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空冷型质子交换膜燃料电池水热管理的研究现状

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电源技术 2022年第4期46卷 346-350页

作者：杨长幸赵润贤潘瑞昕胡鸣若中国汽车工程研究院股份有限公司检测事业部重庆401122 上海交通大学燃料电池研究所上海200240

介绍了空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)水热管理的研究现状,在此基础上,对该领域的重要研究方向进行了归纳和展望。首先,介绍了空冷型PEMFC的应用背景及特点,即空冷型PEMFC适用于低功率、小质量、小体积的场所;其次,着重回顾当前空冷型... 详细信息

介绍了空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)水热管理的研究现状,在此基础上,对该领域的重要研究方向进行了归纳和展望。首先,介绍了空冷型PEMFC的应用背景及特点,即空冷型PEMFC适用于低功率、小质量、小体积的场所;其次,着重回顾当前空冷型PEMFC水热管理的研究进展,即现有研究采用实验和数值模拟的方法,揭示了运行参数对空冷型PEMFC热管理的影响;此外,通过研究空冷型PEMFC内部液态水的分布规律,揭示了其对电池性能的影响。基于发现的水热管理现象,研究人员提出了相应的优化措施,通过优化流场结构可以改善空冷型PEMFC内部的温度场、湿度场;通过新型控制算法使得电池性能达到最佳并且将电池温度保持在合理范围内。最后,指出研究空冷型PEMFC液态水的动态分布规律、分析质子交换膜内部应力分布以及探索阴极催化剂衰减机制是空冷型PEMFC水热管理的重要研究方向。

关键词：空冷型质子交换膜燃料电池水热管理实验研究数值模拟流场优化

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质子交换膜燃料电池水热管理特性研究

电源技术 2023年第3期47卷 341-347页

作者：姚安琪曹亚平刘单珂于立军上海交通大学中英国际低碳学院上海200240 上海交通大学智慧能源创新学院上海200240

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... 详细信息

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。

关键词：质子交换膜燃料电池数值模拟水热管理冷却流道

新型管状DEFC阴极水热管理与传质特性研究

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新型管状DEFC阴极水热管理与传质特性研究

作者：徐国梁江苏大学

学位级别：硕士

传统能源的日益消耗及生态环境的逐渐恶化使得新能源技术已成为当代社会可持续发展的重要方向。其中,管状直接乙醇燃料电池(Tubular direct ethanol fuel cell,DEFC)以乙醇溶液作为阳极反应液,采用新型管状设计替代昂贵的双极板结构,具... 详细信息

传统能源的日益消耗及生态环境的逐渐恶化使得新能源技术已成为当代社会可持续发展的重要方向。其中,管状直接乙醇燃料电池(Tubular direct ethanol fuel cell,DEFC)以乙醇溶液作为阳极反应液,采用新型管状设计替代昂贵的双极板结构,具有能量密度高、环境污染低、制造成本少等优点,在未来的便携式能源设备中具有广阔的应用前景。同时,DEFC中仍存在诸多问题,阴极侧的“水淹”、乙醇渗透、温度及氧气的不均匀分布均会导致电池性能下降以及工作寿命的缩短,而电池结构及流场设计对其综合性能的影响至关重要。因此,本文设计并制备了一种新型管状DEFC,并对单电池的物理化学性能进行实验研究,以证明其可行性;之后分别针对阴极电极层以及流道结构进行优化设计并进行仿真研究,从而为提升电池综合性能提供依据。首先,本文通过实验制备管状DEFC,并对电池的支撑体进行物理特性分析发现,当阴极及阳极支撑体的炭微球占有比分别设定在70%和40-45%时性能较优,符合实验要求;通过单电池的电化学实验结果表明乙醇浓度的升高有利于提高电池功率密度,但过高的浓度会引起乙醇渗透。而温度的升高有利于液态水的汽化及排出,提升电池性能。同时,长时间的放电使得阴极膜电极“水淹”严重。其次,针对管状电极层的氧气传质与水管理等问题,对阴极电极层进行仿真研究,提出多种不同切割电极层的设计方案。建立二维两相流模型并分析比较了在两种敏感条件(催化层孔隙率、工作压力)下,不同电极层切割方案对电池性能的影响规律。结果表明,当采用有序切割电极层的设计且在工作电压为2MPa、孔隙率为0.5时最有利于氧气的传质并加速电极层内液态水的排出。之后,为更有效地研究管状DEFC阴极内部的“水淹”及传质传热问题,本文在管状DEFC的基础之上,建立三维两相流单电池模型,分析电池阴极流道高度及宽度的渐缩率对氧气对流传质以及液态水去除能力的影响。仿真结果表明,在高电流密度下流道渐缩对电池性能影响明显,其中,当高度渐缩率在55%-77%时,电性能以及液态水排出能力明显提升。而宽度渐缩有利于提高气体分布的均匀性,但会使电池性能有所降低。最后,为进一步提高氧气的对流传质能力,设计了一种新型通孔型流道DEFC,并进一步优化通孔型流道的几何参数,分析通孔几何结构及表面形状对于电池对外输出性能、氧气传质、液态水分布的耦合影响。仿真结果表明,与传统的平行流道相比,通孔型流道有效的提高了电池内部氧气对流传质效果并强化了电池的排水能力。其中,方形渐缩流道(Case C2)的整体电性能在三维通孔通道中显著提高,在电压为0.2V时功率密度相比平板型流道提高了40.86%。

