固体氧化物燃料电池阴极气体传输的研究

建立了一个数值模型,来计算并论述在固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极中的扩散和渗透共同作用下的传质现象.经过对比分析,研究了阴极内压力梯度对气体传输、气体分布,以及浓度过电压的影响.研究表明,文献中所采用的扩散模型可近似模拟SOFC阴极的浓度过电压.但是,对于气体成份沿阴极的分布,则必须考虑压力梯度的影响.在此提出的模型可进一步深化,以优化SOFC电极的多孔结构.     

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.     

CH_4-O_2固体氧化物燃料电池化学反应研究

研究了以甲烷为燃料气体、空气为氧化气体的固体氧化物燃料电池中的主要化学反应。同时研究了固体氧化物燃料电池电极结构、三相界面（电解质／电极／气体）结构和运行环境以及它们对电池主要化学反应的影响。并通过研究Ｐｔ｜ＹＳＺ｜Ａｇ固体氧化物燃料电池的开路电压与甲烷流量的关系,探讨燃料电池中的主要化学反应过程对电池性能的影响。研究表明,增加电极的孔隙率,可以增加三相界面的面积,从而增加有效反应区域,有利于电池反应。提高运行温度和阴极室氧的浓度,可以提高甲烷的利用率和电池的性能。     

泡沫金属在PEMFC流场中的应用

优化流场结构，可提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的反应物气体传质和输出性能。泡沫金属是具有高孔隙率和高导电性的多孔材料。建立以泡沫金属为阴极流场的三维单相等温PEMFC模型，并与平行流场、波浪形流场和蛇形阴极流场模型对比，分析化学计量比对PEMFC氧气摩尔分数及电流密度的影响。泡沫金属作为阴极流场，可提高气体扩散层和催化层的反应物气体浓度，从而提高电化学反应效率；工作电压为0.30 V时，燃料电池的电流密度比蛇形流场的提高了38.84%;提高化学计量比，可提高反应气体的摩尔分数及输出性能，当阳极化学计量比从1.5提高到3.0时，气体扩散层(GDL)中的平均氢气摩尔分数提高41.02%,电流密度提高51.80%。     

氧化物燃料电池动态性能的COMSOL模拟

电池的温度和气流流动的主要影响因素是热量的生成和散发,同时材料间的相互扩散也会导致电池性能的逐步降低,所以氧化物燃料电池中气流、压力、气体浓度的相互关系的描述在氧化物燃料电池的研究、开发中是非常有必要的。通过COMSOL软件建立氧化物燃料电池仿真模型模拟电池的动态性能,进一步研究电池内气相流动结构、质量平衡及能量守恒等问题。借助对电池两极内气体的浓度、质量以及压力等的观察分析,确定单电池内电流分布以及反应气体质量的实时改变情况,为氧化物燃料电池结构的优化设计和参数控制提供参考。     

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。     

ZrO2基固体氧化物燃料电池中电荷输运研究

分析了以甲烷为燃料气体、空气为氧化气体的固体氧化物燃料电池中电子、氧离子在电池的阴极、阳极和电解质中的输运过程以及电子导电型电极有效反应区结构.具体研究了Pt|YSZ|Ag固体氧化物燃料电池(SOFC)的输出功率与电池运行温度的关系并与实验结果进行了对照,探讨了燃料电池中的主要电荷输运过程与电极有效反应区结构的关系以及它们对电池性能的影响因素.研究表明:在固体氧化物燃料电池中,电解质/电极/气体所形成的三相界面的结构、电极本身的导电性能和运行温度都直接影响电池的性能.     

质子交换膜燃料电池水热管理特性研究

质子交换膜燃料电池水热管理问题是影响电池输出性能的一个重要因素。建立了带冷却流道的三维、两相、非等温单直流道PEMFC模型,并运用计算流体力学(CFD)对燃料电池进行数值模拟,以温度、物质质量分数、膜水含量等水热管理关键因素揭示电池内部传质传热过程和电化学特性。同时研究了不同反应气体进气方式、冷却水流动方向及冷却水温度对PEMFC输出性能的影响,为燃料电池的水热管理优化、实现产业跃进式发展提供参考。结果表明：若燃料电池产物水未及时排除,阴极侧流道尾端易出现水淹现象;当PEMFC采用同向顺流或同向逆流模式时,当冷却水温度等于电池工作温度(353 K),膜温度和水含量分布较为均匀,燃料电池的输出性能较好。     

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。     

燃料电池封装载荷对传质传热影响的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)成堆过程中,需要适当的封装载荷以使电池堆具有高效率、高可靠性和优异的耐久性.在封装载荷作用下,包括气体扩散层(GDL)和质子交换膜(PEM)在内的几乎所有的堆芯构件都会发生一定程度的变形,从而影响电堆内水和反应热量传输以及电堆内部组件间接触电阻的变化.从实验和建模两个方面,讨论了封装载荷作用下,GDL和PEM形变对水热传输的影响机理,总结了封装载荷均匀分布的优化设计方法.研究成果可加深封装载荷对PEMFC性能影响的理解,为设计者和制造商提供参考信息.     

