【摘 要】
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质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效能,零排放等特点,被视为推动构建清洁能源社会的重要工具,成为近半个世纪以来的研究热点。但在实现其大规模生产前,还有许多技术壁垒需要突破。低温条件下PEMFC启动困难就是急需攻克的问题之一。在低结冰率的前提下尽可能提高电池的产热是使PEMFC冷启动成功的关键。本文建立PEMFC的冷启动模型,针对不同通道结构,多孔层的材料特性和操作条件,对PEMFC内的物质迁移
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质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效能,零排放等特点,被视为推动构建清洁能源社会的重要工具,成为近半个世纪以来的研究热点。但在实现其大规模生产前,还有许多技术壁垒需要突破。低温条件下PEMFC启动困难就是急需攻克的问题之一。在低结冰率的前提下尽可能提高电池的产热是使PEMFC冷启动成功的关键。本文建立PEMFC的冷启动模型,针对不同通道结构,多孔层的材料特性和操作条件,对PEMFC内的物质迁移、电化学反应等现象展开全面研究,为制定冷启动策略提供理论基础。首先建立了3D-PEMFC冷启动模型,通过改变通道的几何形态以研究其对PEMFC冷启动过程产生的影响。在蛇形通道的作用下物质分布更均匀,避免了冰分布过度集中的现象。当单直流场PEMFC的局部孔隙被完全堵塞时,单通道蛇形流场PEMFC的局部最大冰含量仅为0.493,是三种流场中最低的。此外,水结冰膨胀产生的应力作用在PEMFC的多孔层上并使多孔材料产生相应的形变。相同条件下单通道蛇形流场多孔层和三通道蛇形流场多孔层承受的最大Von·Mises应力较单直流场分别下降了62%和53%。但由于蛇形通道结构复杂,通道内压力损失严重,蛇形通道需要提供的入口压力是单直通道的2-3倍。特别是单蛇形通道,过长的进出口距离还会使水蒸气累积在通道中部。而三蛇形通道通过将水蒸气分散至三条通道内,可以缓解通道内的水淹现象。随后,采用考虑液态水的1D-PEMFC冷启动模型研究不同材料特性和运行条件对冷启动效果的影响。通过使离聚物内的初始水含量从4降低到1.6有效延长了离聚物吸水达到饱和的时间,250 s时冰的体积分数从0.98降至0.84。同样利用该原理降低孔隙内冰含量的还有增加催化层（CL）离聚物含量。而提高CL孔隙率增强了PEMFC的除水性,从而降低了冰的增长速度。通过将CL孔隙率从0.25增加到0.4使250 s时冰的体积分数降低14%。尽管增加启动PEMFC的电流负载会缩短离聚物吸水达到饱和的时间,加速冰的形成,但能有效提高PEMFC温度增长速度。-2℃时在15A电流负载启动下的PEMFC孔隙内的冰在162 s开始融化。最后,创新性地建立了基于评价模型的自适应策略追踪PEMFC的启动负载。冷启动实验结果表明,低温时恒定负载下PEMFC的输出随时间有较大变化。先建立基于灰色关联分析的TOPSIS法,将评价模型得到的360 s时对应的矩阵作为学习目标提供给自适应策略。通过比较两种学习模型（四个案例）对学习目标的预测结果,最接近学习目标曲线的模型预测结果为27A,该负载启动PEMFC能得到最佳启动性能。本文的研究工作进一步解释了PEMFC低温启动困难的原因,通过对PEMFC的冷启动过程展开研究,分别从PEMFC通道的几何形状、材料性能和运行条件三个方面为如何提高冷启动效果提出建议。
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