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機(jī)電工程學(xué)院
畢業(yè)論文外文資料翻譯
論文題目:GD6126客車設(shè)計(jì)—傳動軸及懸架設(shè)計(jì)
譯文題目:聚合物電解質(zhì)燃料電池在零度以下，根據(jù)
工作電流密度控制快速啟動策略
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簽名：單紅衛(wèi) 2016年04月05日
附件1：外文資料譯文（文獻(xiàn)出處：Science Direct）
聚合物電解質(zhì)燃料電池在零度以下，根據(jù)工作電流密度控制快速啟動策略
Geonhui Gwak, Hyunchul Ju
機(jī)械工程系，仁荷大學(xué)，銀河路100號，仁川751402 ，韓國
關(guān)鍵詞：
聚合物電解質(zhì)燃料電池電流密度不飽和階段冷啟動零度以下的溫度
摘要:
在以前的研究中，我們的描述三個(gè)不同階段的數(shù)字描述，一種聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）在冷啟動時(shí)，即凍結(jié)，不飽和，和熔化階段。根據(jù)我們的數(shù)值觀測，我們提出了一個(gè)有效的實(shí)現(xiàn)快速電池溫度上升，同時(shí)快速的啟動策略電池內(nèi)冰積累速率。這一冷啟動策略的關(guān)鍵是提高工作電流的PEFC在飽和階段，加速電池內(nèi)部溫度上升。使用一個(gè)三維的，短暫的冷起動模型，數(shù)值結(jié)果表明提高電池的電流在飽和階段是非常有效的，顯著提高了PEFC的冷啟動速度。相比之下，增加的電池在冷凍階段的電流有一個(gè)負(fù)的影響，PEFC冷啟動，氧還原反應(yīng)使產(chǎn)水率增加，導(dǎo)致更快速的冰增長。這最終導(dǎo)致冷啟動失敗和多孔電極結(jié)構(gòu)的劣化。這項(xiàng)研究清楚地說明了優(yōu)化冷啟動操作是提高冷起動性能的關(guān)鍵，同時(shí)指出了PEFC冷啟動模擬角色的重要性，用于探索一個(gè)最佳的冷啟動策略。
1.簡介
燃料電池汽車能否商業(yè)化的一個(gè)先決條件是：在極冷的天氣聚合物電解質(zhì)燃料電池快速穩(wěn)定啟動。在零度以下環(huán)境，氧還原反應(yīng)產(chǎn)生的水（ORR）的PEFC的陰極側(cè)會凍結(jié)成冰。這種冷凍抑制電極中氧的傳遞，減少了對ORR活性，和損害的電極結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致電池性能和耐久性的降低。傳統(tǒng)成功的冷啟動的方法是簡單的清洗燃料電池內(nèi)的剩余水。這清除有助于避免對電池破壞的可能性，組件由于在冷卻階段的冰融化同時(shí)延緩冰/霜成核期一個(gè)PEFC冷啟動。
根據(jù)部門制定的冷啟動目標(biāo)，PEFCs應(yīng)該能夠達(dá)到50%的操作力在30秒內(nèi)。為了加速電池
從零度以下的溫度，而溫度上升同時(shí)抑制冰的形成和生長，大量致力于發(fā)展有效冷啟動方法和冷啟動策略提出的。其中，使用的的核心是要避免外部源，因?yàn)樽鲞@樣才可以避免燃料電池的尺寸和成本。因此，冷啟動研究的一大重點(diǎn)是在不增加系統(tǒng)容量或成本前提下在零度以下的環(huán)境中PEFCs自啟動。