封装力对PEM燃料电池气体扩散层孔隙率的影响

质子交换膜(PEM)燃料电池中气体扩散层(GDL)的孔隙率对整个燃料电池的性能有着重要影响,而封装力是影响燃料电池GDL孔隙率的关键因素之一。采用实验和有限元模拟相结合的方法研究封装力对气体扩散层孔隙率的影响。利用压汞仪测试气体扩散层的平均孔隙率,基于有限元方法建立质子交换膜燃料电池的双极板和气体扩散层的接触模型,研究质子交换膜燃料电池中不同的封装力下气体扩散层的孔隙率变化情况。结果表明:气体扩散层孔隙率的变化沿接触中心线左右对称,接触区域孔隙率分布较为均匀,随着封装力的增加,气体扩散层孔隙率逐渐降低;而未接触区域孔隙率变化不明显。气体扩散层孔隙率有限元模拟结果与实验测试结果相吻合。     

Nafion 浸渍的 PEMFC 氧电极性能研究

研究了气体扩散层对聚合物电解质膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）膜电极性能的影响,并比较了Ｎａｆｉｏｎ浸渍和ＰＴＦＥ粘接两种电极制备工艺,分析了采用Ｎａｆｉｏｎ溶液浸渍氧电极后性能提高的原因。实验发现：气体扩散层影响膜电极性能,采用低电阻值的碳纸有利于膜电极性能的提高;采用Ｎａｆｉｏｎ溶液浸渍ＰＴＦＥ粘接的电极显著提高了电极性能,这归因于氧还原反应三维反应区的扩展。     

PEMFC用多孔碳板渗水性研究

质子交换膜燃料电池的特性很大程度上取决于水的管理,模拟燃料电池工作条件下多孔碳板的渗水特性对于改善燃料电池水管理,优化燃料电池操作条件,从而提高输出性能具有重要的指导意义。通过实验研究了温度、压力差、气体流速以及时间与多孔碳板渗水率的关系。结果表明,在一定条件下,渗水率会随时间而下降,最后趋于稳定;多孔碳板渗水率随压力差和温度的增大而呈线性上升的趋势,而气体流速的变化对渗水率的影响较小。这一结果使多孔碳板有望在燃料电池领域取得很好的发展前景。     

质子交换膜燃料电池凝水的研究进展

分析了质子交换膜燃料电池(PEMFC)中凝水的生长过程,分析了运行时间、电流密度、流速、温度、压力、湿度、流场和扩散层等因素对凝水的影响,并介绍了凝水的处理方法。对PEMFC凝水的可视化观测已从宏观步入微观。     

风氢耦合发电系统建模与分析

通过分析风氢耦合发电系统和各关键设备的工作原理，建立了风力发电模型、碱式电解槽模型、压缩机储氢罐模型以及质子交换膜燃料电池模型。研究了碱式电解槽工作温度对其输出电压、电流和功率的影响，质子交换膜燃料电池工作温度和阴阳两极气体压力对其输出电压和功率的影响，从而分析了制氢模块和发电模块的工作性能对风氢耦合发电系统性能的影响。通过模拟仿真研究风速、碱式电解槽工作温度和质子交换膜燃料电池工作温度对系统发电量的影响。结果表明:适当提高碱式电解槽的工作温度可增大其工作电流，从而提高制氢模块的制氢量；提高质子交换膜燃料电池的工作温度和阴阳两极气体压力可提高其输出电压和输出功率，从而增加发电模块的发电量，进而提升风氢耦合发电系统的工作性能。     

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。     

炭黑及聚四氟乙烯对气体扩散层性能的影响

气体扩散层作为质子交换膜燃料电池重要部件之一,为电极反应提供气体、电子和水的三相通道.炭黑载量以及聚四氟乙烯(PTFE)作为气体扩散层中的重要组分,其含量直接影响气体扩散层中微孔层的厚度、孔结构、电导率,从而对气体扩散层性能产生重要影响.对炭粉以及PTFE的含量对气体扩散层性能的影响进行了综述,认为不同工况对质子交换膜...     

钾盐对超临界水中水气转换反应的影响

讨论了生物质中钾盐对水气转换反应过程的影响,研究了不同工艺条件下单一钾盐或混合钾盐对超临界水中水气转换的影响。结果表明:超临界水中水气转换的气体产物为H2、CO和CO2;所研究的钾盐均能显著提高H2产率,且KHCO3的影响程度最强;提高反应温度、延长反应停留时间均能促进H2的生成,增大反应压力和增加K+浓度对H2产率的影响则比较复杂;钾盐对水气转换的影响可能是通过以草酸氢盐和甲酸盐为中间产物的机理进行。     

基于Microindentation的PEM燃料电池垫片材料机械性能评估

质子交换膜(PEM)燃料电池需要弹性体垫片来密封阳极和阴极的反应气体(氧气和氢气),垫片材料机械性能的稳定性对燃料电池操作及其性能至关重要。采用Microindentation方法研究了PEM燃料电池弹性体垫片材料(硅橡胶弹性体材料)的机械性能。实验研究了试样的加载和卸载行为,基于Hertz接触理论研究了弹性体垫片材料的变形行为,获得了材料的弹性模量、硬度和迟滞损失能。同时,采用有限元方法分析了试样在加载情况下的应力分布。结果表明,本研究所用的Microindentation技术及其分析方法为PEM燃料电池垫片材料机械性能评估提供了一种简单有效的方法。     

空冷PEMFC空气流向实验研究

空冷型质子交换膜燃料电池利用外部风扇来提供反应所需空气,并为电堆散热。由于电堆内部流道以及外部风扇罩的影响,空气的流向不同会对电堆内部空气在各单电池间的流动造成影响,从而影响电堆内的冷却和电化学反应效果。开展了空气的流向对电堆性能影响的实验研究,在环境温度、风扇转速等外界条件不变的情况下,测量了散热风扇"吸风"与"吹风"两种空气流动方式对电堆和各单电池输出特性的影响。结果表明,采用"吸风"方式供应空气(即正向流动)时,虽然电堆总体性能略低于"吹风"(即反向流动),但电堆均匀性和稳定性要更好,因此在空冷型质子交换膜燃料电池的使用过程中,采用空气正向流动方式更有利。