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碱性阴离子交换膜燃料电池实验及数值模拟

重庆大学学报 2021年第4期44卷 19-28页

作者：李蒙隋邦傑武汉理工大学汽车工程学院燃料电池湖北省重点实验室武汉430070

针对碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)水管理开展了实验及数值模拟工作,使用Tokuyama A201膜制备并组装了实验室规模的AEMFC单电池,建立了一个基于质量守恒、组分守恒及电荷守恒的碱性阴离子交换膜燃料电池二维稳态等温模型,用于研究电... 详细信息

针对碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)水管理开展了实验及数值模拟工作,使用Tokuyama A201膜制备并组装了实验室规模的AEMFC单电池,建立了一个基于质量守恒、组分守恒及电荷守恒的碱性阴离子交换膜燃料电池二维稳态等温模型,用于研究电池性能及内部水传输机理。通过模型计算分析电池性能及内部水传输和水分布情况,结果表明:计算预测得到的特定参数下的极化曲线趋势与单电池测试的数据吻合良好;电流密度增加会增大水从阳极到阴极的净通量,有利于阴极反应的进行;电池两极均需进气加湿,提高阳极进气湿度可以加快水从阳极到阴极的净迁移,在较高电流密度下阴极进气湿度过低对电池性能影响较大。

关键词：碱性膜燃料电池数值模型水传输

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机械应力下的质子交换膜燃料电池两相流研究

工程热物理学报 2022年第7期43卷 1896-1901页

作者：张恒朱礼军陈奔隋邦杰武汉理工大学汽车工程学院武汉430070

为了研究质子交换膜燃料电池在机械应力下的两相流分布,本文首先选取了四个压缩比:5%、10%、20%和25%来研究压缩对质子交换膜燃料电池性能的影响,研究了最佳压缩比时燃料电池内的两相流分布。研究结果显示:当压缩比为20%时,电池会达到... 详细信息

为了研究质子交换膜燃料电池在机械应力下的两相流分布,本文首先选取了四个压缩比:5%、10%、20%和25%来研究压缩对质子交换膜燃料电池性能的影响,研究了最佳压缩比时燃料电池内的两相流分布。研究结果显示:当压缩比为20%时,电池会达到最佳性能;燃料电池的最高温度发生在阴极催化层,燃料电池的温度随着电流密度的增加而增加;燃料电池阳极没有液态水的产生,燃料电池阴极的饱和度最大值发生在肋板下方的气体扩散层,随着电流密度的增加,阴极饱和度沿流道方向增加,当电流密度为1.51 A·cm^(-2)时,燃料电池的液态水饱和度最大值达到0.4。

关键词：质子交换膜燃料电池机械应力两相流饱和度

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气体扩散层各向异性传输特性的孔尺度模拟

吉林大学学报（工学版） 2022年第9期52卷 2055-2062页

作者：张恒詹志刚陈奔隋邦杰潘牧先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室) 广东佛山528200 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070 武汉理工大学汽车工程学院武汉430070

为研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)气体扩散层(GDL)内孔隙率对各向异性传输特性参数的影响,首先,使用数值随机重构的方法对Toray TGP-H气体扩散层进行三维微观结构重构。在重构中考虑到了碳纤维分布的各向异性以及Toray TGP-H气体扩散层... 详细信息

为研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)气体扩散层(GDL)内孔隙率对各向异性传输特性参数的影响,首先,使用数值随机重构的方法对Toray TGP-H气体扩散层进行三维微观结构重构。在重构中考虑到了碳纤维分布的各向异性以及Toray TGP-H气体扩散层内部所有的相,包括孔、碳纤维、黏合剂和聚四氟乙烯。然后,利用孔尺度模型分别研究了孔隙率与有效扩散率、曲度、有效电导率、有效热导率以及液态水渗透率在厚度方向和平面内方向的关系。结果表明:孔隙率对传输特性有显著的影响,并且Toray TGP-H气体扩散层的传输特性在平面方向和厚度方向存在着十分明显的各向异性。

关键词：质子交换膜燃料电池气体扩散层传输特性各向异性孔尺度模型

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基于XCT的气体扩散层传输特性孔尺度模拟

太阳能学报 2023年第6期44卷 99-105页

作者：张恒詹志刚陈奔隋邦杰潘牧先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室) 佛山528200 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070 武汉理工大学汽车工程学院武汉430070

为了探究质子交换膜燃料电池气体扩散层中孔隙率对各向异性传输特性的影响,先利用X射线计算机断层扫描(XCT)可视化技术方法对Freudenberg H2315 GDL气体扩散层进行三维微观结构重构,随后利用孔尺度模型分别研究了气体有效扩散率、曲度... 详细信息

