流道面积比与阴极流量对交叉型流道PEMFC性能的影响

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PEMFC流道横截面二维两相流数学模型_流道设计对电池性能影响

第58卷第7期化工学报 Vo l 158 N o 172007年7月 Journal o f Chemical Industry and Eng ineering (China) July 2007研究论文PEMFC 流道横截面二维两相流数学模型(Ⅱ)流道设计对电池性能影响王红星,许莉,王宇新(天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072)摘要:利用之前建立的数学模型(acr oss -the -channel model)研究了流道设计对电池性能的影响。

结果表明,对不同增湿条件的质子交换膜燃料电池(PEM F C),其流道设计策略应有所不同:在增湿较差或者不增湿的条件下,电池阴极流场板应当采用较宽的脊以获得较好的保湿效果;在增湿较好的条件下,则应当采用较窄的脊以增强阴极排水功能,从而提高电池性能。

关键词:质子交换膜燃料电池;数学模型;流道设计中图分类号:T M 91114 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2007)07-1699-07Two -ph ase flow across -the -ch annel model of PEMFC (Ⅱ)Cell performance affected by channel designWANG Hongxing,XU Li,WANG Yu xin(State K ey L abor ato ry of Chemical Eng ineer ing ,School of Chemical Engineer ingand T echnology ,T ianj in Univ er sity ,T ianj in 300072,China )Abstract:T he effects o f channel design on the perform ance o f proton exchange membrane fuel cell (PEM FC)are addressed w ith the mathem atical m odel developed in part (Ⅰ).T he result show s that PEMFCs w ith different humidities have different design strategies 1For a fix ed electr ode w idth,nar row er shoulders are preferred for the hig h humidity inlet PEM FC,w hereas w ider shoulders are prefer red to pro mote slow er w ater remov al fo r the low humidity inlet PEMFC.Key words:proton ex chang e membrane fuel cell;mathem atical model;channel desig n2006-10-11收到初稿,2007-02-08收到修改稿。

基于科赫曲线的PEMFC新型流道设计

质子交换膜燃料电池流道结构对反应气体流动、热交换、电化学反应具有重要影响。

目前，常见流道集中在蛇形、叉指形、点状形、波浪形、平行直流道以及相关改进流道，且在气体均匀性、水管理性能和输出性能上仍有待改进。

受数学几何领域的科赫曲线启发，本团队提出了一种新型流道结构，即以圆心为中心向四周辐射，并在6条主干流道的基础上依次添加不同级别的分支流道，最终形成30个流道出口。

建立三维稳态单向等温的燃料电池模型，在工作温度为60 ℃，进气相对湿度为100%工况下，搭建燃料电池测试平台进行实验，并借助ANSYS Fluent 2020进行仿真，模型仿真结果与实验结果基本吻合，验证了模型的有效性。

将新型流道与传统蛇形流道仿真结果进行比较，分析膜电极电流密度、流道氧气质量分布、流道与气体扩散层交界面水质量分布、膜水含量、流道压力等，结果表明，相比蛇形流道，新型流道的进排气口压降较小、流速较慢，但具有反应气体分布更均匀、水管理效果更好和膜电流密度、输出功率更高等优势，且峰值电流密度增加9.60%、峰值功率密度增加12.70%，有望为燃料电池流道结构创新提供新的思路。

关键词质子交换膜燃料电池；科赫曲线；新型流道；数值模拟燃料电池是一种电化学能量转换装置，能够直接将化学能转换为电能，且不受卡诺循环限制，具有较高的能量利用率。

其中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)因其高效、清洁、噪声小、功率密度高、工作温度低、启停响应快等优点受到全球广泛关注。

然而PEMFC大规模商业化过程仍然存在如耐久性、内部组分分布不均导致的输出性能降低等技术问题。

双极板是PEMFC中的一个重要结构，具有支撑电池、传导电子、输送反应气体、传导散热、排除水分等作用，可以考虑通过改进极板内部流道设计来提升PEMFC整体性能，加速PEMFC发展。

