質(zhì)子交換膜燃料電池不同冷啟動(dòng)模式下多相傳熱傳質(zhì)研究.pdf

1、 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 質(zhì)子交換膜燃料電池不同冷啟動(dòng)模式下 質(zhì)子交換膜燃料電池不同冷啟動(dòng)模式下 多相傳熱傳質(zhì)研究 多相傳熱傳質(zhì)研究 Studies on Multi-phase Heat and Mass Transfer of Proton Exchange Membrane Fuel Cell under Various Cold Start Modes 一級(jí)學(xué)科：動(dòng)力工程及工程熱物理 學(xué)科專業(yè)：動(dòng)力機(jī)械及工程 作者姓名：賈 濱

2、指導(dǎo)教師：杜 青 研究員 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 二零一六年十一月 I 中文摘要 中文摘要 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) 是最有可能廣泛應(yīng)用于汽車的能量轉(zhuǎn)換裝置，一個(gè)重要技術(shù)瓶頸就是冷啟動(dòng)。啟動(dòng)模式、初始溫度、膜及催化層中的水含量和輔助冷啟動(dòng)是影響冷啟動(dòng)成功與否的重要因素。 其中， 啟動(dòng)模式和輔助冷啟動(dòng)系統(tǒng)研究較少， 對(duì)恒功率冷啟動(dòng)、 最大功率冷啟動(dòng)以及帶氫氧催化反應(yīng)最大功率冷啟動(dòng)模式的研究更少。 本文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法， 對(duì)

3、不同冷啟動(dòng)模式下的多相傳熱傳質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究。論文主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下： (1) 對(duì)自行組裝的 PEMFC 進(jìn)行極化曲線測(cè)試，比較了陽極和陰極不同加濕條件下的電池性能， 全面分析和比較了 0.3V 恒電壓冷啟動(dòng)模式下從-7℃、 -10℃、-20℃啟動(dòng)時(shí)的特性。 (2) 建立 PEMFC 電堆一維多相冷啟動(dòng)模型，模型計(jì)算效率高，但同時(shí)保證了主要傳熱傳質(zhì)過程的完整性，實(shí)現(xiàn)了冷啟動(dòng)過程中水相變、膜吸水/退吸、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象的仿真，并可兼容恒電

4、壓、恒電流密度、恒功率和最大功率冷啟動(dòng)模式。 (3) 分析恒功率高電流密度、恒功率低電流密度、恒電流密度與恒電壓冷啟動(dòng)模式的區(qū)別，基于不同啟動(dòng)功率、初始水含量、初始溫度和催化層中離聚物體積分?jǐn)?shù)，對(duì)恒功率冷啟動(dòng)模式進(jìn)行系統(tǒng)分析。 (4) 提出最大功率冷啟動(dòng)模式，比較最大功率冷啟動(dòng)與恒電流密度、恒電壓模式的區(qū)別并分析初始水含量和啟動(dòng)溫度對(duì)電堆性能的影響。 發(fā)現(xiàn)在最大功率冷啟動(dòng)模式下， 電堆內(nèi)部產(chǎn)熱和結(jié)冰可以快速實(shí)現(xiàn)平衡， 通過相關(guān)分析揭示了

5、該冷啟動(dòng)模式優(yōu)于其它冷啟動(dòng)模式的機(jī)理。 (5) 研究陽極、陰極加氫氧催化反應(yīng)對(duì)最大功率冷啟動(dòng)模式的影響，基于陽極加催化反應(yīng)對(duì)最大功率、恒功率、恒電壓和恒電流密度冷啟動(dòng)模式進(jìn)行比較，對(duì)-40℃下快速冷啟動(dòng)、設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)冷啟動(dòng)性能影響、沒有冰形成的快速冷啟動(dòng)以及過冷現(xiàn)象進(jìn)行分析。 研究揭示了冷啟動(dòng)過程中陽極氫氧催化反應(yīng)改善電堆冷啟動(dòng)特性機(jī)理，證明了陽極氫氧催化反應(yīng)可提高電堆輸出功率和自身產(chǎn)熱速率，并驗(yàn)證了該方法實(shí)現(xiàn)-20oC 無冰啟動(dòng)的可能性