采用常规条形流场的质子交换膜燃料电池阴极数值模拟（I）——模型建立

对采用常规条形流场的H2—Air PEMFCs阴极建立了二维数学模型，模型的控制方程耦合了连续性方程、Darcy方程、电传导方程以及O2和H2O的对流-扩散方程，对氧的电化学还原反应过程采用Butler-Volmer方程描述．利用模型计算了阴极扩散层中电流密度、O2和H2O浓度、催化层界面上局部电流密度的分布，分析了采用常规条形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点。     

采用常规条形流场的质子交换膜燃料电池阴极数值模拟(Ⅰ)模型建立

对采用常规条形流场的H₂-Air PEMFCs阴极建立了二维数学模型,模型的控制方程耦合了连续性方程、Darcy方程、电传导方程以及O₂和H₂O的对流-扩散方程,对氧的电化学还原反应过程采用Butler-Volmer方程描述.利用模型计算了阴极扩散层中电流密度、O₂和H₂O浓度、催化层界面上局部电流密度的分布,分析了采用常规条形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点.     

采用常规条形流场的质子交换膜燃料电池阴极数值模拟(Ⅱ)电池性能影响因素的分析

利用已建立的数学模型考察了阴极扩散特性参数、阴极流场几何参数、电极电阻、催化剂活性、流道上O₂浓度变化对H₂-Air PEMFCs性能的影响.计算表明,增大氧有效扩散系数、减小扩散层厚度可增大电池的工作电流密度;提高氧还原反应交换电流密度、减小电极电阻、优化流道尺寸可改善电池性能;沿反应气体流动方向逐渐增加MEA的催化剂负载量可提高电流密度分布的均匀性.     

质子交换膜燃料电池两相流动和传递现象的三维数值模拟

为更好地模拟质子交换膜燃料电池内的复杂传递过程,发展了一个三维稳态的、非等温的气液两相流模型,模型综合考虑电池内的流动、传热、传质等过程,以及水的相变过程对电池内传质和温度场的影响.本模型的特性是可以详细地模拟和估计电极电化学动力学,考虑电子在扩散层和催化层,以及质子在膜相中的传递规律.通过数值计算得到了详细的组分浓度、电位和温度等在电池内的空间分布.比较了估算的极化性能与文献中的实验数据,结果表明两者较好地相符合.     

质子交换膜燃料电池二维全电池两相流综合数值模型

针对直通道质子交换膜燃料电池（PEMFC）建立了一个二维全电池综合数值模型,模型综合考虑参与电化学反应的三个要素反应物质、电子和质子的传输过程以及液态水的淹没和膜内水传输现象。研究了供气压力、液态水淹没对电池性能的影响;比较了不同输出电压、供气湿度等条件对阴极液态水饱和度分布以及电解质膜含水率的影响;预测了基准供气状态下电池的极化曲线和文献报道的实验结果吻合很好。计算结果显示：输出电压越小液态水淹没电极现象越严重;阴极液态水的生成有利于膜的浸润保持较高电导率,但是会淹没电极使有效电极面积减小,导致电池性能下降。     

质子交换膜燃料电池阴极梯度催化层的数值模拟

质子交换膜燃料电池催化层中使用的商用Pt催化剂价格昂贵,优化催化层成分分布对降低电池成本、提高Pt利用率和改善电池性能具有重要意义。本研究采用数值模拟技术计算了含有两个子层的梯度催化层和传统单层催化层的流体流动、传质、电化学反应过程,对比两者的模拟结果发现：当催化剂、离聚物和孔隙以梯度的形式分布时,改善了阴极反应物氧气的传输和生成物水的排出,梯度催化层的电池性能明显优于平均分布催化层的电池性能。     

质子交换膜燃料电池两维、两相流动模型

提出了考虑电池内部两相流动的质子交换膜燃料电池数学模型,模拟了阳极、阴极两侧的流道和扩散层中同时发生两相流动时电池内部的各种传递特性,并用实验数据验证了该模型的准确性。模拟结果显示,当电池阴极扩散层中有液态水存在时会大大降低膜中的局部电流密度;质子交换膜中水的净通量方向可正、可负,因此电池的增湿策略应根据不同的运行工况而不断变化。     

质子交换膜燃料电池的发展现状

简要叙述了质子交换膜燃料电池的发展历史,介绍了高效、新型电催化剂、新型质子交换膜、新型双极板与流场的研究、应用、开发等关键技术,并对质子交换膜燃料电池的发展前景进行了展望。     

氢氧质子交换膜燃料电池阴极流道设计模型

为了优化氢氧质子交换膜燃料电池阴极的气体流道,建立了沿流道长度和深度方向的气体流道设计模型.模型考虑了阴极气体在流道中的动量传递、质量传递和电极反应等物理过程.将二维问题经积分均化后转化为较简单的一维问题,偏微分方程组转变为常微分方程组,使计算过程得以简化.以50 cm长的流道为例,计算了沿流道方向的浓度、流速以及电流密度的分布.还利用此模型分析了各操作与设计参数如入口流速、流道深度、交换电流密度等对浓度、流速和电流密度分布的影响.     

