质子交换膜燃料电池分布参数模型数值仿真研究进展
车用质子交换膜燃料电池性能仿真与试验研究

质子交 换膜燃 料 电池 ( rtnE c a g r— P oo x h n eMe e
b a eF e C l , 称 P MF ) 移 动 能 源 最 好 的 rn ul e s 简 l E C是
仿 真结果 与试验结 果进行 比较 , 验证 公式正确性 后 , 分 析各运行 参数对 电池性 能的影 响。
为活 化 电压 损
失 ,3 为欧姆 电压损 失 ,3 为浓 差 电压损 失 , 7 7 E 为燃 料 电池 的开路 电压 。
作者 简 介 :倪淮 生 (95 )男 , 17一 , 安徽 省繁 昌县人 , 读博 士 , 在 主要研 究方 向为 燃料 电池发 动机 系统 优化与 试验 研究 ; iui eg f -kCY。 nha hn ̄ c s / s v O1
压力 、 电池温 度 和气体 相 对湿 度 的 函数 。燃料 电池 实 际的输 出电压是燃 料 电池 开路 电压减 去 3 种损 失 ( 即活化损失 、 欧姆损 失和浓 差损失 ) 引起 的电压 降 ,
如式 () 示 : 1所
7 3 f 一 E 一 t 一 。 h m— 。 。 () 1
池 系统 的整 体性能 , 料 电池 系 统 的优 化设 计 和分 燃
极 和 阴极 , 经过 电极 扩 散 层扩 散 到达 催化 层 和质 子 交换 膜 的界 面 , 分别 在催化剂 的作用 下 , 发生 氧化和
还原 反应 。
阳极 : — H2 2 H +2 一; e
1
析 变得十分 重要 。仿真 以其 在一定 可靠性下 具有低
第 5期 ( 第 1 8 ) 总 7期 20 0 8年 1 O月
车
用
发
动
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No 5 S ra . 7 ) . ( eil No 1 8 0c . 0 8 t2 0
质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 S1 期质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展陈匡胤1,李蕊兰1,童杨2,沈建华1(1 华东理工大学材料学院,上海 200237;2 中华人民共和国科学技术部高技术研究发展中心,北京100044)摘要:气体扩散层(GDL )在质子交换膜燃料电池(PEMFC )中起到支撑催化层、传输反应气体和排出反应过程中产生的水的作用,设计和优化GDL 的结构对提升燃料电池的性能有重要作用。
本文首先介绍了氢燃料电池应用前景,简述了PEMFC 的结构和工作原理,指出了目前GDL 的气液传输能力不足的问题,分析了孔结构、碳材料、微孔层微观结构、润湿性和耐久性五个因素对GDL 性能的影响,并归纳了当前的研究进展,同时还涵盖了与GDL 内传质过程相关的建模方法。
最后总结了影响GDL 性能的各种因素,并对质子交换膜燃料电池内的GDL 发展进行了展望,指出用新型金属泡沫材料代替传统碳材料构建气体扩散层-双极板集成结构从而缩短传质路径并降低传质阻力,提出利用新兴的3D 打印技术去构建高精度具有复杂结构的气体扩散层。
本综述对未来优化GDL 结构、提高燃料电池性能具有一定的指导意义。
关键词:燃料电池;气液两相流;优化设计;传质;数值模拟中图分类号:TQ028.8 文献标志码:A 文章编号:1000-6613(2023)S1-0246-14Structure design of gas diffusion layer in proton exchange membranefuel cellCHEN Kuangyin 1,LI Ruilan 1,TONG Yang 2,SHEN Jianhua 1(1 School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China;2High Technology Research and Development Center ,Ministry of Science and Technology of the People s Republic ofChina ,Beijing 100044,China)Abstract: Gas diffusion layer (GDL) plays an important role in supporting the catalytic layer andproviding the transmission access of gas and water in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Designing and optimizing the structure of GDL significantly influence the performance of fuel cell. In this paper, the application prospect of hydrogen fuel cell and the structure and working principle of PEMFC are briefly introduced. The problem of insufficient gas-liquid transmission capacity of GDL is pointed out and the effects of pore structure, carbon material, and microstructure of microporous layer, wettability