关键词：直接乙醇燃料电池管状阴极水热管理传质流道

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质子交换膜燃料电池的水热管理

电池 2003年第4期33卷 258-260页

作者：胡鸣若朱新坚顾安忠石玉美上海交通大学制冷及低温工程研究所上海200030 上海交通大学燃料电池研究所上海200030

对质子交换膜(PEM)燃料电池数学模型分别以一维、两维和三维的形式讨论,得出数学模型应向三维、非等温、两相流动的方向发展,逐步发展电堆模型;将现有的加湿方法分为外部加湿法、内部加湿法、自加湿法、直接加湿膜法和其他加湿法5类,论... 详细信息

对质子交换膜(PEM)燃料电池数学模型分别以一维、两维和三维的形式讨论,得出数学模型应向三维、非等温、两相流动的方向发展,逐步发展电堆模型;将现有的加湿方法分为外部加湿法、内部加湿法、自加湿法、直接加湿膜法和其他加湿法5类,论述了各种加湿方法的原理,并对其优缺点加以评述;介绍了质子交换膜燃料电池冷却系统的一般结构和原理。

关键词：质子交换膜燃料电池水热管理数学模型直接加湿膜法电解质

基于通道设计与优化的燃料电池水热管理及性能研究

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基于通道设计与优化的燃料电池水热管理及性能研究

作者：陈承戴广东工业大学

学位级别：硕士

目前,由于持续开采化石燃料导致能源短缺以及全球性气候变暖的问题备受关注;开发可持续发展的绿色环保能源利用技术,被认为是缓解该问题的有效手段。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高能量密度、绿色环保和安全的能源利用技术,可... 详细信息

目前,由于持续开采化石燃料导致能源短缺以及全球性气候变暖的问题备受关注;开发可持续发展的绿色环保能源利用技术,被认为是缓解该问题的有效手段。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高能量密度、绿色环保和安全的能源利用技术,可以将氢能转化为电能并且产生的副产物仅仅是水。但是由于PEMFC内部存在的水热问题会导致催化剂（CL）被腐蚀甚至是破坏等问题,从而缩短电池使用寿命并降低电池性能,这极大程度上制约了它的商业化发展。为解决PEMFC水热问题,本文以阴极侧通道结构为研究对象,提出了一种耦合冷却通道和反应通道的新型通道结构。开展了通道结构参数、运行特性以及通道优化的三部分研究,探究新型通道结构对电池内部水热管理及电池性能的影响。具体的研究内容和结论如下:（1）首先,基于已验证的数值模型,研究了用于耦合冷却通道与反应通道的孔参数,包括单孔的尺寸、位置以及孔的数量。研究结果表明:最优单孔参数是长为0.4mm,宽为0.5mm和位置为20mm,这可以最大程度地提高PEMFC的电流密度输出。而增加阴极通道末端的孔数,可改善阴极气体扩散层和催化层（GDL/CL）界面中的氧气质量分数并降低水浓度。可以有效缓解水淹问题。（2）其次,通过研究阴极侧入口的相对湿度、温度以及阴极化学计量数,来探究该类新型通道下电池运行参数对电池性能的影响。结果表明:空气湿度和温度的变化对PEMFC的电流密度影响很小。在低阴极化学计量数时,与传统通道相比,具有五孔（H5）通道结构的PEMFC的电流密度明显提高。在高阴极化学计量数为2.4时,与传统通道相比,PEMFC的最大水饱和度降低了37.1%。尽管如此,高化学计量数下的新型通道电池性能增强幅度有限。（3）最后,为强化电池的水热管理能力。提出了两次优化,分别改变冷却通道倾角和中间隔板来探究其对电池内部的水热分布的影响。结果表明:改变冷却通道倾角（θ）增强了PEMFC的排水能力。与阴极化学计量数为1.8时的传统通道相比,θ=0.20°的H5中的最大水饱和度降低了43.10%且电流密度相比增加了12.54%。另外,新型通道几乎不会增加压降。基于中隔板的结构优化结果表明:在反应通道内,靠近出口的水扩散速率明显提高,且靠近入口侧的水往出口侧加速的迁移。整体的温度和氧气的均匀性得到明显提升。经对比分析发现,基于中隔板的优化可以降低最大水饱和度达60%左右。