为了探究质子交换膜燃料电池气体扩散层中孔隙率对各向异性传输特性的影响,先利用X射线计算机断层扫描(XCT)可视化技术方法对Freudenberg H2315 GDL气体扩散层进行三维微观结构重构,随后利用孔尺度模型分别研究了气体有效扩散率、曲度、有效电导率、有效热导率与孔隙率的关系,利用格子-玻尔兹曼模型研究液态水渗透率在厚度方向和平面内方向与孔隙率的关系,以及液态水饱和度和毛细压强的关系。结果表明:孔隙率对传输特性有显著的影响,Freudenberg H2315 GDL气体扩散层表现出明显的各向同性。

关键词：质子交换膜燃料电池传输特性微观重构气体扩散层 X射线计算机断层扫描孔尺度模型

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高温质子交换膜燃料电池催化层孔尺度模拟

重庆大学学报 2022年第8期45卷 34-43页

作者：段康俊 Roswitha ZEIS 隋邦傑武汉理工大学现代汽车零部件湖北省重点实验室武汉430070 武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心武汉430070 卡尔斯鲁厄理工大学亥姆霍兹研究所德国乌尔姆89081 卡尔斯鲁厄理工大学物理化学学院德国卡尔斯鲁厄76131

为了研究磷酸在高温质子交换膜燃料电池催化层中再分布对电极性能的影响,使用聚焦离子束电子扫描显微镜对自制的扩散电极成像,重构得到了三维的催化层几何模型;采用多弛豫时间格子玻尔兹曼模型对磷酸在催化层的迁移行为进行仿真,模拟得... 详细信息

为了研究磷酸在高温质子交换膜燃料电池催化层中再分布对电极性能的影响,使用聚焦离子束电子扫描显微镜对自制的扩散电极成像,重构得到了三维的催化层几何模型;采用多弛豫时间格子玻尔兹曼模型对磷酸在催化层的迁移行为进行仿真,模拟得到递减型和准均匀型2种不同的磷酸分布形式;采用孔尺度模型求解不同条件下的电极传输性质。结果表明在磷酸含量较低时,准均匀型的磷酸分布具有稍优的电化学活性表面积和稍差的氧气和水蒸气有效扩散系数;在磷酸含量较高时,2种分布的电化学活性表面积相似,但是准均匀型分布具有更好的氧气和水蒸气有效扩散系数。

关键词：高温质子交换膜燃料电池催化层磷酸格子玻尔兹曼模型孔尺度模型

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PEMFC电堆快速成型建模和优化

工程热物理学报 2024年第2期45卷 368-377页

作者：刘绍俊田思思刘郭存隋邦傑武汉理工大学燃料电池湖北省重点实验室武汉430070 先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心佛山528000

质子交换膜燃料电池电堆中水热管理策略与电堆结构与大小息息相关,开发过程必须引进电脑辅助设计模拟工具,本文基于COMSOL软件开发了快速成型电堆二维模型,模型中考虑膜电极的零部件、双极板及冷却水槽道中的气、水、热、电的相互影响,... 详细信息

质子交换膜燃料电池电堆中水热管理策略与电堆结构与大小息息相关,开发过程必须引进电脑辅助设计模拟工具,本文基于COMSOL软件开发了快速成型电堆二维模型,模型中考虑膜电极的零部件、双极板及冷却水槽道中的气、水、热、电的相互影响,在模型中加入阴极进气和排气歧管,真实地模拟了整个电堆的气体流动分布。该模型中几何尺寸及单电池数量经过参数化,能依据设计要求快速建模并进行仿真,在进行更详细三维模拟仿真之前,为电堆设计提供初步设计方案。本文以一个10个单电池串联的二维燃料电池堆模型为例,求解了气体流道,多孔介质、电极耦合表面和固体流体传热的一整套质量、动量、组分和温度守恒方程。针对U型进气方式,分析了电池堆氧气速度、质量分数和电极耦合表面电流密度分布特点。基于该电堆模型,研究了电压,质子交换膜电导率,空气进气流速等参数对电堆水气分布的影响。模拟结果发现高电压工作,较大的质子交换膜电导率,较大的进气流速均会提高电堆性能。通过优化现有模型结构,实现了电池堆水气更均匀地分布,为燃料电池堆的进一步设计提供参考。

关键词：燃料电池堆 COMSOL 参数研究结构优化

分散方式对PEMFC微孔层油墨流变特性与微结构的影响研究

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工程热物理学报 2023年第6期44卷 1473-1480页

作者：陈梦言杜少杰张恒张锐明唐浩林隋邦傑武汉理工大学汽车工程学院武汉430072 先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室) 佛山528200 广东省武理工氢能产业技术研究院佛山528200 江苏理工学院汽车与交通工程学院常州213001 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉4430072