此外，良好的流道设计可以促进反应气体在活性区的均匀分布，并确保传质的效率和稳定性，降低反应气体的压力损失、寄生功率。

不同流场的PEMFC性能研究

不同流场的PEMFC性能研究罗鑫;陈士忠;夏忠贤【摘要】In order to study the output performance of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) under normal temperature in different flow field,a coupling gas passage was improved and two-phase,three-dimensional,multi-component PEMFC model for gas diffusion layer was established.The influence of four kinds of flow field was considered on the output performance of PEMFC.Under the condition that the temperature was set 70 ℃ and the effective area was set 3.61 cm2,it was found that the performance of the single-side interdigital single serpentine flow field was the best,and the single serpentine flow field was the worst.The shape of the anode flow field had little effect on the performance of the PEMFC.The single-side interdigital single serpentine flow field had the most uniform oxygen concentration distribution.The oxygen concentration difference was 6.41 mol/m3.It also had the best drainage performance.The water concentration difference was 10.25 mol/m3 in the cathode flow field.%改进了一个耦合气体流道和气体扩散层的两相、三维和多组分质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,研究4种流道形式对PEMFC输出性能的影响.设定温度为70℃,有效面积为3.61 cm2的情况下,发现单边交指单蛇形流道的性能最好,单蛇形流道的性能最差.阳极流场的形状对PEMFC性能的影响不大.单边交指单蛇形流道的阴极氧气浓度分布最均匀,浓度差值为6.41 mol/m3,同时排水性能最好,阴极流道内水浓度差值为10.25 mol/m3.【期刊名称】《电池》【年(卷),期】2017(047)004【总页数】4页(P208-211)【关键词】燃料电池;COMSOL;阳极氢气浓度;阴极氧气浓度;阴极水浓度【作者】罗鑫;陈士忠;夏忠贤【作者单位】沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳 110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳 110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳 110168【正文语种】中文【中图分类】TM911.42Abstract：In order to study the output performance of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) under normal temperature in different flow field，a coupling gas passage was improved and two-phase，three-dimensional，multi-component PEMFC model for gas diffusion layer was established.The influence of four kinds of flow field was considered on the output performance of PEMFC.Under the condition that the temperature was set 70 ℃ and the effective area was set 3.61 cm2，it was found that the performance of the single-side interdigital single serpentine flow field was the best，and the single serpentine flow field was the worst.The shape of the anode flow field had little effect on the performance of the PEMFC.The single-side interdigital single serpentine flow field had the most uniform oxygen concentration distribution.The oxygen concentrationdifference was 6.41 mol/m3.It also had the best drainage performance.The water concentration difference was 10.25 mol/m3 in the cathode flow field. 关于质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道结构的研究从未停歇过，其中K.K.Vesselin 等[1]建立的高温PEMFC的三维计算流体动力学电化学模型，描述了单体电池内部的流体动力场中的耦合现象和电化学反应。

PEMFC流道横截面二维两相流数学模型(Ⅱ) 流道设计对电池性能影响

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第５卷第７８期２００７年７月
化
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（ｉａＣｈｎ）
ＶｏＬ５８Ｎｏ．７
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ＪｕｎｌｏＣｈｍｉａＩｄｓｒａｄＥｎｉｅｒｇｏｒａｆｅｃｌｎｕｔｙｎｇｎｅｉｎ
ＰＥＭＦＣｓｗｉｈｄｆｅｅｍｉｔｅｖｅｄｉｆｒｎｅｉｔａｔｇｅ．ｒａｆｘｄｅｅｔｏｉｈ，ｎｒｏｒｔｉｆｒｎｔｈｕｄｉｉｓｈａｆｅｅｔｄｓｇｎｓｒｅｉｓＦｏｉｅｌｃｒｄｅｗｄｔａｒｗｅｓｏｕｄｅｓａｅｒｆｒｅｏｈｅｈｉｈｕｉｉｙｎｌｔｈｌｒｒｐｅｅｒｄｆｒｔｇｈｍｄｔｉｅＰＥＭＦＣ，ｗｈｒａｗｉｅｓｏｕｄｅｓｒｅｅｒｄｏｅｅｓｄｒｈｌｒａｅｐｒｆｒｅｔｐｒｍｏｅｓｏｒｗａｅｅｏｔｌｗｅｔｒｒｍｏｖｌｆｒｔｏｈｕｍｉｔｎｌｔＰＥＭＦＣ．ａｏｈｅｌｗｄｉｙｉｅＫｅｒｓ：ｐｏｏｘｃａｎｅｙｗｏｄｒｔｎｅｈｇｅｍｍｂｒｎｕｅｅｌａｅｆｌｃｌ；ｍａｈｅｔｃｌｍｏｌｈ；ｅｅｉｔｍａｉａｄｅ；ｃａｍｌｄｓｇｎ
引言
氢氧质子交换膜燃料电池是以氢气作为阳极反应气、氧气作为阴极反应气的一种发电装置。它的