冷或者熱自加熱方法啟動或原位化學(xué)反應(yīng)熱放熱這些被刊文獻(xiàn)[12-16]。 [12]提出有效的電流斜坡啟動方法實(shí)現(xiàn)電池從零度以下的溫度快速升溫。他們發(fā)現(xiàn)使用一個(gè)較低的升溫速率是有效的，初始電流密度較低，而電流上升率應(yīng)增加在較高的初始電流操作密度。[13]允許氫催化反應(yīng)發(fā)生在陽極催化劑層（氯），有效地加熱零下溫度的電池。保證安全加熱，他們建議使用稀氫小于20%的氫餾分的流。[14]的氫影響的數(shù)值研究，在一個(gè)冷起動性能的催化反應(yīng)。他們的模型預(yù)測自啟動成功的初始溫度20度的化學(xué)反應(yīng)。[15]建議使用氧化釩薄膜金屬雙極板增強(qiáng)冷起動性能PEFCs。他們證明了氧化釩薄膜有效地產(chǎn)生額外的歐姆焦耳熱在低電流密度和溫度下降。[16]研究了局部電流密度分布的演化在冷啟動時(shí)使用印刷電路板技術(shù)。他們表明，較低的電池電壓操作縮短冷啟動時(shí)，電池開始在零下10攝氏度或較高的啟動溫度，但較低的啟動溫度，會導(dǎo)致啟動失敗。
除了有效的熱管理PEFC冷啟動，已努力改善燃料的水吸收潛力和蓄能力電池電極。[17] 加入納米二氧化硅陰極發(fā)光，并表現(xiàn)出改善的冷啟動性能，他們認(rèn)為，在8攝氏度的親水性SiO2增強(qiáng)陰極催化層的吸水能力。[18]數(shù)字顯示，使用更高離子在陰極發(fā)光增強(qiáng)分?jǐn)?shù)的能力吸收水分，成功延緩冰形成期。[19]建議使用雙重功能的微孔層（MPL），由一具有非常低的鉑載量的粘合劑，而不是典型的聚四氟乙烯（PTFE）。冰蓄冷能電池利用這種雙重功能的MPL大大提高，因?yàn)樗梢宰鳛殛帢O的一部分氯在零下的溫度。MPL在80度在一個(gè)正常的評價(jià)功能。[21]提出了一個(gè)擴(kuò)展的冷啟動在很寬的范圍內(nèi)的瞬態(tài)模擬模型，從低溫到正常操作溫度，其中冰熔融和由此產(chǎn)生的膜水化和潛在的熱吸收過程。仿真結(jié)果表明冰演化的各個(gè)階段，即凍結(jié)，不飽和，和熔化。作為受影響的細(xì)胞溫度繼續(xù)上升，在冷啟動時(shí)釋放的廢物熱，電池進(jìn)入飽和階段。在此階段，更多水由于蒸汽飽和壓力被儲存在蒸汽相。此外，水的吸收潛力和膜的水?dāng)U散率也大大提高，這個(gè)階段，這是一個(gè)更強(qiáng)大的水回流的結(jié)果。因此，水的損失率在陰極發(fā)光由這兩者的機(jī)制超過水生產(chǎn)率ORR和因此量，電池內(nèi)的冰保持不變，沒有任何進(jìn)一步的產(chǎn)生水的冷凍。這一觀察結(jié)果表明：在這個(gè)過程中，電流密度可以進(jìn)一步增加階段，這反過來又增加了廢物的熱量釋放，從而加快電池溫度上升。
本研究的目的是計(jì)算的數(shù)值影響增加的電流在飽和階段的一個(gè)PEFC冷起動性能。特別強(qiáng)調(diào)的是研究電流上升階段和電池?zé)豳|(zhì)量影響電池溫度升高的速率，電解質(zhì)吸收水的能力，和冰的形成/陰極催化劑層的演化特性（氯）。這項(xiàng)研究清楚地表明，所提出的戰(zhàn)略是加速浪費(fèi)熱的釋放。沒有進(jìn)一步的冰積累在電池內(nèi)，因此，大大方便了PEFC快速啟動零度以下環(huán)境。
2.數(shù)值模型
