质子交换膜燃料电池强化传质

传质问题制约着燃料电池性能的提高。通过理论分析、Fluent模拟,针对质子交换膜燃料电池流道中加凸台和电极扩散层开孔两种方法,分别研究其对强化电池内部传质的效果。结果表明,上述两种方式均能有效强化电池内部传质,提高电池性能。但是加凸台增加了风机的寄生功率,综合性能提升不显著。     

水力喷射空气旋流器分离空间结构对气液传质性能的影响

水力喷射空气旋流器(WSA)是一种利用液体射流在气体旋流场中雾化强化气液传质的新型传质设备, 可广泛用于废水、废气处理等环境工程过程中。为了优化水力喷射空气旋流器的分离空间结构, 本文通过废水氨氮吹脱实验对柱锥结合形WSA和柱形WSA分别进行了气液传质性能研究。研究结果表明, 分离空间结构对水力喷射空气旋流器的气液传质性能存在影响。在相同工作条件下, 与柱形WSA相比, 柱锥结合形WSA具有更好的气液传质性能和略高的气相压降, 后者吹脱氨的体积传质系数提高了约8%, 主要原因在于柱锥结合形WSA内部具有更好的射旋流耦合雾化作用和离心超重力强化传质的综合效果, 使得两相比传质面积增大, 传质效率增高。研究结果可为设计传质性能良好的WSA提供设计依据。     

自呼吸式直接甲醇燃料电池性能及其传质特性

针对有效面积为1 cm2的自呼吸式直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell,DMFC）单电池,阳极采用燃料罐供液,将阴极侧集流体和夹具设计为一体式结构,并用自制的七合一膜电极组件对其进行测试,讨论了催化剂类型、扩散层材料、集流体结构等因素对其性能的影响,分析了电池内部的传质特性,优化了电池特别是其在中高电流密度条件下的性能。实验结果表明：采用Pt黑、Pt-Ru黑催化剂制作的自呼吸式DMFC能强化反应物的传质;采用碳布制作的膜电极更倾向于获得更高的极限电流密度;低电流密度时,因甲醇渗透电池电压随着甲醇浓度的增加而降低,但在中高电流密度下,电池性能随甲醇浓度的增大先升高后降低;平行集流体有利于阴阳极生成物的排出和反应物的传质,因此易获得较高的电池性能。     

空气自呼吸式直接甲醇燃料电池传输特性数值研究

针对空气自呼吸式直接甲醇燃料电池（DMFC）建立了二维两相非等温的传质模型,通过自编程序模拟了电池内的传热、传质和电化学反应过程。并基于此模型研究了主要的操作参数,包括甲醇进口温度、环境中空气的温度、甲醇进口浓度,及对电池性能的影响。研究表明甲醇溶液的进口温度和环境温度上升都会使电池的性能得到提高,其中甲醇溶液的进口温度对电池性能的影响更大;当甲醇进口浓度提高后,在大电流密度下电池的性能得到了显著的提高。     

基于电-化-热耦合关系NH3-SOFC数值模拟

为探究高温工作状态下的电池内部运行情况，对固体氧化物燃料电池(SOFC)电化学性能及传热传质分布情况进行有效分析，利用COMSOL Multiphysics软件，结合电池内气体扩散、浓物质传递、热量传递和电极中二次电流密度构建多物理场模型，研究了NH₃-SOFC中的传热传质、化学和电化学反应特性。结果表明：燃料为氨气时，提高电池工作温度有利于提高电池输出功率，当1 073.2 K工作温度继续提高时，最大功率和电流密度增长速度降低；NH₃-SOFC与H₂-SOFC输出性能相近。进一步探究了温度和反应物进气摩尔分数对NH₃-SOFC性能影响。发现入口氨气摩尔分数自0.7提升至1时，电池性能得到明显提高；而氧气摩尔分数高于0.2时，其对电池性能影响较小，空气可作为电池阴极气体使用。     