PEMFC气体扩散层变形对流道内水传输的影响

PEMFC气体扩散层变形对流道内水传输的影响易伟;陈涛;刘士华;陈见【摘要】The micro-groove model of the gas diffusion layer (GDL) surface in proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)gas channels was established. Considering the shedding of the hydrophobic coating on the micro-groove of the GDL surface, the wall in the micro-groove was regarded as hydrophilic. The Volume of Fluid (VOF)model in FLUENT software was used to simulate the water transmission in PEMFC gas channel. It is concluded that the hydrophilic micro-groove on the surface of GDL will obstruct the transmission and discharge of liquid water in the gas channels. The influence of air flow rate on the water transport in the gas channels was analyzed by comparing the volume fraction of liquid water with three different air flow rates. And it was significant for correctly understanding the water transport phenomenon in PEMFC gas channel and improving the water management performance of PEMFC.%建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道内气体扩散层(GDL)表面的微型凹槽模型,考虑到GDL表面微型凹槽处疏水涂层的脱落,将微型凹槽内的壁面当作亲水性壁面处理,运用FLUENT软件中的Volume of Fluid(VOF)模型模拟PEMFC处于工况下流道内液态水的传输现象,得出了在GDL表面的亲水性微型凹槽会阻碍流道内液态水的传输及排出的结论,并通过对比三组不同空气流速下流道内液态水的体积分数,分析了空气流速对流道内水传输的影响,对于正确认识PEMFC流道内的水传输现象和提高PEMFC的水管理性能具有重要意义.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2019(043)004【总页数】4页(P580-582,621)【关键词】质子交换膜燃料电池(PEMFC);气体扩散层(GDL);Volume ofFluid(VOF);水管理【作者】易伟;陈涛;刘士华;陈见【作者单位】武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉 430070;武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉 430070;武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉 430070;武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉 430070【正文语种】中文【中图分类】TM911水管理是影响PEMFC性能的主要因素，水淹会严重影响PEMFC的性能，因此液态水在PEMFC流道内的高效传输和排除成为了水管理的一个重要方面。

渐变型流场对PEMFC传质和性能的影响

渐变型流场对PEMFC传质和性能的影响张宁;张小娟【摘要】质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Full Cell,PEMFC)流场板结构对燃料电池性能有着重要的影响.在保证模型尺寸和结构尺寸的前提下,建立了阴极、阳极、阴阳极分别具有渐变型流场的质子交换膜燃料电池三维模型,并用有限控制体法对模型进行了求解.结果表明,在大电流区域,渐变形流场可以提高气体的浓差扩散,从而提高电池的性能,但阴极氧气的传输对电池性能的提高远大于阳极氢气的传输对电池性能的提高.因此,阴阳极均为渐变型流场的电池性能最好;阴极为渐变型流场,阳极为直型流场的电池性能次之;阴极为直型流场,阳极为渐变型流场的电池性能再次;阴阳极均为直型流场的电池性能最差.%The structure of flow field has significant influence on the performance of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC).In this paper,PEMFC models with gradually-varied flow field in cathode,in anode,and both were created and solved by means of finite control volume method.The results show that,at high current densities,the concentration diffusion will be improved by gradually-varied flow field,but the effect of the oxygen transfer in cathode is more important than that of the hydrogen transfer in anode,so the fuel cell which has the gradually-varied flow fields both in cathode and in anode has the best performance;that which has the gradually-varied flow fields in cathode and direct floe field in anode has good performance;that which has the direct flow field in anode and gradually-varied flow fields in anode has bad performance;that which has the direct flow fields both in cathode and in anode has the worst performance.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2017(041)003【总页数】4页(P395-398)【关键词】质子交换膜;燃料电池;流场;渐变型;模拟【作者】张宁;张小娟【作者单位】成都理工大学工程技术学院核工程与新能源技术系,四川乐山614000;成都理工大学工程技术学院核工程与新能源技术系,四川乐山614000【正文语种】中文【中图分类】TM911.4质子交换膜燃料电池(PEMFC)的流场板除了起集流、为电池提供支撑作用外，还起着均匀分配氧化剂，燃料以及导出反应生成热量的作用[1]。

PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述-燃料电池论文

PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。

双极板(流场板)是质子交换膜燃料电池的重要部件, 其质量占电池堆60%以上。

流场板上的流道设计对电池性能、运行效率和制造成本有很大影响。

系统地综述了现有的流道设计, 剖析了流道的功能及其对电池性能的影响, 并在此基础上讨论了流道设计的设计要点。

关键词: 质子交换膜燃料电池；双极板；流道设计质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源【1】。