and durability on the performance of GDL are analyzed. This review also summarizes the current research progress of GDL including the modeling studies. Finally, various factors affecting the performance of GDL are summarized, and the development of PEMFC is prospected. It is pointed out that novel metal foammaterials could replace the traditional carbon materials to construct the GDL-BP integrated structure with综述与专论DOI :10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1102收稿日期:2023-07-03;修改稿日期:2023-09-26。
质子交换膜燃料电池系统建模与仿真分析

时代汽车
质子交换膜燃料电池系统建模与仿真分析
王凯强 上海燃料电池汽车动力系统有限公司 上海市 201804
摘 要:本文基于 Amesim 软件建立完整的燃料电池系统模型,包含电堆、空气系统、氢气系统和冷却系统模型, 研究系统操作条件变化对系统性能的影响,结果表明,该模型可对空气计量比、电堆空入压力、电堆氢入 压力、电堆水入温度等参数进行敏感性分析,并选出了最优系统运行操作条件及其对应的系统功率和效率 输出,支持系统开发和操作条件优化。
滤空气进入空压机进行升温升压,然后中冷 器对空压机出口高温气体进行冷却后进入电 堆进行电化学反应,反应后的剩余空气和生
成的水蒸气经过背压阀排入大气。 1)空压机模型 空压机模型计算过程中输入量为转速,
根据空压机流量 - 压比 - 转速 Map 插值计 算空压机流量,然后计算空压机出口温度和 功耗。
空压机出口温度:
AUTO PARTS | 汽车零部件
出口压力,Pcap,in 为空压机入口压力。
act αnF
ln(
i i0
)
其中,Vact 为活化极化,α 为转移系数,
n 为电子数,i0 为交换电流密度。
3)欧姆极化
Vohm=i(Rion+Rele+Rcont) 其中,Vohm 为欧姆极化,Rion 为离子电阻, Rele 为电子电阻,Rcont 为接触电阻。
3)浓差极化
Rconc=i(c1
关键词:燃料电池系统 建模仿真 Amesim 敏感性分析
Modeling and Simulation Analysis of Proton Exchange Membrane Fuel Cell System Wang Kaiqiang
质子交换膜燃料电池解析建模及其参数敏感性分析

摘要充分理解质子交换膜燃料电池内部的反应传输机理对提高电池运行性能和寿命有重要意义。
本文首先建立了一个一维非等温两相流解析模型,模型考虑了液态水的界面阶跃现象,提出了一种新的方式求解气液态水的相变过程,并提出一个耦合因子将气液态水传输方程进行了耦合求解。
模型经过了严格的实验验证,仿真结果和实验数据吻合。
基于该一维模型,本文研究了不同电流密度、微孔层接触角和不同操作条件对电池性能、内部水分布和温度分布的影响,提出了更好的电池运行方案。
结果表明:增大微孔层接触角促进阴极液态水反扩散到阳极,一定程度上缓解阳极变干,但过大的接触角可能导致阴极水淹加剧;电池运行的操作温度在80 C左右最佳,且进气压力在2个大气压左右最宜;在保证阳极进气足量情况下,适当提高阴极进气化学计量比有助于提高电池性能;通过采取“阳极充分加湿、阴极低加湿”的进气加湿方案可以有效改善电池性能,提高电池使用寿命。
本文针对传统模型验证方法的可靠性进行了讨论,结果表明模型中大量的经验参数将影响模型的可靠度和可信度,有必要对模型参数进行敏感性分析。
研究基于蒙特卡罗随机试验,采用了基本效应法(EE法)对22个经验参数进行了定量的全局敏感性分析,得到了各参数在不同电流密度下的敏感性指标及其变化情况,并将这些参数分为高敏感、较敏感和不敏感参数。
综合考虑各敏感性指标,研究分析了各参数对性能影响的单调性、鲁棒性和作用好坏。
此外,研究采用了Kolmogorov-Smirnov(KS)检验对模型结果的稳定性进行了讨论,结果显示即使模拟出的电池性能相同,电池性能的鲁棒性也可能不同,应结合变工况实验结果对模型进行验证。
本文考虑了流道内反应气体浓度分布及外部对流换热,将一维解析模型拓展为准二维模型。
研究比较了顺逆流两种进气模式下电池内部的反应气浓度、相对湿度和温度分布等特征,分析讨论了不同阴极进气化学计量比下两种进气模式的电流密度分布规律。
结果表明逆流进气的电流密度、内部湿度和温度分布更均匀,顺流模式下的电流密度分布规律和Wa数有关。
质子交换膜燃料电池稳态模型及仿真

M o ei g a d Op i z to fPr t n Ex h n e M e b a e Fu lCel d ln n tmi a i n o o o c a g m r n e ls
Z HOU Je .C a g—y i AO Gu n i’
2 u l e s tt,hn h i io n nvri , h n hi 00 0 C ia .F e C lI tue S a ga at gU ies y S a ga 20 3 , hn ) ln i J o t
