固体氧化物燃料电池三维热流电化学分析

根据平板固体氧化物燃料电池(SOFC)工作原理，对其工作系统的传热传质和电化学反应建立三维热流模型和电化学模型。控制方程引入源项，质量源项表征反应物和产物的质量变化，用Darcy模型描述气体在多孔电极内的动量源项，能量源项反应系统内的化学反应热和欧姆热。以交换电流密度连接SOFC的热流和电化学模型的耦合分析，CFD软件ANSYS-CFX求解热流模型，子程序计算电化学反应。改变工作参数如气体流动方向、燃料气组分和燃料气流动速度，分析其对电池温度场及电流密度分布的影响。结果表明：燃料气和氧化气在同向进气的情况下较反向进气的温度场分布、电流密度更为均匀；加快燃料气进口速度或提高燃料气中氢气质量分数，虽然提高平均电流密度，但是最高最低温度之差也随之增加，即温度梯度变化明显，因此会引起系统热应力的增加。     

高频电感耦合等离子体炬内速度及温度空间分布的数值计算

研究高频电感耦合等离子体炬内部空间的速度和温度分布对等离子体炬的稳定运行有着十分重要的指导意义。为此首先建立了100 kW高频电感耦合热等离子体炬的二维轴对称模型,然后利用商业软件ANSYS FLUENT对纯氩热等离子体电磁场、速度及温度的空间分布进行了计算,并在此基础上分别研究了粉末携带气、反应气及冷却气体积流量的变化对等离子体炬内速度和温度空间分布产生的影响,研究结果表明:等离子体炬内速度和温度空间分布受粉末携带气体积流量变化的影响较大,而反应气体积流量的变化仅对等离子体温度有一定的影响,过高的反应气体积流量可能导致灭弧现象的产生;等离子体炬外管附近区域的温度会随冷却气体积流量的增加而快速下降,因此在实际工作过程中可通过加大冷却气的流量来达到保护炬外管的目的。     

汽-气层流凝结气液膜内物理量分布的研究

在汽-气凝结过程中,不凝结气的存在使凝结换热恶化,影响换热效率。为深入认识其影响机理和为强化汽-气凝结换热提供指导,建立了水平管外汽-气层流凝结气膜内不凝结气浓度、温度和速度及液膜内温度、速度分布的数学模型。以水蒸汽-空气为例,计算得到了气膜内不凝结气浓度、温度和速度及液膜内温度、速度的分布规律。     

熔融碳酸盐燃料电池单体数值模拟及性能分析

介绍了熔融碳酸盐燃料电池的原理.认为燃料电池内部的温度、电流密度和反应气体浓度等分布参数对燃料电池的安全、高效运行具有重要的影响,准确地预测燃料电池的温度场、电流密度场和反应气体的浓度场具有十分重要的意义.在考虑熔融碳酸盐燃料电池内部电特性和热特性的基础上,建立了熔融碳酸盐燃料电池单体准二维数学模型.利用该模型对逆流形式的熔融碳酸盐燃料电池单体的主要性能参数进行了稳态数值模拟.仿真结果对于熔融碳酸盐燃料电池的设计及运行具有一定的参考价值.     

数值模拟感应耦合氩气热等离子体温度和速度的空间分布

研究感应耦合热等离子体的温度和速度的空间分布对等离子体球化、合成粉末材料过程等实际应用具有非常重要的理论指导意义。为此,首先介绍了利用FLUENT模拟感应耦合热等离子体的仿真方法,在此基础上计算得到了氩气热等离子体温度和速度的空间分布及其基本特点,并研究了工作气体体积流量和少量氢气的加入对温度和速度空间分布的影响。研究结果表明:改变反应气体积流量对等离子体温度和速度的空间分布无明显影响;但增大冷却气体积流量可大大降低炬边缘的温度。氢气的加入对等离子体温度和速度的空间分布的影响较大,将使等离子体弧区更加集中,速度变小,回流区变大;分析认为这是因为氢气的加入改变了等离子体的比热容和电导率等参数。     