关键词：质子交换膜燃料电池水热管理通道设计温度分布数值仿真

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燃料电池水热管理的三维仿真及优化

燃料电池水热管理的三维仿真及优化

作者：戴刘亮山东大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是当下最热门、最具发展潜力的新能源汽车动力之一,其具有噪声低、几乎零污染、能量密度高等优点。目前制约PEMFC商业化的因素主要有成本、使用寿命和性能,而良好的水热管理方案则可以有效提升PEMFC的性能... 详细信息

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是当下最热门、最具发展潜力的新能源汽车动力之一,其具有噪声低、几乎零污染、能量密度高等优点。目前制约PEMFC商业化的因素主要有成本、使用寿命和性能,而良好的水热管理方案则可以有效提升PEMFC的性能和延长使用寿命。本文搭建了三维水热管理模型,得出以下研究成果:1.搭建了双通道的三维全电池仿真模型,参考并修改了多种文献的模型中的参数与实验结果相对比,选取了精度最高的修正模型,为水热管理研究奠定了理论基础。2.基于修正后的数学模型搭建了三维六通道蛇形流场等温模型,主要研究了多孔介质中的液态水分布规律。得出如下结论:在该流场中,出口的液态水饱和度大于入口的液态水饱和度,肋板下方液态水饱和度高于流道下方,氧气浓度的分布与之相反,入口区域高于出口区域,流道下方高于肋板下方。随着电压的降低,液态水饱和度随之增加,其增长速率在0.4V至0.6V之间最大,随后又变平缓。随着进气湿度的减小,液态水饱和度明显降低,氧气质量分数明显升高。孔隙率的大小会影响多孔区域中的传质过程,孔隙率越小,传质阻力越大,导致液态水堆积,液态水饱和度增大,氧气的浓度随着减小,而肋板下方液态水饱和度在孔隙率大于0.6时,下降速度变快。气体扩散层越薄,液态水的饱和度越低,利于排水,预防“水淹”现象的出现。3.基于修正后的数学模型搭建了含冷却水流道的三维双通道全电池模型,主要研究分析了在不同流速下与不同冷却流道几何设计对于PEMFC输出性能的影响,给出相关优化的方案。结果表明:燃料电池的膜温差与膜内水含量差随着流速增大而减小;电池输出性能随着流速增大而提高,并且流速越大,变化越不明显。通过对比不同冷却流道截面形状设计方案对电池性能的影响,发现截面上加入圆角的设计可以获得更好的冷却效果,圆角梯形则是可以获得最好的电池性能。通过对比不同流道数设计方案对电池性能的影响,发现电池整体温度随着流道数的增加而降低,但是在流道数为三根时可以获得最均匀的温度分布与膜内水含量分布,此时的电池输出性能最高。

关键词： PEMFC 水热管理性能优化

碱性阴离子交换膜燃料电池水热管理的实验及仿真研究

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碱性阴离子交换膜燃料电池水热管理的实验及仿真研究

作者：何璞天津大学

学位级别：硕士

随着人类社会的发展,人们对能源效率及环境保护的要求越来越高,燃料电池以其启动快、效率高、噪声低、污染小的特点得到了越来越多的关注。在燃料电池中,碱性阴离子交换膜燃料电池（Alkaline membrane fuel cell,AMFC）具有较高的电化... 详细信息