3D打印微生物燃料电池阳极及其性能特性

微生物燃料电池是一种处理废水同时产生电能的新型装置，阳极作为微生物燃料电池的重要组件极大地影响电池性能。针对微生物燃料电池传统三维电极结构不合理导致电极内部物质传输受限，电池功率密度较低的问题，本文采用3D打印技术并碳化的方式构建了结构可控的微生物燃料电池阳极，通过热重分析得到合适的碳化条件，并通过进一步的电化学分析和电极微观形貌拍摄研究了电极内部孔道结构对微生物生长情况和电池性能的影响。实验结果表明：电极孔径尺寸为0.4mm时，电池具有最优性能，其最大功率密度达12.85W/m²，比采用碳布阳极的MFC提升10倍，较采用碳毡阳极的燃料电池高38%；具有可控孔道结构电极的传荷阻抗和传质阻抗是限制电极性能的主要因素，通过优化孔道尺寸和结构分布可降低其传荷及传质阻抗，可以进一步提升电池性能。     

多孔介质泡沫材料在蒸馏过程中的应用

按气、液两相在多孔介质中不同的流动与接触方式,将应用于蒸馏过程强化的多孔介质传质元件分为三大类进行了系统的介绍,即气/液两相均在多孔介质内部流动的气液逆流接触方式、气相在多孔介质内部流动/液相在多孔介质表面流动的气液错流接触方式以及液相在多孔介质内部流动/气相在多孔介质表面流动的气液逆流接触方式。详细阐述了本课题组对各类多孔介质传质元件的研究思路与历程,总结其流体力学和传质性能与相应传统传质元件相比的优缺点,进而指出了多孔介质泡沫材料强化传质过程的作用机理是其能在蒸馏过程中得以多元化应用所亟待解决的关键科学问题。     

底部挡板与进气位置对水力喷射空气旋流器传质性能的影响

水力喷射空气旋流器(water-sparged aerocyclone,WSA)是一种利用液体射流在气体旋流场中雾化强化气液传质的新型传质设备,可广泛用于废水、废气处理等环境工程中。为了改进水力喷射空气旋流器结构,提高其气液传质性能,本文通过废水氨氮吹脱实验研究了进气口轴向位置以及底部挡板的设置对气液传质性能的影响。实验结果表明,进气位置与底部挡板对水力喷射空气旋流器的气液传质性能存在影响。在相同工作条件下,气相进口沿轴向下移对WSA内气液传质性能作用较小,但能够使其气相压降降低约为10%。在WSA主筒体底部液封区域设置挡板,能够强化WSA底部气液两相的混合,进而提高低液相循环流量下WSA内的气液传质性能,且随进气速度的增加,其效果越显著,研究结果可为设计传质性能良好的WSA提供设计依据。     

全钒液流电池与质子交换膜燃料电池中可控的传热传质研究

简述了全钒液流电池和质子交换膜燃料电池系统中通过控制传热传质机理来提高电池系统性能的研究进展。在VRB中主要回顾了温度场、电极、质子交换膜、流场设计及外场对传热传质过程影响的相关研究。关于PEMFC主要介绍了温度、膜电极的有序化、流场设计及重力场对传热传质过程影响的相关研究。总结了这2类电池传热传质过程研究的主要方向,并展望了这2类电池的发展前景。     

二次流场促进高浓度颗粒污泥体系的传质效率

将提供特定流体动力条件(二次流)的SSBR反应器和普通向上流SBR反应器进行对比,试验分析氧传质性能、降解性能和颗粒污泥形态,研究高浓度颗粒污泥体系中,优化的流体动力条件-二次流对氧传质效率的影响以及由此引起的种群分布变化.结果表明,SSBR反应器的氧传质速度更快,稳定运行的SSBR反应器能维持更高的溶解氧,有利于提高颗粒污泥内部的溶解氧渗透能力,对颗粒污泥中心区域的营养供给充分,颗粒污泥内部微生物不易老化,有利于颗粒污泥体系的稳定和强化有机物的降解效率.     