ABS TRACT: u lc l i n i o t n c n l g r o e tal i ev rey o p lc t n c u i g a xla y F e el sa mp ra t e h o o y f p t n i l w d a it fa p i a i si l d n u i r t o a y o n i p w r Sa in r o e r b i i g n t e iti u e e e a i n a p i a in ,a d c n r l p we . T i o e , t t a p w r f u l n s a d o h r d srb t d g n r t p lc t s n e ta o r o y o d o o hs p p rp e e t t a y — sae mo e rs mu a i n a d e a u to fp ro ma c fp o o x h n e me r n a e r s n s a se d tt d lf i l t n v l ai n o e f r n e o r t n e c a g mb a e o o
( .D p.o lcr a E gn eig S a g a Ja tn nv ri , h n h i 2 0 3 , hn ; 1 e t f e t c l n ie r ,h n h i i o g U ies y S a g a , 0 0 0 C i a E i n o t
质子交换膜燃料电池仿真实验软件的研究

明, 该仿真软件可以满足燃料 电池特性参数仿真实验 的要 求 , 为学 生 提供 了一 个 进 行 燃 料 电池 特 性 参 数 仿 真实 验 的平 台 , 以最 小 的硬 件 投 资 和 实 验 费 用 满 足 了
目前 实验 教 学 的急需 , 收到 了 良好 的实 验教 学 效果 。 本文 主 要介 绍 了 该 仿 真 软 件 的 建 模 方 法 、 计 原 设 理 和 人机 界 面构 成 , 给 出 了仿 真 实验 结 果 。 并
( E C)b sdo eMA L B a dV o ak gs h i l insf aew s eeoe s gtegn rl e P MF ae n t T A n B sf p ca e.T es a o o w r a v l dui eeai d h t mu t t d p n h z
H AN i in , WA e J— a t NG Zh n , W ANG J—a ZH i i o , h AO We
( . co l f n r n o e E g ;b Sh o o o t l c n ea dE g ,S a d n nv , i nn2 0 6 ,C ia a Sh o o eg a dP w r n . . co l f nr i c n n . hn o gU i J’ a 5 0 1 hn ) E y C oS e .
维普资讯
第2 6卷 第 5 期 20 0 7年 5月
实 验
室 研
究
与
探
索
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Ma 0 7 v2 0
RE E S ARCH AND E L XP ORA O I AB TI N N L ORA TOR Y
百瓦级质子交换膜燃料电池温度模型与仿真
内部温度 。电堆对热能 的吸收可近似为一阶惯性
环 节 。
() 2
式 中 。 为极化 内阻过 电压 ,尺 。为 电池 内 。
2 E F 温度机理模型的仿真 )PM C
() 1模型搭 建
本 文利用Malb Smuik t / i l 仿真软件 ,搭建 a n
1 8
技术 研 究 ・ 新能源
同[ 2 】 .
() 1 考虑相对湿度对 电堆内阻的影响 ; () 2建立 的机理模 型可以根据参数的改变 ,改 变相应的设置 ,得到新的匹配模型。 1 )温度模型的分析 本系统是建立在单位 时间内所产生或释放 的
热量 基础 上 的 。根据 能量 守恒 方 程 Q M At =C ,得
起 电堆 的温度模型。该仿真的 目的是验证所建立 的模型是否能够正确反映各 种参数对质子交换膜 燃料 电池 电堆温度的影响。输入部分主要有 电堆 初始温度 、氢气流量 、氧气流量和负 载电流 ;该
系 统 可 以分 解 为两 个模 块 :热量 产 生 模 块 和 热 量
参数名称 电池额定 电( V) 电池额定 电( A) 电池 电堆功率( w) 电池 电堆质量() g 电池 体积 ( ×宽 X高mm) 长 电堆质量 比热 ( . g ℃) 单 电池的个数( 个) 单 电池面积(m c ) 阴极反应 的熵变(mo ) J lk 空气 比热 ( . g ℃) 氢气 比热J ( . / g ℃) 斯 蒂芬 波尔茨曼常数( i 2 w 一 n K ) 氢气流速( / n L mi) 表 面黑度 系数 环境温度( ℃) 符号 U
Ex h n eM e b a eFu l l c a g m r n e l Ce
Z E u Q hd n LU u dn H NGH a, I io g, I G o o g Z
质子交换膜燃料电池电堆CFD仿真模型发展综述
质子交换膜燃料电池电堆CFD仿真模型发展综述
王楚;王凯;史瑞静
【期刊名称】《电工技术》
【年(卷),期】2024()7
【摘要】近年来,由于实验的研究时间长、成本高,因此许多不同的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)单电池和电堆的计算模型和仿真得到了迅速发展,数值模拟在研究PEMFC的内部机理、输出性能等方面具有降低成本、提高效率等优势。
介绍了PEMFC的运行机理,并利用计算流体力学(CFD)方法探讨了PEMFC的研究结果及研究进展,最后对利用数值模拟研究PEMFC进行了总结和展望,可对相关研究提供进一步的参考。