随着人类社会的发展,人们对能源效率及环境保护的要求越来越高,燃料电池以其启动快、效率高、噪声低、污染小的特点得到了越来越多的关注。在燃料电池中,碱性阴离子交换膜燃料电池（Alkaline membrane fuel cell,AMFC）具有较高的电化学动力学特性、较低的贵金属催化剂依赖性以及较好的二氧化碳耐受性。因而,近年来受到了国内外广泛的讨论与研究。在AMFC的研究领域中,水热管理是制约其性能、成本和耐久性的关键因素之一。因此,研究其中的水热管理问题及传热传质过程,对了解AMFC工作机理、制定水热管理策略具有十分重要的意义。首先,本研究通过制备AMFC膜电极、组装燃料电池、搭建实验系统,在不同工况条件下测试了AMFC的性能。结果表明,AMFC的激活过程分为两个阶段,第一个阶段为性能提升阶段,第二个阶段为性能衰减并达到稳定的阶段。同时,阴阳两极进气加湿能十分显著地提升电池性能,并且阴极进气加湿的作用更为明显。此外,负载的增加和减小分别会引起电流密度的过冲和下冲,而且过冲及下冲的幅度会随着负载变化的增加及加载时间的缩短而加剧。其次,为了进一步了解AMFC的水热管理及传热传质机理,本研究建立了AMFC全电池的三维多相流数值模型。该模型模拟了电池内部的化学反应、质量传输、动量传输、能量传递和水的相变等过程,并与实验结果吻合较好。再次,通过建立的AMFC三维多相流数值模型,本研究分析了稳态条件下阴阳两极进气加湿、工作温度、膜厚度和膜电极疏水性等工况条件及设计参数对燃料电池性能及传热传质过程的影响。研究发现,阳极进气加湿可以提升AMFC性能,但其作用会随着加湿程度的增加而减弱。阴极进气加湿对性能的提升作用更加显著,并且高负载条件下,阴极流道中的液态水供给会进一步提高电池性能。最后,本研究分析了AMFC对负载、阴阳两极进气加湿、工作温度等工况的动态响应。在循环负载工况中,负载的加载顺序对AMFC的性能有一定影响,并且加湿程度越低,影响越显著。此外,由阴阳两极进气相对湿度降低引起的膜态水及液态水的去除速度要快于由相对湿度增加而引起的补充速度。

关键词：碱性阴离子交换膜燃料电池水热管理三维多相流数值模型传热传质动态响应

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质子交换膜燃料电池水热管理研究

质子交换膜燃料电池水热管理研究

作者：杨鹏辉郑州大学

学位级别：硕士

随着社会经济的飞速发展,化石燃料被大量消耗,相应的环境污染问题日趋严峻。如何减少化石燃料的消耗、实现能源的高效清洁利用,成为人类所面临的世纪难题。燃料电池可将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能,因其不受卡诺... 详细信息

随着社会经济的飞速发展,化石燃料被大量消耗,相应的环境污染问题日趋严峻。如何减少化石燃料的消耗、实现能源的高效清洁利用,成为人类所面临的世纪难题。燃料电池可将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能,因其不受卡诺循环限制、能量转化效率高、对环境无污染而被认为是最有前景去替代传统供能装置的能量转换装置。其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）除具有燃料电池的一般优势外,还具有工作温度低、无电解液流失、比功率高、启停响应快等突出优点而受到广大研究者的重点关注。本文结合PEMFC工作特点,从电池操作参数和材料物性参数两个方面利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对电池的水热管理进行了数值模拟研究。首先围绕PEMFC工作运行中复杂的“三传一反”过程,以基本流体力学模型和电化学反应模型中的各守恒方程为理论基础,建立了一个三维稳态PEMFC模型,并通过与前人实验结果对比以验证其正确性。结果表明在相同的条件下模拟结果与实验结果吻合性较好,电流密度和电解质平均温度最大误差分别为2.05%和0.6%,证明建立的数值模型正确并可用于后续的研究。然后通过控制PEMFC阴极GDL孔隙率研究了电池材料物性参数对燃料电池性能的影响。分别构建了四种孔隙率沿电池厚度方向变化和六种孔隙率沿电池长度方向变化的阴极GDL模型。研究了不同阴极GDL孔隙率对燃料电池性能的影响。结果表明,电池所能达到的极限电流密度与GDL平均孔隙率大小成正比,与孔隙率梯度基本无关。阴极GDL孔隙率梯度的存在可以有效改善电池内部物质（水和氧气）和电流分布的均匀性。燃料电池进口气体合适的湿度条件可以有效优化电池的水热管理,进而影响电池的输出性能。综合考虑,本文通过控制进口气体加湿温度来研究操作参数对燃料电池性能的影响。使阴、阳极进口气体加湿温度在313.15—363.15 K间变化,研究了对称加湿和非对称加湿时加湿温度对燃料电池性能的影响。发现对于对称加湿模型,加湿温度对电流密度和电池温度的影响存在一阈值,在本文所研究的加湿温度范围内,最佳进口气体加湿温度为333.15 K。对于非对称加湿模型,在高工作电压下,提高电池阴、阳极进口气体加湿温度均有助于提高电池性能,且改变阳极气体加湿温度对电池性能的影响更大,改变阴、阳极加湿温度电流密度分别增大了43.7%和58.4%;在低工作电压下,加湿温度对电池性能的影响发生改变,电流密度随加湿温度的增大而降低,且改变阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大,改变阴、阳极加湿温度电流密度分别降低了19.7%和1.3%。