质子交换膜燃料电池可视化研究进展

质子交换膜燃料电池(包括氢氧质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池)内的两相流动以及相应的水管理、气管理对燃料电池的性能和寿命有很大的影响,而可视化方法是研究流场槽道内两相流动非常重要的方法之一。可视化实验可以真实地展示气泡或液滴在流场槽道内的生成以及发展过程,有利于了解其进化机制,从而进一步优化气管理、水管理并提高电池性能。本文主要综述了质子交换膜燃料电池两极流场内两相流动的可视化研究进展,讨论了扩散层的润湿性以及扩散层内水的传递机理,还介绍了实现可视化的方法,并提出了可视化研究的不足及发展方向。     

直通道流场PEMFC电流密度分布测定实验

大功率燃料电池研究中存在的主要问题是电池在放大过程中性能出现大幅度衰减．为提高电池和电池组性能,改善电池内部水管理,优化电极组成、电池操作参数和流场板结构,对电池内部电流密度分布进行测定很有必要．     

质子交换膜燃料电池双极板导流场不同区域极化研究

质子交换膜燃料电池双极板导流场的不同区域极化研究可以诊断导流场工程设计的合理性。本文针对一种氢气、空气型燃料电池双极板导流场的设计,对导流场的四个相等部分进行了四个不同区域的燃料电池极化研究,进而可以判断整个导流场在各种燃料电池运行条件下对燃料电池性能的影响以及导流场设计的合理性。     

质子交换膜燃料电池水传递模型

提出了用于研究质子交换膜燃料电池膜中水分布、水传递量分布、电流密度分布等的二维数学模型;系统地考察了电池温度、阴阳极压力差、增湿程度、质子膜厚度等条件对水的传递和膜中水分布的影响.计算结果表明:①阳极增湿能够提高气体进口段膜阳极侧水的含量;②使用越薄的质子膜,越能提高膜中水的含量;③阳极增湿程度越大,由阳极向阴极迁移的水量越多.     

PEM燃料电池阴极中的液态水及其影响因素

阴极多孔介质中液态水的含量对PEM燃料电池阴极中的传质及其性能具有极其重要的影响。提出了一个二维、两相、稳态数学模型,研究PEM燃料电池阴极中两相水的传递及其对电池性能的影响。模型耦合了连续方程、动量方程和组分守恒方程,并将质子膜中的净水迁移通量作为边界条件之一来处理。通过实验的方法和数值模拟的方法,研究了电池操作压力和温度对电池性能的影响,同时验证了模型的有效性。模拟发现:提高操作压力和升高阴极加湿温度使电池阴极催化剂层(CTL)和扩散层(GDL)界面上的液态水含量大幅提高;升高阳极加湿温度,电池阴极CTL和GDL界面上的液态水含量变化不明显;而升高燃料电池的操作温度,阴极CTL和GDL界面上液态水的含量降低。     

气液两相流在膜技术中的应用

针对膜技术应用中的污染问题,从强化膜分离以及膜清洗两个方面,讨论气液两相流对膜污染的控制作用.两相流在膜组件内一般形成弹状流提高膜面剪切力,或通过增加反冲效果以有效控制膜污染.较系统地阐述了气液两相流在强化膜分离及膜清洗过程中的机理,以及在管式、平板式、中空纤维和卷式膜组件中的具体应用.总结了影响气液两相流效果的主要因素,以及在应用中的优势与不足.并对两相流在大分子物质分级中的应用,以及未来向高效、低能耗、优化膜组件结构等方向的发展做出展望.     

液固循环流化床两相流动模型

引　言流化床换热器具有防、除垢和强化传热等优点 ,在化工、食品、海水淡化、废水处理等领域具有广阔的应用前景[1].目前 ,流化床换热器历经散式流化床、内循环流化床 ,已发展到外循环流化床换热器[2 ],它要求在较稀的颗粒浓度 (颗粒浓度小于 5% )、较高的流速 ( 1～ 3ｍ·ｓ- 1)下操作 .流化床换热器中液体流动及颗粒运动状态的研究对流化床换热器的设计和操作具有重要意义 ,但人们对循环流化床换热器中颗粒运动情况的研究还很缺乏 .考虑到循环流化床换热器中的每根换热管都可作为一个独立的循环流化床对待[3].本文试图建立一滑移速度模型…     

直接涂膜技术用于质子交换膜燃料电池膜电极制备

引　言质子交换膜燃料电池 (PEMFC)是极具吸引力的电化学能量转换装置 ,是未来电动汽车的主要动力源 ,也是洁净高效的新型化学电源 .对于电动汽车的应用 ,要求PEMFC提供高能量密度、低催化剂负载量 ,以降低系统体积和成本[1] .膜电极(membraneandelectrodeassembly ,简称MEA)是由聚合物电解质膜、电极催化剂和扩散层材料组合而成的三明治式结构组件 ,类似于计算机的芯片 ,是燃料电池的核心部件 ,长期以来大量的研究集中于MEA新材料设计与制备 ,以提高电池的性能 .近年来 ,对MEA的微观结构分析、MEA制备工艺与电池性能的关系研究工作明显增多[2～ 7] .从PEM FC研究实践中发现 ,如何减少电极中Pt催化剂负载量并能继续保持或者提高电池性能的MEA制备技术开发至关重要 .其中超薄Pt层沉积法[8～ 10 ] 是MEA的制备新技术之一 .与传统的基于墨水涂布(based inkprinting)的方法相比 ,喷溅沉积法(sputterdeposit) [9] 制备的MEA提高了电池的性能和催化剂的利用率 ,它是用直接喷溅沉积法 (directlydeposit) [10...     

新型中温固体氧化物燃料电池阴极材料的研究

研制兼有优良的导电性能和合适的热膨胀性能的阴极材料是中温固体氧化物燃料电池(SOFC)发展中的关键问题之一。本论文阐述了近年来中温SOFC阴极材料的发展,介绍了新型阴极材料La2NiO4 δ混合导体的合成与制备和性能方面的研究,并对中温SOFC阴极材料的研究方向进行了探讨。