重力扰动下液态金属电池内部的多场耦合特性分析

液态金属电池由于其低成本、长寿命的优异性能，有望成为面向电网的储能手段。然而，液态金属电池工作过程中存在多种流体不稳定性，外界的晃动等扰动则有可能加剧这些不稳定性对电池运行的影响，甚至导致液–液界面失稳与短路。为探究晃动对现有大容量液态金属电池的影响，该文建立综合考虑电化学反应、流体动力学、传热与传质的二维轴对称200Ah Li||Bi电池模型，采用不同放电倍率的放电电压数据完成模型验证，并在重力扰动下研究热致流动与磁致流动对电池内部传质及放电特性的影响，并探究不同电解质层厚度下的短路风险。研究表明，液态金属电池对重力扰动具有一定的鲁棒性，但在电解质厚度较小时具有较大的短路风险。     

被动式直接甲醇燃料电池运行温度特性

将电池阴极侧集流板和夹具合二为一,采用自制的七合一膜电极组件对被动式直接甲醇燃料电池进行测试,研究了开路电压稳定阶段、放电阶段和放电后电压稳定阶段过程中电池温度与室温之间温差的变化,以及电池恒电流放电时电流密度和甲醇溶液浓度对电池电压及温差的影响.研究表明:在开路电压稳定阶段加入燃料后,温差开始升高,低电流密度放电时,温差先升高后降低,放电结束后,温差急剧下降;相同浓度下,放电电流密度越高,温差越大;相同的放电电流密度下,温差随甲醇浓度的增大而升高.     

PEMFC阴极排水的研究

采用可视化方法研究了直条单流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极排水过程。通过分析流道首次液态排水时间和平均液态排水间隔时间的变化,研究了电流密度、增湿温度和气体流速等对阴极排水过程的影响。阴极气体非饱和增湿时,生成水以水蒸气和液态水两种方式排出,水蒸气排水为连续过程,液态排水为间歇过程。随着电流密度和相对湿度的提高,液态水的积累速度增加;随着气体流速的增大,生成的水以水蒸气方式排出的比例增大。     

空气自呼吸式直接甲醇燃料电池的温度特性

对空气自呼吸式(Air-breathing)直接甲醇燃料电池在开路状态下开路电压及电池温度与室温之间温差的变化,以及电流密度和甲醇溶液量对电池电压及温差的影响进行了实验研究。结果表明:放置时间达到30min,电池的各参数(开路电压、阳极温差、阴极温差、甲醇溶液温差)稳定,电池性能基本不变,便可以进行数据采集;为得到更准确的测量结果,可以适当地将放置时间增加到60min。电池温差随电流密度的增大而增大。当电流密度为20 mA/cm2时,温差先升高后降低;当电流密度为50 mA/cm2时,放电时间较短,并未出现温差降低的现象。在同一浓度下,甲醇溶液量越少,温差越高,电池性能越好,可以通过减小甲醇储液腔的容量来提高电池的性能。     

交指型极板的质子交换膜燃料电池阴极模拟

介绍了采用交指型极板的质子交换膜 (PEM )燃料电池的工作原理 ,通过建立电池阴极数学模型揭示了电极内部的气体是通过强迫对流进行传递 ,指出这一传质机理能加快气体的传递 ,从而提高电化学反应速率 ;比较了采用交指型极板与常规极板的PEM燃料电池的局部电流密度和伏安曲线大小 ,指出交指型极板可提高电池的局部电流密度和极限电流密度 ,从而改善电池性能 ;最后指出增大电池进出口压差、减小气体扩散电极厚度以及增加极板流道个数都可以进一步改善采用交指型极板的PEM燃料电池的性能。     

直接硼氢化钠/双氧水燃料电池研究

采用Pt/C作为催化剂成功地组装了直接硼氢化钠/双氧水燃料电池,并考察了不同操作温度、溶液流速和浓度条件下电池的放电性能。60℃时电池的最大比功率可以达到130mW/cm2,在40℃时0.1A/cm2放电条件下电池电压约为0.7V,性能明显优于相同条件下直接甲醇燃料电池。同时研究了不同厚度电解质膜对电池性能的影响,采用Nafion117膜(厚度175mm)的电池开路电压比Nafion112(厚度50mm)高约180mV,但Nafion112在高电流密度放电时表现出了更好的性能。因此,膜厚度不仅影响电池的内阻而且还会影响反应物的相互渗透。此外,还测试了短时间恒电流放电,电池性能未出现下降,而且放电后催化层和膜仍然保持紧密结合。     

宏观角度下有机电解质锂空气电池放电机理研究

从宏观角度建立了有机电解质锂空气电池放电模型,借助有限元方法分析了放电过程中过氧化锂沉淀形貌系数对放电电压的影响、正极厚度对比容量的影响、过氧化锂体积分数分布、有机电解质电流密度及电势的变化情况.结果可知,高放电电流情况下,电池放电电压随着过氧化锂沉淀形貌系数的降低而降低;减小正极电极厚度会提高电池的放电性能,但正极厚度较薄会降低正极中容纳沉积物的溶剂,减少电池容量;集流体近侧为放电反应的主要聚集区域,同时会生成较多的过氧化锂沉淀物,使得有机电解质电流密度骤降.该研究为锂空气电池放电机理的理解和放电性能的改进提供了参考.     