双极板是 PEMFC 的重要部件, 其两面都有加工出的流道,起着分布反应气、收集电流、机械支撑、水热管理以及分隔阴阳两极反应气的重要作用。

实际上, 燃料电池堆的设计很大程度上就是双极板的设计。

据文献报道,适当的流道设计能够使电池性能提高50%左右。

流道结构决定反应气与生成物在流道内的流动状态,设计合理的流道可以使电极各处均能获得充足的反应气并及时排出生成的水, 从而保证燃料电池具有较好的性能和稳定性。

流场的设计要满足以下几个方面的条件:(1)流场设计的基本原则是保证在一定的反应剂供应量情况下，电极各处均能获得充足的反应剂。

特别是对十大面积的电极尤为重要，电极工作面积放大过程中流场设计不合理往往是造成电池性能下降的主要原因之一。

(2)依据电极与双极板材料的导电特性，流场沟槽的面积应有一个最优值。

沟槽面积和电极总面积之比一般称为双极板的开孔率，其值应在40%～75%之间。

开孔率太高会造成电极与双极板之间的接触电阻过大，增加电池的欧姆极化损失。

(3)由流场结构所决定的反应剂在流场内的流动状态，应有利于反应剂经电极扩散层向催化层反应点的传递，并能促进反应产物的顺利排出。

(4)在一定的流量下，反应剂通过流场的压力降要适中，一般为千帕的数量级。

压力降太大会造成过高的动力损失，压力降太小则不利于反应剂在并联的多个单节电池间的分配。

燃料电池双极板研究进展调研报告(全面)

燃料电池双极板研究进展调研报告1. 国内外现状质子交换膜燃料电池(PEMFCs)可以将氢能直接转化为电能，被认为是下一代汽车，固定式和便携式应用中最具前景的新能源系统。

PEMFCs具有启动快，工作温度相对较低，对各种环境能够快速响应，无污染和高能效等优点。

一个PEMFC电堆通常由双极板(BPPs)，膜电极组件(MEAs)，密封垫和端板组成。

在这些组件中，BPPs约占电堆重量的80%，几乎全部的电堆体积，以及约18-28%的电堆成本。

此外，BPPs在PEMFC电堆中具有至关重要的作用，如传导电子，分配化学燃料，分隔单个电池，支撑薄而机械强度较弱的MEAs，以及促进电池内部的水管理。

因此，BPPs必须满足可加工性，耐电化学腐蚀，界面导电性和成本效益等要求。

目前常用的双极板包括石墨材料、石墨复合材料、金属材料，这三种双极板材料均具有良好的导电性，但针对不同的应用场景要有一些特殊考虑。

纯石墨双极板导电性好，但通常要机械雕刻出流道，加工效率低、成本高，是第一代双极板技术，已逐渐被取代。

石墨复合材料通常是采用碳粉与树脂等组分按一定比例混合制成的，可以通过模压方法加工流场，具有良好的经济性；但树脂等非导电性物质的加入会在一定程度上影响导电性，尤其是在大电流密度下表现明显，不利于提高功率密度；因此，石墨复合材料要在保证双极板的致密性、可加工性基础上尽可能提高导电性。

金属是电与热的良导体，其作为双极板材料得到越来越普遍的应用，尤其是车辆空间限制(如乘用车)，要求燃料电池具有较高的功率密度。

薄金属双极板以其可以实现双极板的薄型化及本征的优良导电特性，成为了提高燃料电池功率密度的首选方案；目前各大汽车公司大都采用金属双极板技术，如丰田汽车公司、本田株式会社、现代汽车有限公司等。

金属双极板技术挑战是其在燃料电池环境下(酸性、电位、湿热)具有耐腐蚀性且对燃料电池其他部件与材料的相容无污染性。

目前常用的金属双极板材料是带有表面涂层的不锈钢或钛材。

流场尺寸对PEMFC性能影响

Internal Combustion Engine&Parts0引言燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能与热能，不受传统热机的卡诺循环限制[1]，效率较高且对环境友好[2]，越来越受到各国政府与研究机构的重视。