磷酸浓度与温度对Pt/C催化氧还原反应的影响

采用旋转圆盘电极分析技术分析高温质子交换膜燃料电池中磷酸浓度和温度对Pt/C催化氧还原反应的影响。Pt/C催化氧还原反应的动力学电流密度和扩散极限电流密度随着磷酸浓度的增加逐渐减小,当磷酸浓度增至100%时,电流密度降为0,氧还原催化过程完全被抑制;而磷酸温度的升高则会使电流密度有所增加,但增量很小,不能满足实际应用的需要。磷酸浓度的增加对Pt/C催化氧还原反应具有严重的抑制作用,而温度变化的影响有限。     

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。     

垂直管煤粉高压密相气力输送特性的模拟研究

基于颗粒动力学理论,采用k-e-kp-e p湍流模式,对垂直管内高压密相上升流的三维流动行为进行了数值模拟,其颗粒浓度高达30%,并对部分模拟结果进行了实验验证。模拟过程中考虑了气固两相之间的湍流相互作用,得到了两相速度分布、浓度分布和湍流强度分布,考察了表观气速、输送压力和煤粉粒径对流动行为的影响。模拟结果显示：表观气速的增加导致压降梯度先减小后增加,导致煤粉浓度减小;输送压力的减小导致压降梯度减小;煤粉粒径的增加导致压降梯度增加。通过实验得到了表观气速和输送压力对压降梯度的影响。数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

外置瑞士卷多孔介质燃烧器贫燃试验

对一种新型外置瑞士卷多孔介质燃烧器的贫燃特性进行了试验研究,对其点火预热启动过程及其不同预混气体浓度、流量等工况参数条件下的温度分布、排放特性进行了测量;分析燃烧器的启动方法以及流量、预混气体浓度等有关工况参数对其燃烧特性的影响规律。结果表明,燃烧器冷启动时甲烷氧化率较低,有大量的CO生成;由于多孔介质的存在,燃烧器整体升温较慢,无局部高温,NOx生成量较小;在相同预混气甲烷浓度条件下稳定燃烧时,此类型燃烧器相对无瑞士卷结构的多孔介质燃烧器,在同一预混气甲烷浓度条件下对流量具有较好的适应性,火焰稳定性好;预混气甲烷浓度越大、驻留时间越长、燃烧温度越高,甲烷氧化率也越大。     

预混气温度及多孔材料特性对多孔介质表面火焰的影响

为优化设计基于多孔介质壁面的低热损失微燃烧器结构,以甲烷/空气为预混气实验考察了预混气初始温度多孔壁面材料对多孔介质平面火焰形成、燃烧特性的影响。实验表明:在低当量比工况下(≤0.8)由于预混气初始温度升高可以有效降低多孔板对火焰的影响(热损失),可以有效地拓宽平面火焰形成范围。当量比较大时(0.8),由于甲烷在多孔板内部消耗,多孔表面火焰温度反而下降。不同材料的多孔板对火焰的影响主要由于导热系数差异引起,而且在火焰温度较低的时候明显。当火焰温度较高时几乎没影响。导热系数越小,多孔介质壁面温度越低。     

平板式固体氧化物燃料电池Ni/YSZ阳极上甲烷重整过程实验研究

为了开发甲烷直接内部重整的高效固体氧化物(solid oxide fuel cell,SOFC)燃料电池系统,必须对阳极上甲烷水蒸气重整过程进行详细研究。文中搭建了实验台,对开发的平板式SOFC燃料电池多孔介质阳极上甲烷重整过程进行了实验研究。给出在不同燃料流量和不同水蒸气/甲烷比(S/C)工况下出口气体各组分的摩尔分数和甲烷转化率的分布。实验结果表明工作参数对甲烷的转化率有很大的影响,在相同工作温度下甲烷的转化率随着进口燃料流量增加而降低,因此出口气体中氢气的摩尔浓度也相应降低。另外通过分析实验结果,可见阳极的入口处最有可能有碳形成。     

固体氧化物燃料电池多孔支撑结构内传递现象研究综述

针对新型的集成板式固体氧化物燃料电池多孔阳极结构,总结了其中反应气的能量、组份和质量传递的新特点,包括燃料气输运通道和多孔支撑复合结构的多尺度效应、以及化学反应和物理扩散对控制方程的耦合影响等。在文献综述的基础上,围绕固体氧化物燃料电池内部反应气体传递过程,阐述需要进一步深入探讨的基础问题。     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