考虑热辐射效应的锂离子电池温度场仿真分析

温升是影响锂离子电池力学性能和使用寿命的主要参数。研究了热辐射效应对温度的影响,首先建立了圆柱型电池传热模型,针对ICR65/400锂离子电池数值分析了热辐射系数对电池内部温度场变化的影响;然后讨论了放电倍率、对流换热系数和环境温度对热辐射的影响;最后在高放电倍率、自然对流和低温环境下,对有无热辐射效应的温度场进行了比较。结果表明:圆柱型锂离子电池放电过程中最高温度出现在电池中心处,最低温度在电池表面;当放电倍率、环境温度和对流换热系数不变时,热辐射系数越大,电池散热越快,体系降温速率越快,达到热平衡时间越短;电池放电倍率越高,其生热速率越快,热辐射的散热效果越显著;当对流换热系数和放电倍率不变时,环境温度越低,其与电池温差越大,热辐射的散热效果越显著;当环境温度和放电倍率不变时,对流换热系数越小,热辐射的散热效果越显著;热辐射效应可有效降低电池内部温度。     

液态金属电池的温度特性

作为一类高温电池,液态金属电池的工作温度在300℃~700℃之间,工作温度对于电池性能具有重要影响。该文探究了工作温度对液态金属电池开路电压、充放电性能和电池内阻的影响。首先,建立双极化等效电路模型;运用静置法得到不同工作温度下的开路电压,并通过吉布斯—亥姆霍兹方程和能斯特方程计算相关电化学—热力学参数;运用电池循环测试得到不同工作温度下的循环性能指标;利用脉冲测试数据辨识不同工作温度下的内阻参数,从电池反应界面演变、电极反应、传质过程等方面分析工作温度和荷电状态对内阻的影响;仿真结果表明,考虑温度特性的双极化模型的相对电压误差在±0.03V以内,能较好地反映液态金属电池的动态特性。     

固体氧化物燃料电池集流层厚度优化

针对电解质支撑固体氧化物燃料电池(SOFC),建立了一个较为全面的二维数学模型,考虑了相互依存的离子导电过程、电子导电过程以及气体输运过程,研究了孔隙率和电极集流层厚度对电池性能的影响。结果表明:电池的输出电流密度强烈依赖于电极集流层厚度,合适的阳极集流层厚度应在20~60μm,合适的阴极集流层厚度应在250~300μm。     

MH-Ni动力电池散热能力影响因素分析

为了给金属氢化物镍电池(MH-Ni电池)散热能力优化设计提供定量依据,以80AhMH-Ni动力电池为对象,建立MH-Ni电池热模型,分析表面对流传热系数、外壳导热系数和外壳厚度对MH-Ni电池散热能力的影响。研究表明,提高表面对流传热系数、外壳导热系数可以显著提高电池散热能力,但改变电池外壳厚度带来的影响如何要具体情况具体分析。     

基于相变材料的方形动力电池散热模拟研究

首先对电池的产热方式进行了分析,然后根据相变问题求解焓法模型以及相关热传导理论,建立了基于相变材料的方形单体电池散热三维热模型。在此模型基础上结合方形电池表面的外形结构,分析了不同相变材料结合方式,不同相变材料用量以及不同表面换热系数对电池工作温度的影响。研究表明:在电池四周包裹相变材料比只在两侧结合的方式具有更好的降温能力,但是两侧结合具有更小的温差;相变材料厚度3 mm或对流换热系数达到21 W/(m~2·K)时,可以使电池的工作温度始终低于50℃,但是继续增大数值取得的效果不明显。     

反应气体加湿对PEMFC膜温度的影响

质子交换膜燃料电池内部水对交换膜的温度分布有着极为重要的影响,从而对燃料电池性能有着重大意义。以交指型结构的质子交换膜燃料电池在工作电压为0.5 V对应的工作电流密度下为例,分析研究了阴阳极不同加湿程度对膜温差的影响以及阴阳两极加湿对电流密度和膜的温度的影响的比较。数据表明,阴阳极的加湿对于膜的温差有很大的影响,且在较低加湿条件下阳极比阴极加湿更能改善电池的性能和膜的润湿程度。     