【总页数】5页(P44-48)
【作者】王楚;王凯;史瑞静
【作者单位】华北电力大学动力工程系;华北电力大学河北省低碳高效发电技术重点实验室;新疆工程学院能源工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK91
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层电堆形式的质子交换膜燃料电池仿真模拟研究及优化5.质子交换膜燃料电池电堆封装设计综述
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质子交换膜燃料电池动态特性建模及仿真
p r o c e s s o f t h e s t a c k .T o i mp r o v e t h e t h e o r e t i c a l mo d e l o f t h e c o o l i n g w a t e r p o we r c o n s u mp t i o n s y s t e m a n d c a l c u l a t e
ABS T RACT : Amo n g t h e s t u d i e s o n t h e o p t i ma l d e s i g n o f p r o t o n e x c h a n g e me mb r a n e f u e l c e l l s t a c k ,t h e d e s c ip r t i o n s
t h e r a d i a t e d p o w e r o f t h e s t a c k,a p r o t o n e x c h a n g e me mb r a n e f u e l c e l l d y n a mi c mo d e l h a s b e e n d e v e l o p e d a c c o r d i n g t o t h e l f o w h e a t t r a n s f e r b la a n c e d r e l a t i o n s h i p a n d t h e t h e o r y o f h e a t r a d i a t i o n .B a s e d o n t h e s i mu l a t i o n mo d e l ,t h e i n - l f u e n c e s o f t h e f u e l c e l l v o l t a g e a n d t h e s t a c k p o we r b y t h e l o a d c u r r e n t we r e b e e n s t u d i e d,a n d t h e i mp a c t o f t h e t e m- p e r a t u r e o f t h e f u e l c e l l w a s n a i l e d d o w n .T h e s i mu l a t i o n mo d e l a g r e e s w e l l w i t h t h e r e l a s i t u a t i o n a n d l a y s d o w n t h e f o u n d a t i o n f o r f u r t h e r e s t a b l i s h i n g t h e mo d e l or f a f u e l c e l l h y b id r s y s t e m.
三维质子交换膜燃料电池数值模拟的开题报告
三维质子交换膜燃料电池数值模拟的开题报告一、研究背景与意义燃料电池是一种新兴的清洁能源,其工作原理是将氢气和氧气通过反应得到电能和水,因此的燃料电池被认为是一种非常环保和节能的能源设备。
三维质子交换膜燃料电池是近年来发展起来的一种重要的燃料电池,其在燃料电池中的应用越来越广泛。
由于燃料电池有很多优良的特性,例如高效、轻便、高能量密度等特性,因此它在各种工业、军事、医疗等方面都有着广泛的应用前景。
因此,研究三维质子交换膜燃料电池数值模拟方法及其在实际应用中的优化与改进,对于推动燃料电池技术的发展和应用,具有重要的意义和价值。
二、研究内容和方法目前,三维质子交换膜燃料电池的数值模拟方法主要分为两类:一类是基于计算流体力学(CFD)方法,另一类是基于多物理场耦合模型。
本次研究将主要采用第二种方法,即基于多物理场耦合模型进行三维质子交换膜燃料电池的数值模拟。
在此基础上,本研究还将对模型中的各项参数进行优化调整,以提高燃料电池的性能和效率。
具体的研究步骤包括以下几个方面:1.建立三维质子交换膜燃料电池的多物理场耦合模型,包括质子传输、氧气传输、燃料传输、电化学反应等多个方面。
2.对模型中各项参数进行优化调整,以提高燃料电池的性能和效率。
3.进行数值模拟和仿真实验,对模型进行验证和改进优化。
三、预期成果和意义通过本次研究,预期能够获得以下成果:1.建立三维质子交换膜燃料电池数值模拟的多物理场耦合模型,为燃料电池数值模拟提供基础。
2.对燃料电池的各项参数进行优化调整,提高其性能和效率。
3.实现燃料电池数值模拟的仿真实验,验证和改进优化模型。
该研究结果将为推动燃料电池技术的发展和应用,提供新的理论和技术支持。
同时,也为其他领域的仿真分析研究提供了新的思路和方法。
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(. 1 同济大学 汽车学院 , 上海 2 1 0 ;2 同济大学 新能源汽 车工程 中心 , 084 . 上海 2 10 ;3 同济 大学 中德学院, 084 . 上海 2 0 9 ) 0 0 2