关键词：质子交换膜燃料电池 GDL孔隙率梯度加湿温度水热管理数值模拟

质子交换膜燃料电池水热管理性能及通道结构研究

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质子交换膜燃料电池水热管理性能及通道结构研究

作者：王雪广东工业大学

学位级别：硕士

随着社会人口增长和能源危机现象日益加重,寻找新能源代替传统能源愈发重要。质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了具有一般燃料电池的优势外,还具有结构简单、工作温度低、发电效率高等突出优点而受到广泛关注。然而,PEMFC运行中质子交换膜... 详细信息

随着社会人口增长和能源危机现象日益加重,寻找新能源代替传统能源愈发重要。质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了具有一般燃料电池的优势外,还具有结构简单、工作温度低、发电效率高等突出优点而受到广泛关注。然而,PEMFC运行中质子交换膜要始终保持一定的湿度,湿度过大,会发生水淹现象,湿度不够则会造成膜脱水。这些都会对燃料电池的性能和寿命造成严重影响。为了确保PEMFC在可靠的温度范围内运行,并使电池内温度均匀分布。这就产生了质子交换膜燃料电池发电系统的水热管理问题。本文以开放式阴极质子交换膜燃料电池为研究对象,通过改变燃料电池的运行条件对其进行水管理,风冷散热进行热管理,同时还研究了阴极通道结构对燃料电池性能的影响。主要研究内容及结论如下:1.通过实验的方法研究了PEMFC的运行条件对电池的性能,包括氢气相对湿度、氢气流量、空气流速。结果表明:(1)氢气入口相对湿度越高,同一电流密度下的电池电压越高,池性能越好。(2)一定的氢气流量可使氢利用率和电压稳定之间达到平衡。氢气流量为200ml/min时会导致供氢不足,电化学反应无法持续下去;将流量提高到600ml/min时,可以使反应持续下去,并能获得良好的电池性能;但是流量进一步提高到800ml/min时,电池性能不再提高,多余的氢气会排出。(3)开放式阴极质子交换膜燃料电池受阴极侧空气流量的影响较大。提高流量可以提高电池性能并加强内部均温性,但是过大的流速会使电池内部膜脱水,降低电池性能。存在最佳的空气流量以提高电池性能。2.为了进一步研究风冷散热对PEMFC的性能影响,研究了燃料电池堆的角度:平放180°、竖直放90°和-90°。由于受到重力影响,实验装置竖直放置90°和-90°时,电池在同一电压下,其电流密度较高。单电池电压在0.45V时,竖直放置的方式电流密度达到0.54A/cm,水平放置方式的电流密度为0.48A/cm。其次改变风扇放置方式为电堆两边各一个,在0.4A/cm的电流密度下逐渐增大风量。其最大电压为0.49V小于风扇并排放置时的电压,且总体均温性较差。可见这种改变风扇位置的方式并不能增大燃料电池性能。3.为了进一步探究水管理方法对质子交换膜燃料电池性能的影响,设计了具有梯形陷阱阴极通道,利用Fluent软件进行仿真模拟。结果表明,每增加一个梯形陷阱个数,电流密度增大0.01A/cm。随着梯形陷阱数量的增加,陷阱处的温度明显增高,有利于CL-GDL界面的温度均匀性。另一方面,温度的升高促进氧气运动速率加快,通道后半部的电化学反应加强。由此可知,具有梯形陷阱的阴极通道可提高电池性能。4.在梯形陷阱的基础上设计了具有矩形陷阱的阴极通道。在0.5V工作电压下,具有相同数量的矩形陷阱结构的电池的电流密度比具有梯形陷阱结构的增大了4.5%,结果表示具有矩形陷阱结构的燃料电池性能更优。另一方面,随着矩形陷阱长度的增加,同一电压下电池的电流密度随之增大。

关键词： PEMFC 水热管理运行条件结构设计