Performance of several types of fuel cells and factor analysis of performance

There are four types of fuel cells: Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC), Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC), and Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). The performance of these fuel cells has not been compared. Equations that are able to express the performance of these fuel cells accurately were derived or modified from the latest published performance data. The cell voltages of the four fuel cells were estimated by these equations, resulting in high‐temperature fuel cells such as MCFC and SOFC having higher energy conversion efficiencies than low‐temperature fuel cells such as PEFC and PAFC. This difference originates from low cathode polarization, overcoming both a decrease of open circuit voltage with increasing temperature and higher Nernst losses for high‐temperature fuel cells of approximately 85 mV than those for low‐temperature fuel cells due to steam generation in the anode chamber in the high‐temperature fuel cells. A generalized relationship between cell voltage and operating temperature was derived, stating that the cell voltage is almost constant between 500 °C and 1000 °C. A fuel cell which has protons as a migration species in the electrolyte and works between 250 °C and 500 °C would give a performance comparable with high‐temperature fuel cells due to lower Nernst losses than those for high‐temperature fuel cells. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 138(1): 24–33, 2002     

不同温度下磁场对PEMFC的工作性能影响

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极侧垂直加载410 mT磁场,考察不同气体温度下磁场对PEMFC工作性能的影响。结果发现:PEMFC在加载磁场后的工作性能优于不加载磁场的电池性能,当工作温度为45℃时,磁场提升PEMFC功率密度最大,达到14.4%。当PEMFC阳极侧和阴极侧采用不同温度条件时,加载磁场后PEMFC的工作性能提升幅度有很大不同,不加磁场时,氢气侧65℃、氧气侧45℃时的极化曲线斜率比氢气侧45℃、氧气侧65℃时的大很多,但加载磁场后,两者之间的斜率差缩小,表明磁场对电池内部氧气传质影响大于对氢气的影响。     

Fabrication of anode supported PEN for solid oxide fuel cell

ConventionalSOFCsareusuallyoperatedat 10 0 0℃ Duetoitshighoperationaltemperature ,thematerialsdemandinguponSOFCcomponentsarequitestringent Manyresearchersaregradu allyinterestedinintermediatetemperaturesolidoxidefuelcell(IT SOFC) [1-2 ] TherearetwopossibleapproachesforloweringtheoperatingtemperatureofSOFCs Thefirstistoreducethethicknessofelec trolyte ,forexampletheelectrolyteinanode supportedplanar typesinglecellisonly 2 0 μm Thesecondistodevelophigherconducti vityelectrolyte .Inth…     

基于多物理场耦合模型的车用PEMFC仿真研究

运用COMSOL软件建立了基于多物理场耦合模型的燃料电池仿真模型。基于多物理场耦合模型分析了燃料电池内部的流场和压力分布情况。研究了阳极和阴极内反应气体的浓度变化情况。分析了膜电极(MEA)内电流分布与反应气体浓度的关系。研究了燃料电池内部温度场和热流的分布情况。通过仿真研究加深了对燃料电池各个物理过程的理解,为优化燃料电池设计提供了参考。     

High temperature polymer electrolyte membrane fuel cell

Proton exchange membrane fuel cells(PEMFC)have beenconsidered as a suitable alternative to internal combustion enginesbecause of their high power density,high-energy conversion effi-ciency andlowemissionlevel·However,the current PEMFCtech-nology suffers …     

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。     

大电流真空电弧磁流体动力学模型与仿真

为了对大电流真空电弧进行深入研究,以真空电弧双温度磁流体动力学模型为基础,通过计算流体动力学软件FLUENT,采用控制容积法,对大电流真空电弧特性进行了仿真研究。对于大电流真空电弧而言,等离子体的流动处于亚音速状态,因此,在阴极和阳极边界条件的选择上将区别于超音速流动的真空电弧。同时对等离子体密度、轴向电流密度、等离子体速度、马赫数、离子温度、电子温度、离子压力、等离子体压力以及注入阳极的能流密度分布的形成机理进行了分析。从仿真结果可以发现,大电流真空电弧等离子体压力的最大值出现在阴极附近,等离子体将在压力梯度的作用下从阴极到阳极做加速运动,这一点明显区别于超音速流动的真空电弧。另外,仿真结果与高速CCD照片也是吻合的。