燃料电池在非对称加湿下性能分析

为了分析在非对称加湿下质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的性能,考虑了压力降并推导了饱和蒸汽压计算公式,提出了湿度(RH)模型。建立了三维几何模型,并且将RH模型嵌入Fluent软件进行仿真计算。搭建燃料电池测试系统,对PEMFCs进行阴阳极非对称加湿操作。结果表明,采用非对称加湿操作,更加灵活方便的达到燃料电池最优性能;采用RH模型的仿真与试验结果吻合,在75%ARH(阳极湿度)和100%CRH(阴极湿度)下,电流密度560mA/cm2时,仿真值和试验值几乎没有误差。

三种运行参数对PEMFC动态响应的数值分析

为了探究在电流阶跃变化中工作温度、相对湿度和背压等运行参数对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响,运用相对湿度和工作温度之间的耦合变化推导出了动态计算(DT)模型。该模型通过工作温度和相对湿度来阐述膜电极参数和PEMFC性能之间的特性关系,并分析在电流阶跃变化中这两种运行参数对质子交换膜(PEM)内水传递特性、输出电压和功率密度随时间变化的瞬态响应的差异。采用理论计算结合试验的方式,首先通过自定义函数(UDF)将DT模型导入到Fluent软件中进行计算并应用有限体积法进行求解;其次开展PEMFC动态负载性能测试,测量工作温度为50℃、60℃、70℃,背压为0、10 kPa,相对湿度为50%、75%、100%,同时改变电流负载(阶跃幅度为5 A)来实现PEMFC对电流阶跃动态响应的测试;最后通过极化曲线和I⁃P曲线对DT模型和试验数据进行比较分析。结果表明:实验数据与DT模型的仿真结果之间有很好的相关性;不对称加湿是影响功率密度的一个主导参数;阳极相对湿度决定了功率密度在发生阶跃电流后稳定运行的能力;PEM水含量与功率密度下冲幅度和响应时间有关。因此,工作温度为60℃、背压为10 kPa、阳极相对湿度为75%、阴极相对湿度为100%时,PEMFC的动态性能最佳。