质子交换膜燃料电池膜电极结构与设计研究进展

膜电极（MEA）为质子交换膜燃料电池（PEMFC）提供了电子、质子、反应气体和产物水等多相物质传递和电化学反应的重要场所。设计和制备具有优异特性的MEA对提高PEMFC的性能,降低制造成本,加快其商业化应用是至关重要的。本文首先对PEMFC的反应机理进行了分析,接着从气体扩散层（GDL）、催化层（CL）、质子交换膜构造（PEM）3个方面阐述各部件在MEA中的作用,归纳总结了各部件的制备方法、传热传质方式、仿真模型、构效关系以及优缺点,最后对影响MEA的各种因素进行了总结,并且结合目前涌现出的许多新兴技术对PEMFC的发展进行了展望。本综述对未来高性能、长寿命和低成本的MEA开发具有指导意义。     

杂质气体对质子交换膜燃料电池性能影响的研究进展

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）的商业化进程受到了其耐久性的严重制约。燃料气体中含有的微量CO、CO2、H2S和NH3等杂质以及空气中含有的NOx、SOx等污染物是影响PEMFC耐久性的最主要因素之一。本文综述了燃料气体杂质和空气污染物分别对PEMFC性能的影响及其机理,其中燃料中含的CO除了能影响PEMFC的阳极性能以外,还可能通过扩散传质过程对电池阴极性能造成影响;H2S不仅能对电池阳极性能造成严重的影响,也可能对电池阴极性能造成明显的破坏;而空气中的微量NOx会对PEMFC性能造成明显的影响,但NOx对电池性能的影响是一种可逆过程。最后指出对杂质气体影响PEMFC耐久性的研究需要将计算机模型和实际试验相结合,用模型数据指导实验的进行,同时有必要考虑杂质对PEMFC电堆性能的影响。     

微流道气-液两相流研究及其在PEMFC中的应用进展

微流道由于具有比表面积高、传质能力强等优点,已成功地应用于化工领域的多种气-液反应体系中。此外,其在化工领域中的研究成果还可以应用于目前备受关注的燃料电池领域以提高其电化学转化效率。然而,微流道尺度的微小化以及其中气-液两相流规律的复杂性使得微流道内的气-液两相流特性的阐明还需要进一步的研究,才能促使微流道在实际应用中发挥更优异的作用。本文从流型、压降和传质三个关键特征的研究角度来介绍微流道内气-液两相流的研究进展,简述了不同流型的特征及其形成条件,阐明了其对应的压降大小和传质能力的高低,回顾了现有的压降和传质系数的预测模型及其相应的优化措施,并分析了运用这三个关键特征的相关参数来优化质子交换膜燃料电池流场设计方面的研究进展,得到了流场类型、流道尺寸、流道形状、流道表面特性等的优化方案。但是,燃料电池中的精细流道的特殊结构及其特定工况使得其与传统的微流道有显著的区别。由此,本文提出了应当根据燃料电池精细流道的特点探明其中的两相流型、压降和传质的动态变化规律以及构建相应的压降预测模型的建议,以期为流场设计提供更准确的参考依据,进而提高燃料电池性能,加速燃料电池的商用进程。     

质子交换膜燃料电池仿真模型研究进展

质子交换膜燃料电池具有高效清洁等优势,是一种潜力巨大的绿色能源技术。数学模型作为一种合理可靠的工具,通过模拟电池内部的电化学传热传质过程,研究运行参数和结构参数对电池性能和寿命的影响,可以指导电池的优化设计。本文综述了近年来燃料电池催化层、气体扩散层和流道的研究模型,整理了各部件建模的影响因素和优化方法,以期对燃料电池建模以及电池各部件的优化设计起到参考作用。文中指出,考虑到现在仿真存在的局限性,未来主要研究方向为燃料电池系统研究与机理模型的结合、催化层微观结构的建模、非贵金属催化剂建模、气体扩散层衰减模型研究、大面积流道模型、三维模型温度分布研究以及全尺寸质子交换膜燃料电池模型的开发。     