模擬一個(gè)PEFC在寬的溫度范圍內(nèi)操作從低溫（-20℃）到正常工作溫度（80）、三維、非等溫PEFC冷起動模型研究[18-24]是增強(qiáng)了包括冰融化和本構(gòu)關(guān)系，對于PEFC暫態(tài)仿真0度以上.的PEFC冷起動模型詳細(xì)的描述出現(xiàn)在我們以前的論文[24]。因此，我們只存在一個(gè)簡短的在這里描述，強(qiáng)調(diào)的新功能在這項(xiàng)研究中發(fā)展。
模型假設(shè)
具體的假設(shè)模型如下：
（1）不可壓縮層流氣體通道和多孔、 PEFC、壓力梯度和流量；
（2）理想氣體的混合物；
（3）negligible引力效應(yīng)；
（4）和均勻各向同性多孔層和CLS，即有效孔隙度、滲透率、特征；
（5）飽和水蒸氣瞬時(shí)凝結(jié)；
（6） 可以忽略不計(jì)的電化學(xué)雙電層的充電和放電在CLS。
控制方程：
上述假設(shè)下，多相PEFC的模型是由質(zhì)量，動量，能量，和物種，電荷守恒，如下：
質(zhì)量守恒：
(1)
動量守恒:
(2)
種類守恒：
（3）
能量守恒：
（4）
充電保護(hù)：
（5）
電子運(yùn)輸：
（6）
在保持均衡的源匯項(xiàng)。（1）-（6），即，標(biāo)準(zhǔn)，蘇，硅，，列于表1。請注意，源項(xiàng)，Si，在水的輸運(yùn)方程的CL和GDL地區(qū)包括相變，SSG，描述冰的形成，生長，和冷啟動時(shí)的熔化過程。
SSG的詳細(xì)描述如下： 當(dāng)
當(dāng)
當(dāng)
當(dāng)
（7）
在rdesub和Rsub是凝華和升華，相變率；S代表冰分?jǐn)?shù)，定義為冰多孔介質(zhì)如GDL和CL的空隙的體積分?jǐn)?shù)，即，
（8）
因此，冰量積累在PEFC成分是冰的分?jǐn)?shù)來描述，美國的凝華和升華的過程導(dǎo)致潛熱的釋放和吸收，分別。因此，這些影響應(yīng)在能量守恒方程的源項(xiàng)，考慮ST，為CL和GDL的地區(qū)，如表1。
對于電荷守恒方程的源項(xiàng)，SF的氫氧化反應(yīng)的帳戶（HOR）在陽極的氯和氧還原反應(yīng)（ORR）在陰極催化層的電化學(xué)反應(yīng)是通過線性化的水平標(biāo)準(zhǔn)Butlere-Volmer方程導(dǎo)出，并忽略anodic[ 25 ]的Butlere-Volmer方程陽極反應(yīng)項(xiàng)。
霍爾在陽極Cl：
（9）
霍爾在陰極：
（10）
表面電位，H，為賀和奧爾是利用熱力學(xué)平衡電位的定義，U0，在陽極和陰極雙方之間，如下：
（11）
右手邊的物種方程，方程（3），該有效擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散由作為改性關(guān)聯(lián)[26]對孔隙度的影響和曲折的GDL和CL。因?yàn)檫@也是影響冰的分?jǐn)?shù)，最后形成擴(kuò)散的冰。
（12）
電解質(zhì)的輸運(yùn)性質(zhì)依賴于膜的含水量，即水的功能.活動，如下[27]：
（13）
（14a）
(14b)
水蒸汽分壓可以計(jì)算出溫度范圍，從零下到正常運(yùn)行溫度，如下[27-28]：
(15a)
(15b)
3.邊界條件與數(shù)值實(shí)現(xiàn)
本研究的細(xì)胞幾何和計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。詳細(xì)的理化參數(shù)，組件的屬性，細(xì)胞尺寸和操作條件在表2和表3列出。如圖1所示，除了進(jìn)出口區(qū)計(jì)算域的大小是利用全細(xì)胞的幾何周期從而對稱條件應(yīng)用于計(jì)算單元的外表面減少，除了進(jìn)出口區(qū)域。
