速度、质子交换膜厚度和双极板筋宽对质子交换膜燃料电池输出性能的影响,确定了提高质子交换膜燃料电池输出性能的一些方法.将理论模型的模拟计算结果与实验结果进行比较,两者较为吻合.

阳极和阴极流场组合对直接甲醇燃料电池性能的影响

采用蛇形、平行和交指流场分别作为阳极和阴极流场,考察了其对直接甲醇燃料电池(DMFC)性能的影响。结果表明,对于阳极流场,蛇形流场因其更易于排除CO2气泡而性能最好,而平行和交指流场中则出现了CO2气泡堵塞流道的现象,影响了甲醇的传输,性能较差。对于阴极流场,平行流场下半部分流道出现了'水淹'现象,影响了氧气的传输,性能较差。蛇形和交指流场均能顺利排除水滴,性能比平行流场的好;交指流场能保证氧气的充足供应,高电流密度时比蛇形流场的电池性能好。蛇形流场作为阳极流场以及交指流场作为阴极流场将是电池性能较好的流场组合形式之一。

微小型质子交换膜燃料电池性能测试分析

微小型质子交换膜燃料电池(mPEMFC)在便携式电子设备、便携式军用设备等领域有着广泛的应用前景。搭建了微小型燃料电池性能测试平台,对三种极板流场的微小型PEMFC性能进行比较,并研究了不同的运行参数对交指流场微小型PEMFC性能的影响。实验结果表明,交指流场的微小型PEMFC性能最佳,蛇形流场次之,平行流场最差,交指流场的微小型PEMFC的性能受其电池温度和加湿温度影响较大,性能随气压升高而稍有提高。实验结果对提高微小型PEMFC的性能有一定参考价值,有利于微小型PEMFC在生活中的推广应用。

质子交换膜燃料电池阴极扩散特性的数值分析

针对交指型质子交换膜燃料电池阴极,采用通用Darcy定律来描述多孔介质内的流体流动,建立一个二维的稳态的多组分的传输模型.通过求解模型,得到电极内的压力、速度、质量分数分布,并讨论进、出口之间压差、电极厚度和电极肋条宽度的改变对电池性能的影响.结果表明:随着进、出口之间压差的增加,电流密度是增大的,但是增大的幅度是逐渐降低的;电极厚度存在一个最优值,该值依赖于电极结构和气体分配器的设计参数;采用窄的电极肋条有利于提高电池的性能.

质子交换膜燃料电池阴极传质过程的数值模拟

利用CFD方法对采用交指型流道质子交换膜燃料电池阴极的传质过程进行数值模拟,得到了阴极扩散层内氧气和水蒸汽质量浓度的分布特性,探讨了电池结构参数和操作条件对电池性能的影响。

不同流道质子交换膜燃料电池内传质过程的数值模拟

对采用交指型流场的质子交换膜燃料电池阴极建立了二维数学模型,利用计算流体力学的方法,模拟和研究了质子交换膜燃料电池阴极内的流动和传质过程。分别探讨了采用交指型流场和平行流场时气体在阴极扩散层中的传递机制及各组分浓度分布的特性,为燃料电池流场的设计与分析提供了参考依据。

基于树状分形流场的PEMFC传质性能分析

双极板的设计和其流场几何形状对质子交换膜燃料(PEMFC)电池的工作性能有着直接的影响。改进流场形状对电池的功率密度,反应物的运输起着重要的作用。将树状分形引入交指形流场的设计,通过对比分析,得出基于树状分形的交指形流场的质子交换膜燃料电池功率密度比交指流场的高了36.7%,并在一定范围内提高了氢气的利用率和质子交换膜的水含量。

交指型阴极流场的微生物燃料电池性能

本文采用多碘离子(I_3^-)作为阴极电子受体,实验比较了传统"H"型微生物燃料电池(MFC)和带交指型阴极流场的MFC(IMFC)的性能。结果表明,与"H"型MFC相比,IMFC在启动后具有较高的工作电压和最大功率密度。这主要是由于IMFC具有较小的电池内阻和较佳的传质特性所致。IMFC最大产电功率密度低浓度范围内随阴极电子受体的浓度的增加而增加,几乎不受阴极水力停留时间的影响。