摘 要 : 比 了 3类 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 数 学 模 型 ( 布参 数 化 装置 之一 , 对 分 可广 泛运用 于 交通 、 固定发 电厂及 可移 模 型 、 总参 数 模 型 和 混 合 参 数 模 型 ) 特 点 及 应 用 范 围 , 集 的 从
210 0 8 4,Chn ; 2 Cla e g ia . e n En r y Autmoie o t En ie rn ne , v gn e ig Ce tr
起 电堆故 障的特殊 工 况. 外 , 另 该类 模 型 往往 没有 考 虑外 部辅 助单 元 ( 空压 机 、 湿 器 和冷 却 装 置 等 ) 如 增
但 是 , 类模 型主要 针对 稳态 工 况 , 少 涉 及 可能 引 该 较
A v n ei me ia i lt no srb td d a c Nu rc l mua i f n S o Ditiu e P r mee d l o E a a trMo e rP MFC f s
J n 02 u .2 1
文章 编 号 : 2 53 4 2 1 )60 3—6 0 5 —7 X(0 2 0—9 20
D I1 .9 9 ji n 0 5—7x 2 1 .6 0 2 O :0 3 6 /. s .2 33 4 .0 2 0 . 2 s
质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 分 布 参 数 模 型 数 值 仿 真 研 究 进 展
动 电源等 . 质子交 换膜 燃料 电池 ( E C) 有 低 噪 P MF 具 音 、 操作 温度 和 高 效 率等 特 点 , E C发 动 机 是 低 P MF 新 能 源 汽 车 的 理 想 动 力 系 统 . 过 数 十 年 的研 究 , 经
相关的守恒方程及 数值计算 方法 、 要参 数 的数值 特征 、 重 研 究 内容 、 仿真区域和模型验证等方面 总结 了分布参 数模型 的
中图分类号 : T9 1
方 面发 挥 了不可 替代 的作用 . 目前 , E C的数 学 模 型 可 以分 为下 述 3类 . P MF 第一 类是 分 布 参 数 模 型l . 类 模 型 基 于 质 量 、 1该 ] 动 量、 组分 和 电荷 等守 恒方 程 , 以描述 电池 内部 压 力 可 场、 速度 场 、 分浓 度 、 组 电场和 液态 水 等 的 空 间分 布.
对 电堆性能 的影 响. 二类 是 集 总参 数 模 型 _. 第 2 该类 ]
模 型主要 用 于 描 述 和 分 析 燃 料 电 池 ( ) 堆 的动 态 响
Ab t a t s r c :An a ay i s ma e o h e d l f r p o o n lss wa d f t r e mo e s o r t n e c a g mb a e f e e l P M F x h n e me r n u l l E c ( C)s c s t e d srb t d u h a h iti u e
p r me e d l h mp d p r me e d l n h x d a a t r mo e ,t e l u e a a t r mo e d t e mi e a p r me e mo e i t r o t e r c a a t rs is a d a a tr d l n e ms f h i h r c e i t n c a p ia i n p l t .A e i w sma e o h e e td v l p n f c o r v e wa d n t e r c n e e o me to t e d s rb t d p r me e d l r m i e a p c s ic u i g h it iu e a a t r mo es fo fv s e t n ld n
T nj o gi Unv ri , S a ga 2 10 , C ia 3 Sn — r n ies y t hn hi 0 8 4 hn ; . ioGema P sgau t co l Togi ies y S a g a 2 0 9 , hn ) o trdaeSh o, n jUnvri , h n hi 0 0 2 C ia t
第4 第6 O卷 期 21 0 2年 6月
同 济 大 学 学 报( 然 科 学 版) 自
J U N LO O G I JⅣE sr ( A 1 A , C E c ) O R A F T N J L N R I Y N T 『 I s I N E r R
Vo . 0 No 6 14 .
Z A Su n H 1 h a g , ZtU S t u ' , C E F n ̄ n O ~ H N eg g ,
Z NNG C u n h n t h a seg
( . C l g f A tmoie S u is T n j Unv ri , S a g a 1 o l e o u o t t de , o gi e v ie s y t hn h i
研究进展.
P MF E C技术 在材料 、 系统集成 及控 制等 方 面取得 了
长足进 步. 与其 他工 程 问题 一 样 , E C 系统 的数 P MF 值仿 真 在 系 统设 计 与 匹 配 、 化 和辅 助 实 验研 究 等 优
文献标识码 : A
关键 词 : 质子交换 膜燃 料 电池 ;数值仿 真 ;分 布参数 模型 ; 集 总参数模 型 ; 混合参数模型