低流速燃料电池重力辅助排水

实验研究了反应气体低流速下质子交换膜燃料电池内液滴自身重力对电池性能的影响。结果显示,自身重力有利于液滴脱离气体扩散层,使液态水有效排出电池堆。电池水平放置阴极向下时,液滴重力与其脱离气体扩散层方向一致,电池性能最佳;电池竖直放置时,液滴重力与气体将其吹扫出电池方向一致,其向外排水能力最强。反应气体流速较低时,电池在不同放置方式下,提高其温度,电池性能上升;电池竖直放置时,气体加湿对电池性能影响不大。电池测试时,应该避免电池阴极水平向上。     

阴、阳极加湿程度对PEMFC内部传质的影响

为了研究常规流场下阴、阳极增湿程度对电池内部水分布、传递、膜性能及水拖曳系数等的影响,对PEMFC进行二维建模,应用控制容积法对控制方程进行离散,然后求解,得到了电池内部水和反应气浓度、速度分布、膜中电流密度、电势分布及膜中水分布,考察了气体不同增湿程度对质子交换膜电导率及电池内部传质的影响.结果表明,PEMFC中水综合拖曳系数随着阳极加湿程度的增加而增大,随阴极增湿程度的增加而减小,但阳极增湿对水综合拖曳系数的影响比同增湿程度下阴极增湿对水综合拖曳系数的影响大得多.同时,随着阳极加湿程度的升高,质子交换膜（PEM）电导率急剧升高,而阴极加湿程度对PEM电导率的影响只是停留在较小的电流范围之内.故PEMFC在小电流密度工作时,应该使阳极气体充分增湿;而在大电流密度工作时,应该适当降低阳极的增湿程度以降低阴极两相流的机会,从而改善阴极的传质状况.     

Numerical investigation of the performance and transport phenomena of a proton‐exchange membrane fuel cell with a wavelike gas flow channel design

This article investigates the performance of a proton‐exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a novel wavelike gas flow channel. Numerical simulations have been performed to investigate the effect of the wavelike channel profile on the gas flow characteristics, temperature distribution, electrochemical reaction efficiency, and electrical performance. The simulation results show that compared to a conventional straight gas flow channel, the wavelike channel increases the fuel flow velocity, enhances the transport through the porous layer, and improves the temperature distribution. As a result, the PEMFC has improved fuel utilization efficiency and superior heat‐transfer characteristics. Furthermore, the results show that the wavelike gas flow channel yields a higher PEMFC output voltage and improves the maximum power density by approximately 32.5%. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci, 2009     

Applying Shape‐Controlled Pt Nano‐dendrites Supported on Carbon for Membrane‐Electrode Assembly in a Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Platinum nano‐dendrites of various sizes were applied as cathode catalysts in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The membrane electrode assembly (MEA) fabricated with Pt nano‐dendrites showed very high ORR activity at high potential ranges due to lower activation overpotential. But it showed the cell performance only comparable to commercial Pt/C due to Ohmic and mass transfer resistance at high current density ranges. These results demonstrate that both high intrinsic activity of the catalysts and the formation of three‐phase interface with efficient proton, electron, and mass transfer should be considered together when shape‐controlled metal nanoparticles are used as cathode catalysts in a PEMFC.     

THEORETICAL SIMULATION OF HIGHLY EFFECTIVE COOLING WITH AN EVAPORATING ANNULAR FLOW IN A VERTICAL TUBE

A new concept is proposed for the highly effective cooling of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) using the downward annular two-phase flow of high-speed air and subcooled water in a small vertical tube. Numerical simulations based on the two-phase flow boundary layer model are performed to investigate the heat and mass transfer characteristics of the annular flow with uniform heat flux at the tube wall. The coupled heat transfer due to evaporation and convection and the effects of various relevant parameters on the temperature profiles on the wall and of the gas core are studied. It is shown that annular two-phase flow of air and subcooled water in a small vertical tube can provide high heat transfer rate through the evaporation of the water film, while still maintaining low wall temperature. This cooling method is found to be encouraging for use in the highly effective cooling of PEMFC.