陽極/陰極入口速度可以從它們各自的化學(xué)計(jì)量比的確定（XA，XC）和工作電流密度（I），如下：
陽極入口：
（19）
陰極入口：
（20）
在哪里的入口截面分別的陽極和陰極氣體通道，氫和氧eCH2和CO2T入口摩爾濃度可以計(jì)算出入口壓力、增濕條件，和溫度，根據(jù)理想氣體定律。
在第2.1和2.2節(jié)所描述的瞬態(tài)冷啟動模型進(jìn)行了數(shù)值實(shí)現(xiàn)與市售的計(jì)算流體動力學(xué)程序，使用流暢的用戶定義函數(shù)。所有物種和能量殘差的收斂標(biāo)準(zhǔn)被設(shè)置為107。
4．結(jié)果與討論
探討一種現(xiàn)行的策略對不飽和階段，我們定義了七個(gè)仿真案例，稱為例1至7（見表4）。恒流密度為0.1和0.15個(gè)/厘米是在冷啟動的應(yīng)用期2和1，分別。另一方面，案例3和4采取了一種策略，由此提出了從0.10.15 A/cm2。0.1 A/cm2的初始電流密度是應(yīng)用在第一階段，然后隨后提高到0.15一個(gè)/平方厘米。3和4之間的區(qū)別在于是否在凍結(jié)階段（案例3）或在飽和階段（案例4）。另外5至7例定義為確定的MEA設(shè)計(jì)和熱的影響在飽和階段的質(zhì)量開始。對于所有的模擬情況下，初始含水量在電解質(zhì)相中被假定為10。
陰極
陽極
系統(tǒng)邊界
催化劑層
氣體擴(kuò)散層
空氣通道
冷卻通道
雙極板
陰極入口
陽極入口
截面
圖1單直通道燃料電池的計(jì)算域和網(wǎng)格的邊界條件幾何。
圖2顯示整體的細(xì)胞溫度和冰積累1，3，2，和4的曲線。第一，比較例1和2表明，冰的增長率陰極氯離子具有較高的初始電流密度，導(dǎo)致或者水生產(chǎn)率越高。因此，一個(gè)較高的水平的累積冰預(yù)測案例2（0.267毫克/平方厘米），相對于1（0.225毫克/平方厘米）。在另一方面，一個(gè)更快的細(xì)胞溫度上升也實(shí)現(xiàn)，在2個(gè)案例中，由于其較高的電流密度和較大的釋放的熱量，被釋放。因此，冰融化，由于冰堆積的突然下降曲線，發(fā)生在2例早期比案例1。當(dāng)前的提高策略應(yīng)用，增加了電流在冷凍階段（從0.1到0.15 A/cm 10 s），即，案例3，結(jié)果在一個(gè)冰的質(zhì)量累積病例2相似的水平（0.267毫克/平方厘米）。另一方面，案例4，在其中的電流增加飽和階段（從0.1到0.15 A/cm2 30）展品與其他情況相比，一個(gè)優(yōu)越的冷啟動行為。在案例4中，案例4中的累積冰塊相似例1（0.225毫克/平方厘米），但快速增長的細(xì)胞溫度達(dá)到，即可比的情況下，2和3和比1的情況要快得多。因此，圖2清楚地顯示認(rèn)為目前提出的4種情況下的策略是有效的，領(lǐng)先的一個(gè)更成功的自我啟動的電池。
圖2電子溫度和冰積累的演化曲線。平均在陰極的冰積累CL為1--4。
圖3電子電壓和水含量的演化曲線。水分含量平均為1--4
圖3給出的電壓變化曲線為1，2，3，和4?？梢钥闯?，突然下降的幅度電池電壓對應(yīng)于電流的大小密度，因?yàn)樗饕Q于程度電滲（EOD）流量和由此產(chǎn)生的陽極干涸。特別是3和4的情況下表現(xiàn)出第二次電壓降在10秒和30秒，這是一個(gè)電流密度增加。相對于電池溫度圖2所示曲線，二次電壓降期3和4的情況下準(zhǔn)確地對應(yīng)的時(shí)間電池溫度上升和/或冰積累增加率，也就是說，由增加的電流密度驅(qū)動。然而，一旦電池通過不飽和階段，電池電壓開始恢復(fù)的情況下，這意味著水回流起作用，使膜補(bǔ)液開始。