在PEMFC流场设计中普遍采用蛇形流场，其中蛇形多通道流场相比蛇形单通道流场压降要小，适应于流场面积较大的情况。

但仍可能存在某条通道堵塞的情况[3]。

因此基于COMSOL Multiphysics 软件对不同通道尺寸的流场进行仿真计算，以分析流场通道尺寸对燃料电池性能的影响。

1流场通道形状的影响流场通道的形状的选取也很重要。

梯形通道的加工较为不易，而圆弧形的通道底部则会使凝结的水形成一层水膜，影响气体的扩散从而影响反应速率。

具有尖角的通道结构有助于破坏水膜的表面张力从而阻止水膜的形成[4]。

流场通道的尺寸对电池性能的影响很大，通常通道尺寸在0.4-4mm之间变化[5]，通道过窄，则不易于气体扩散层排水，通道越宽，则反应气体与扩散层接触越直接。

在燃料电池的试验研究中流道宽度尺寸普遍采用0.8-1.0mm[6，7，8]。

2建立模型2.1几何与物理模型在COMSOL软件中建立的多通道蛇形流场的模型结构如图1所示。

其中气体流动方向为左上方流入，右下方流出。

其中通道尺寸为0.8mm的模型所需的几何与物理参数如表1所示。

通道尺寸为1mm的模型除流场通道尺寸及肋宽不同其他参数与表1保持一致。

名称数值通道宽度通道高度肋宽GDL高度电阻电池温度氧气浓度GDL孔隙度GDL渗透性入口H2O质量分数入口O2质量分数入口流速0.8mm0.8mm0.7mm0.5mm2.85×10-5Ω·m2453.15K40.88mol/m30.41.18×10-11m20.0230.2282m/s表1模型参数———————————————————————作者简介:郑宇（1996-），男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向为燃料电池设计与匹配；张强（通讯作者）（1973-），男，副教授，工学博士，硕士生导师，主要研究方向为内燃机燃烧及排放控制技术、车辆NVH（减震降噪及舒适性）研究、车辆及发动机总能利用技术等。

PEMFC不同流道蛇形流场的三维建模仿真

PEMFC不同流道蛇形流场的三维建模仿真赵康;赵志军;程骁【摘要】基于COMSOL Multiphysics软件对质子交换膜燃料电池阴极二流道和三流道蛇形流场进行三维建模仿真,研究压力、氧浓度和电流密度等参数的分布.在流量为10 L/min、电压为0. 4 V和有效面积为4. 5 cm2的条件下,二流道和三流道的进出口压差分别为357 Pa和225 Pa,出口氧浓度分别为1. 7 mol/m3和1.42 mol/m3,最大电流密度均为1 1 200 A/m2.【期刊名称】《电池》【年(卷),期】2018(048)005【总页数】4页(P318-321)【关键词】质子交换膜燃料电池(PEMFC);COMSOL;蛇形流场;三维建模仿真【作者】赵康;赵志军;程骁【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TM911.41燃料电池不受卡诺循环的限制，效率可以达到50%～70%[1]。

F.F.Thomas等[2]进行二维建模，对电池的水热管理进行研究，得出空燃比f>1时，水开始在膜两侧移动；水换热系数h=36 W/m2时，电池的性能最佳。

S.Y.Jung等[3]把模型扩展到三维，研究发现：在压力1.01×105 Pa、进气温度80 ℃及电池温度70 ℃的条件下，电流密度可达1.1 A/cm2。

以上研究只针对单一模型结构，无法体现电池流场结构的好坏。

本文作者基于COMSOL Multiphysics软件，对质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极进行三维建模，对比二流道和三流道蛇形流场各参数分布情况，分析两种流场结构的优劣。

1 模型的建立1.1 建立物理、几何模型如图1所示，模型分3个区域：气体流道，气体扩散层(GDL)和阴极电极。

阴极电极简化为一个面，通过COMSOL的数学计算模块计算电流密度的分布。

阴极相对湿度对质子交换膜燃料电池电化学性能的影响

引用格式：朱京宇，谈金祝，孙澳．阴极相对湿度对质子交换膜燃料电池电化学性能的影响［Ｊ］．南京工业大学学报（自然科学版），２０２１，４３（４）：４５６－４６０．
ＺＨＵＪｉｎｇｙｕ，ＴＡＮＪｉｎｚｈｕ，ＳＵＮＡｏ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃａｔｈｏｄｅｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌ
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第４２卷
表２供气温度８０ ℃下各相对湿度对应的露点加湿器温度
Ｔａｂｌｅ２Ｄｅｗ⁃ｐｏｉｎｔｈｕｍｉｄｉｆｉｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏｅａｃｈ
ｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙａｔｔｈｅａｉｒｓｕｐｐｌｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ８０ ℃
ｈｕｍｉｄｉｔｙｏｆ２５％，４０％，７０％，８５％ａｎｄ１００％ｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ２４６％，０５８％，４１１％，１０７１％ａｎｄ
２６９６％，ａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｏｐｅｎｃｉｒｃｕｉｔｖｏｌｔａｇｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ１８９％，１０９％，２０１％，２２％ａｎｄ
池内部，进行反应产生电流。
表１单个燃料电池的几何参数
Ｔａｂｌｅ１Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｓｉｎｇｌｅｆｕｅｌｃｅｌｌ
双极板上流道长度／ｍｍ
５０
双极板上流道宽度／ｍｍ
１２
阴极流道深度／ｍｍ
１２
阳极流道深度／ｍｍ
电池有效面积／ｃｍ２
相对湿度／％