制备高性能的微孔层对于提升质子交换膜燃料电池性能至关重要,其中微孔层油墨的制备是微孔层制备中的核心环节,油墨的分散方式和分散时长均会影响微孔层的性能。在本文中,研究了在两种不同的分散方式及三种不同分散时长下:超声分散(15 m... 详细信息

制备高性能的微孔层对于提升质子交换膜燃料电池性能至关重要,其中微孔层油墨的制备是微孔层制备中的核心环节,油墨的分散方式和分散时长均会影响微孔层的性能。在本文中,研究了在两种不同的分散方式及三种不同分散时长下:超声分散(15 min,30 min,45 min)和球磨分散(1 h,2 h,3 h),对微孔层性能的影响,并对微孔层油墨进行了流变性研究、粒径分布和形貌表征以及BET测试。研究结果表明:球磨分散与超声分散制备的微孔层油墨呈现不同的流变性,前者黏度20 m Pa·s明显高于后者2 mPa·s,粒径分布也因分散方式不同呈现明显差异。球磨分散方式制备的微孔层表面出现明显的团聚絮状物,增加了表面粗糙度,同时该制备方式下的微孔层比表面积为9.2922 m^(2)·g^(-1)。同样制备时长也会对微孔层性能产生影响,研究发现球磨分散2 h制备的微孔层展示了更高的优越性。

关键词：微孔层球磨分散超声分散超声喷涂流变性

基于纤维面内取向分布的气体扩散层重构与传输性能分析

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重庆大学学报 2023年第9期46卷 23-32页

作者：尹泽泉王虎张锐明唐浩林隋邦傑武汉理工大学汽车工程学院武汉430070 先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心广东佛山528200 广东省武理工氢能产业技术研究院广东佛山528216

提出一种重构燃料电池气体扩散层(GDL)微观结构的新方法,用于研究纤维面内取向分布对GDL传输性能的影响。利用XCT扫描获取GDL二维切片图进行阈值分割得到GDL三维模型,通过纤维追踪技术区分纤维与粘接剂,得出纤维面内取向概率分布、纤维... 详细信息

提出一种重构燃料电池气体扩散层(GDL)微观结构的新方法,用于研究纤维面内取向分布对GDL传输性能的影响。利用XCT扫描获取GDL二维切片图进行阈值分割得到GDL三维模型,通过纤维追踪技术区分纤维与粘接剂,得出纤维面内取向概率分布、纤维骨架局部孔隙率、纤维与粘接剂组分比例等信息作为控制因素,重构更加准确的GDL纤维骨架,并通过形态学处理添加粘接剂得到GDL孔尺度模型。对1000μm×1000μm×200μm的GDL计算域进行性能模拟计算,分析不同纤维取向分布对GDL的气体传输、热电传导性能的影响。由于碳纸在制造中大部分纤维顺着造纸机运行方向(纵向)排列,不同排列方式严重影响GDL在纵向、横向和穿面方向(TP方向)的性能。研究结果表明:随着纤维纵向分布集中程度提高,气体传输与热电传导性能在纵向提高,但在横向降低;对于TP方向,本研究中的纤维集中于纵向的一致性系数为0.029的取向分布时,GDL模型性能较优;电导率及热导率对纤维取向分布比气体扩散率更敏感。

关键词：气体扩散层纤维追踪纤维取向概率分布编程重构传输性能

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基于水平衡的PEM燃料电池大电流运行优化控制

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工程热物理学报 2017年第9期38卷 1994-2000页

作者：何晓波詹志刚张洪凯帅露隋邦杰徐立武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070 武汉理工大学能源与动力工程学院武汉430063 武汉理工大学汽车工程学院武汉430070 加拿大维多利亚大学机械系集成能源系统实验室

质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理是影响其性能的主要因素之一。本文针对大电流运行的PEM燃料电池,提出了一种基于MEA水平衡的温度控制方法。在一定的操作压力和过量系数下,得到了基于无净电拖的PEM电池水平衡温度,并通过三维模拟对无... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理是影响其性能的主要因素之一。本文针对大电流运行的PEM燃料电池,提出了一种基于MEA水平衡的温度控制方法。在一定的操作压力和过量系数下,得到了基于无净电拖的PEM电池水平衡温度,并通过三维模拟对无净电拖水平衡温度进行修正,获得了基于电池最优性能的操作温度;电池实际的操作温度控制,可以以无净电拖水平衡温度线为基础,加上一个修正量,使电池在性能良好区域运行。这种电池操作温度的控制算法简单,对电池的设计与操作优化具有参考意义。

关键词：质子交换膜燃料电池膜电极水平衡优化温度控制