圖4所示的陽極和陰極平均含水量分布，表示一個(gè)復(fù)雜的相互之間的相互作用冰積累，電池溫度上升。最初在陽極側(cè)水下排放之前，從陰極到陽極的水回流效果。其結(jié)果是，在陽極氯離子的水含量和膜下降明顯，導(dǎo)致電池電壓迅速下降（見圖3）。相比之下，水含量在
陰極發(fā)光急劇增加，達(dá)到飽和值（14）由于所產(chǎn)生的水的綜合結(jié)果。隨后，水含量陰極氯開始下降，這意味著水回流從陰極到陽極，電池的增加的溫度，從而提高了吸水和水膜的擴(kuò)散。這些都是主要的在飽和階段的現(xiàn)象。這表明，在任何情況下，其中的水含量和電壓跳躍對應(yīng)近0攝氏度的冰融化期，可以看到水含量突躍的幅度和電池電壓成正比的冰積累量，如圖2所示。案例4，其中最適當(dāng)前提高策略應(yīng)用于不飽和階段，表現(xiàn)出類似的水含量的演變，案例1在零度以下的溫度，水的含量跳躍較早發(fā)生。
圖4陽極的平均含水量演化曲線CL，膜和陰極CL為1--4
結(jié)論
一個(gè)有效的電流上升的戰(zhàn)略已經(jīng)提出了促進(jìn)在極其寒冷的環(huán)境下的PEFC的快速啟動。這個(gè)概念是基于這樣一個(gè)事實(shí)：在陰極冰生長在CL不再飽和階段由于聯(lián)合作用提高水回流，水蒸氣儲存電位，這使得在電流密度進(jìn)一步增加，以加速的廢物的熱釋放和細(xì)胞溫度的增加，在冷啟動沒有形成任何進(jìn)一步的冰。3D冷啟動模擬結(jié)果清楚地表明，提高電流密度是有效的只有當(dāng)這個(gè)策略應(yīng)用于不飽和階段，其中電池的溫度上升率是成功加速沒有任何進(jìn)一步的蓄冰。相反，如果在凍結(jié)階段的電流密度提高，冰的增長率大大增加，導(dǎo)致在一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的冰積累的程度較高。這些結(jié)果清楚地表明，所提出的currentraising策略應(yīng)該應(yīng)用于飽和階段，進(jìn)一步突出，冷啟動時(shí)的細(xì)胞是欠期是對電池的溫度上升率高度敏感。因此，電池的熱質(zhì)量，操作電流密度的大小，和電池電壓的關(guān)鍵因素是要考慮時(shí)，制定最佳的電流提高冷啟動計(jì)劃。另一方面，電池溫度上升率并非由Cl設(shè)計(jì)參數(shù)如氯離子含量、氯厚度影響顯著，或重量比鉑碳支持（wt% PTEC），這表明目前的籌資策略并不一定修改時(shí)，CL的設(shè)計(jì)改變。冷啟動現(xiàn)象，包括冰積累，水的吸收，膜水的運(yùn)輸，廢熱釋放，細(xì)胞溫度上升的非線性依賴性，可以預(yù)測僅通過多維冷啟動建模和仿真。因此，建議冷啟動模型可以作為一個(gè)有價(jià)值的工具，尋找一個(gè)最佳的電流提高策略，根據(jù)不同的細(xì)胞設(shè)計(jì)和操作條件。
致謝
這項(xiàng)工作是由技術(shù)創(chuàng)新支持計(jì)劃（no.10052823，開發(fā)堆棧和元件數(shù)減少，堆積在燃料電池汽車設(shè)計(jì)）由貿(mào)易部資助，工業(yè)和能源（MI，韓國）
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附件2：外文資料原文