PEMFC流场板流体压降研究

PEMFC流场板流体压降研究帅露;詹志刚;张洪凯;隋桀;潘牧【摘要】流体压降是质子交换膜燃料电池(proton electrolyte membrane fuel cell,PEMFC)流场板设计的一个重要指标.以25 cm2单蛇形流场板为研究对象,选取单相流及不同的二相流模型,同时考虑膜电极(membrane electrode assembly,MEA)在组装后压缩变形凸进流道中对流通有效截面积的影响,模拟计算流体压降,并与流阻实测值进行比较.结果表明:在低于1 500 mA/cm2的常用工况下,基于English-Kandlikar二相流模型,同时考虑MEA组装变形影响的流体压降计算值与实测值最为接近.该结论对流场设计具有参考意义.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2018(042)008【总页数】5页(P1163-1167)【关键词】质子交换膜燃料电池;流场板;压降;二相流【作者】帅露;詹志刚;张洪凯;隋桀;潘牧【作者单位】武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北武汉430070;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北武汉430070;武汉理工大学能源与动力工程学院,湖北武汉430070;武汉理工大学能源与动力工程学院,湖北武汉430070;武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉430070;加拿大维多利亚大学机械系集成能源系统实验室,加拿大维多利亚市V8P 5C2;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北武汉430070【正文语种】中文【中图分类】TM911质子交换膜燃料电池 (proton electrolyte membrane fuel cell，PEMFC)是一种新型的能源发电装置，它直接将氢气和氧气中的化学能转换成电能，和其他类型的发电装置相比，PEMFC具有很多优点，如高能量密度﹑零排放和低温快速启动等，适用于交通运输中，是未来车辆的理想动力源[1]。

化学计量比对PEMFC超调的影响

化学计量比对PEMFC超调的影响张永生1,2詹志刚11武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉(430070)2 武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉(430063)E-mail：zhang-262519@摘要：文章建立了一个三维蛇形流场燃料电池模型，计算了不同化学计量比的情况下质子交换膜燃料电池的动态特性，对超调现象从机理上进行了分析。

结果表明：在反应气体的相对湿度较高，过量系数大于1时，电流密度的超调主要受氧气浓度的影响，而氧气的浓度又受水浓度的影响；在氢气过量系数小于等于1时，电流密度的超调主要受氢气浓度的影响。

关键字：质子交换膜；燃料电池；化学计量比；超调；动态中图分类号：TK911．引言质子交换膜燃料电池运行时，操作参数的改变常常会引起电流密度的超调，国内外很多学者对超调现象进行了研究。

G.L. Hu et al.[1]利用Fluent软件模拟了蛇形流道单电池的瞬态响应，观察到了在电压变化时电流密度会出现超调现象，但并没有对引起超调现象的原因从机理上进行解释。

J. Hamelin et al.[2]通过实验测试了35个232cm2的单电池组成的10kW的PEMFC电堆系统的瞬态响应，观察到了电流、电压的超调现象，但没有对其进行解释。

P.R. Pathapati et al.[3]运用Simulink进行了仿真，发现在电流密度改变时电压会出现超调现象，认为这种现象是由阴极催化层中质子浓度的变化引起的。

Y. Wang et al.[4]还研究了电流密度改变时电压的超调现象，结果表明，这种超调现象是因为阳极催化层中水含量的动态分布引起的，阳极催化层中水含量在电流密度增加时先降低后增加，在0.3s达到最小值，与电压达到最小值的时间一致。

Y. Wang et al.[5]模拟了进气加湿的改变对电流密度的影响，观察到PEMFC在电压突然改变时电流密度会出现超调现象，认为电流密度超调的原因是膜的润湿过程滞后于阴极氧气传输。

阴极不同进气对PEMFC性能影响的实验研究

阴极不同进气对PEMFC性能影响的实验研究
闵春华;林鸿;缑志斌;李增耀;何雅玲;陶文铨
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】2007(28)3
【摘要】针对阴极通纯氧气或空气两种情况,实验研究了温度及化学计量比的变化对反应面积为9 cm^2、具有平行流场的PEMFC性能的影响。

结果表明:升高电池温度可提高PEMFC的性能及极限电流密度;在本实验条件下,为提高电池性能,阴极通纯氧时,阳极化学计量比/阴极化学计量比应高于1．5/3．0,通空气时,两者之值应高于3．0/6．0;相对于阴极通空气的情况,阴极通氧气时电池性能显著提高,故在条件允许的前提下应尽量以纯氧作为氧化气体。