泡沫金属矩形通道中对流换热的实验和模拟

实验研究和数值模拟了泡沫金属三维矩形通道内的流动和传热,引入基于渗透率的雷诺数和达西数,确定了泡沫金属对流换热和流动阻力的准则关系式,并分析了多孔结构参数和气体流速对对流换热系数、阻力系数的影响。研究结果表明:泡沫金属对流换热模拟结果与实验数据趋于一致,互为验证了可靠性;泡沫金属的换热强度和流动阻力均随孔径的减小(孔密度的增大或孔隙率的减小)而增大,大孔径的泡沫金属具有较好的对流换热综合性能;气体流速的增加有利于强化换热。     

斜温层储热罐内自然分层过程及对其厚度影响的研究

合理的斜温层储罐内部自然分层过程控制手段有利于降低储罐内部斜温层的厚度,从而可间接提升储罐热电解耦能力。基于计算流体力学(CFD)对采用了一种新型布水器的斜温层储热罐(直径30 m)内部在不同入口流速下的流动及传热特性进行了数值研究。基于k-ε湍流模型研究了储罐储热过程中斜温层的形成和增长,获得了斜温层在形成过程和生长过程中的厚度变化规律,并研究了入口流速对温度分层过程和斜温层厚度的影响。结果表明,在储热过程中,斜温层形成后其厚度先减小随后基本不变。在相同的布水器尺寸和罐体结构下,斜温层的形成速率随入口流速的增加而增大,斜温层形成后的厚度随入口流速的增加先减小后增大。研究结果可为同类型斜温层储罐的操作提供指导,并为设计中控制斜温层厚度提供参考。     

乙二醇对18650动力锂电池组温度场影响研究

将乙二醇作为冷却工质,并且建立18650动力锂电池组模型,将冷却液流速,电池组的放电倍率作为变量,通过流固耦合热仿真,对温度云图、最高温度、电池组和电池间的温度差等结果进行分析,得出在不同放电倍率条件下,冷却液体流速对电池组温度场的影响规律。结果表明采用液体冷却能有效控制电池组最高温度,得到良好的均温效果;增大冷却液流速,能够有效降低锂电池组的最高温度,而且用乙二醇作为冷却液体能有效地控制锂离子电池间的温差,并且随着流速的增大,电池组的最高温度与温差变化趋于平缓。     

蛇形挡板流道PEMFC性能分析

提出一种新型蛇型挡板流道设计,该流道设计是通过在传统蛇型流道中添加挡板构成的.三维数值分析表明.当操作电压下低于0.7 V时,蛇型挡板流道设计性能较传统蛇型流道有较大提高.分析电池内部氧气流量、液态水和局部电流密度发现.添加挡板增大了流道内燃料压力,电池内部受肋下对流效应影响的区域增大,由于肋下对流效应不仅提高了肋条下方多孔层氧气传输效率,同时在多孔层内产生较大的对流剪切力还可有效提高液态水移除效果,因此性能提高.压力损耗分析表明.尽管蛇型挡板流道增大了电池压损,但对本文所分析的小型燃料电池而言,增加压损引起的附加压缩功远小于电池输出功,因此压损可不予考虑.     

气压及孔隙率对锂-空气电池放电特性的影响

建立二维瞬态有机电解质锂-空气电池数学模型,对电荷守恒方程、电极反应动力学方程和传质方程进行耦合,研究气压及多孔电极渐变孔隙率对电池放电性能的影响。在电流密度为0. 1 m A/cm~2的放电条件下,电池比容量随着气压增大而增大,生成物在多孔电极内部的分布更均匀。多孔电极使用渐变孔隙率,氧气更容易进入电极内部,为反应提供较大的空间来容纳沉积物过氧化锂。渐变孔隙率多孔电极电池的比容量增加到1 580 m Ah/g,常规孔隙率电池为720 m Ah/g。     

锂离子电池放电过程的模拟研究

通过对锂离子电池放电过程的模拟计算,研究了放电电流密度对电池容量,过电势,浓度分布以及电池温度的影响。结果表明:放电电流密度的增大使电池放电容量降低,引起电池内部过电压,浓度,液体电势等分布梯度的增大,因而引起放电热效应的增加,电池温度升高。     

入口流速对质子交换膜氢燃料电池性能影响的仿真研究

质子交换膜氢燃料电池是一种新型高效的电化学储能技术。其在低电压、高电流密度工况下,阴极产水速率较高。如果液态水不能及时排出,在气体扩散层积聚导致水淹,将大幅降低燃料电池性能,甚至无法工作。本文基于Ansys Fluent软件对质子交换膜燃料电池进行建模仿真,研究不同入口流速对电池性能以及内部状态的影响规律。结果表明,保持阴阳极入口质量流率比恒定,当流速提高时,电池中的液态水饱和度不断增大;当阳极入口质量流率超过8×10^-6kg/s时,出现水淹现象,导致电池性能下降。本文的研究结果可以为燃料电池在高流速工况时的水管理提供有意义的参考。