【总页数】3页(P496-498)
【关键词】质子交换膜燃料电池性能;平行流场;氧化气体;化学计量比
【作者】闵春华;林鸿;缑志斌;李增耀;何雅玲;陶文铨
【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.阴极扩散层孔隙率不同分布对PEMFC性能的影响 [J], 张宁;张小娟
2.PEMFC阴极中氧扩散和电化学反应模型研究Ⅱ. TFFA模型参数对电极性能的影响 [J], 王晓琳;何雨石;庄铭军;徐艳辉
3.阴极Pt负载量和背压对PEMFC性能的协同影响规律 [J], 孟优权;王超;张卿雷;沈水云;朱凤鹃;杨宏;章俊良
4.阴极流道布置形式对蛇形流道PEMFC性能的影响 [J], 石磊; 郑明刚; 孔祥利
5.阴极湿度与电流密度对PEMFC性能的协同影响 [J], 陆佳斌;申欣明;陈明;朱凤鹃;章俊良
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PEMFC平行流场宽度对流动特性影响

PEMFC平行流场宽度对流动特性影响黄浩晖;章建波;胡天恩;邱成【摘要】质子交换膜燃料电池(PEMFC)平行流场有结构简单制造成本低优点,但其较低的流场压降易产生反应气体流动性差导致电池输出性能下降.文章以恒定面积为25cm2平行流场的流道为研究对象,利用数值方法研究流道在不同宽度条件下对气体流动特性影响.研究发现流道宽度的减少会增加流道压降,使整个流道的反应气体质量流量变地越均匀,而流道宽度的增大使流道中间端与流道两端之间的压降差异变小,且反应气体质量流量也会降低,此处也易产生流道积水现象,气体的流动特性是最差的.【期刊名称】《宜春学院学报》【年(卷),期】2017(039)003【总页数】3页(P1-3)【关键词】PEMFC;流动特性;平行流场【作者】黄浩晖;章建波;胡天恩;邱成【作者单位】宁波海天驱动有限公司,浙江宁波315801;宁波海天驱动有限公司,浙江宁波315801;宁波海天驱动有限公司,浙江宁波315801;宁波海天驱动有限公司,浙江宁波315801【正文语种】中文【中图分类】TM911目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)有许多不同类型流场设计，传统的流场设计如：点状流场[1]，平行直流场[2]，蛇形流场[3]，交指型流场[4]和多孔金属或碳板流场[5，6]。

每种流场设计都有自己的优缺点，结合各个流场的优点来设计的变形流场是也开始广泛地使用。

其中一个例子是平行直流场设计特征是入口和出口之间的压降比较低，这使得水的排除能力会下降严重影响电池性能输出，但其结构简单制造成本使其低广泛使用，所以对平行流场研究也是目前PEMFC流场研究的一个重点。

徐云飞等[7]建立PEMFC阴阳极气体扩散层几何模型研究宽脊背流场对PEMFC的性能影响，研究发现流场背脊宽度减少有利于电池性能上升，李云峰[8]等通过研究发现流道宽度和深度减少电池性能会上升。

以上研究都考虑了流道背脊宽度，流道宽度以及深度对电池性能影响，但是没有把流道宽度与流道压降和质量流量一起考虑对流场流动特性的影响。

PEMFC流道结构对电池水管理影响的研究

PEMFC流道结构对电池水管理影响的研究
孙亚浩;朱瑞杰;陈小松;詹志刚
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2022(46)9
【摘要】质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理是影响其电性能及耐久性的关键因
素之一。

基于VOF两相流模型,对直流道、局部窄直流道、文丘里流道以及波浪形流道在不同气体流速下液态水的运动状态进行模拟,研究不同流道结构的排水性能。

结果表明:当气体流速较低时,表面张力和壁面的粘附力的作用大于气体惯性力的影响,液态水在流道壁面上大量积聚,堵塞GDL中的水/气通道;局部窄直流道和文丘里流道“窄处”的文丘里效应,对气体具有加速作用,增强了流道排水性能,但同时也会增加气体压力;兼顾电池水管理与系统效率,需要优化局部窄直流道和文丘里流道的
结构尺寸及宽窄变化频率。

【总页数】4页(P1017-1020)
【作者】孙亚浩;朱瑞杰;陈小松;詹志刚
【作者单位】武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室;武汉理工大学汽车工
程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM911
【相关文献】
1.PEMFC流道横截面二维两相流数学模型(Ⅱ)流道设计对电池性能影响
2.PEMFC 直通道流场结构对电池性能的影响
3.PEMFC流场结构对电池性能的影响
4.气流流速对PEMFC流道水管理影响的数值模拟研究
5.气流流速对PEMFC流道水管理影响的数值模拟研究
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基于田口方法的PCHE流道布置方式的仿真分析

基于田口方法的PCHE流道布置方式的仿真分析
冀禹昆;史雪梅;余智强;齐宏;于喜奎;郎振
【期刊名称】《节能技术》
【年(卷),期】2022(40)5
【摘要】高超飞行器的热管理技术对飞行器的性能具有重要的影响。

本文研究了航空发动机中燃-滑油印刷板式换热器流道的布置方式,并根据基于田口方法得到了最佳的流道布置方式。

首先本文在简化的研究模型的基础上给出了评价换热器的性能指标,接着探究了不同工况对换热芯内部流动与换热特性的影响,以及不同影响因素对于换热芯综合性能的影响程度的区别。

最后采用正交实验结合信噪比的研究方法对模拟结果进行了分析,建立了完整的预测方法,可以不通过全面的对比分析与模拟便可较为准确的预测最佳流道布置,从而实现了最大程度的节约资源的目的。

【总页数】7页(P470-476)
【作者】冀禹昆;史雪梅;余智强;齐宏;于喜奎;郎振
【作者单位】哈尔滨工业大学能源科学与工程学院;空天热物理工业和信息部重点实验室;航天推进技术研究院;中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.阴极流道布置形式对蛇形流道PEMFC性能的影响
2.基于田口方法的催化器热害仿真分析
3.新滩口泵站改造方案全流道仿真分析
4.樊口二站流道底板混凝土不同
浇筑方案的温控仿真分析5.基于田口方法的抽水蓄能电机空载电压波形影响因素优化分析
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常规流场下各向异性扩散层对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响

常规流场下各向异性扩散层对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响何广利;丁信伟;由宏新;Abuliti Abudula【期刊名称】《高校化学工程学报》【年(卷),期】2005(19)6【摘要】为了研究扩散层各向异性对电池性能的影响,以为各向异性的表征,建立了使用常规流场的质子交换膜燃料电池二维传质模型.考虑了阴阳极内物质的对流和扩散、水和质子在膜内传递以及催化层的电化学反应.利用有限差分法对控制方程进行离散,采用逐次超松驰法求解得到了阴阳极反应气体和水的浓度分布以及催化层电流密度、膜中水含量、膜中电势和电流密度的分布.分析结果表明:在时增大XD有利于提高电池性能,但随着XD增大其对电池性能的影响逐渐减小;并且XD对电池性能的影响主要体现在对阴极和膜性能的影响上,其对阳极性能的影响甚微.【总页数】6页(P818-823)【作者】何广利;丁信伟;由宏新;Abuliti Abudula【作者单位】大连理工大学,化工学院,辽宁,大连,116012;大连理工大学,化工学院,辽宁,大连,116012;大连理工大学,化工学院,辽宁,大连,116012;日本青森工业综合研究所, 日本青森 030-0113【正文语种】中文【中图分类】TM911.48【相关文献】1.具有梯度结构扩散层的质子交换膜燃料电池性能研究 [J], 詹志刚;张永生;肖金生;罗志平;潘牧2.扩散层各向异性对质子交换膜燃料电池影响的研究 [J], 周怡博;刘頔3.质子交换膜燃料电池内扩散层/流道表面处液态水滴的运动特征 [J], 肖宇;明平文;衣宝廉4.扩散层形态对质子交换膜燃料电池性能的影响 [J], 王晓丽;张华民;张建鲁;吴金锋;吴川;衣宝廉5.CeO2改性阴极扩散层对质子交换膜燃料电池性能的影响 [J], 王婕润;傅杰;王欣欣;刘畅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

PEMFC流道的多目标优化

PEMFC流道的多目标优化
于建平;魏慧利;许思传
【期刊名称】《能源工程》
【年(卷),期】2022()1
【摘要】流道是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成部分,能够通过影响PEMFC的传质表现影响其性能。

建立了一个单直流道的三维单相非等温PEMFC 数值模型,以此为基础,采用基于非支配排序的多目标遗传算法(NSGA-II)以PEMFC 的总功率和寄生功耗为目标对流道结构进行优化。

在优化后得到的Pareto前沿中选择最优的流道结构。

结果表明,相比于初始的矩形流道,最优流道的横截面为梯形截面,而且整个流道沿轴向呈现锥形结构。

在0.5V电压下,最优流道下的PEMFC总功率较优化前提高了10.21%,寄生功耗降低了0.032%。

不仅如此,优化后的PEMFC具有更均匀的氧气和电流密度分布。

【总页数】7页(P22-28)
【作者】于建平;魏慧利;许思传
【作者单位】同济大学汽车学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.4
【相关文献】
1.PEMFC交指型流道及扩散层的气场模拟和优化
2.基于约束多目标粒子群算法的倒刺型流道优化
3.PEMFC蛇形流道几何结构的多目标优化
4.基于灰关联分析的卡门涡街形流道多目标优化
5.基于粒子群算法的弯道环流式流道多目标优化
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