質子交換膜燃料電池不同冷啟動模式下多相傳熱傳質研究.pdf

1、 天津大學博士學位論文 質子交換膜燃料電池不同冷啟動模式下 質子交換膜燃料電池不同冷啟動模式下 多相傳熱傳質研究 多相傳熱傳質研究 Studies on Multi-phase Heat and Mass Transfer of Proton Exchange Membrane Fuel Cell under Various Cold Start Modes 一級學科：動力工程及工程熱物理 學科專業(yè)：動力機械及工程 作者姓名：賈 濱

2、指導教師：杜 青 研究員 天津大學機械工程學院 二零一六年十一月 I 中文摘要 中文摘要 質子交換膜燃料電池(PEMFC) 是最有可能廣泛應用于汽車的能量轉換裝置，一個重要技術瓶頸就是冷啟動。啟動模式、初始溫度、膜及催化層中的水含量和輔助冷啟動是影響冷啟動成功與否的重要因素。 其中， 啟動模式和輔助冷啟動系統(tǒng)研究較少， 對恒功率冷啟動、 最大功率冷啟動以及帶氫氧催化反應最大功率冷啟動模式的研究更少。 本文采用實驗和數值模擬方法， 對

3、不同冷啟動模式下的多相傳熱傳質進行系統(tǒng)研究。論文主要工作及創(chuàng)新點如下： (1) 對自行組裝的 PEMFC 進行極化曲線測試，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 恒電壓冷啟動模式下從-7℃、 -10℃、-20℃啟動時的特性。 (2) 建立 PEMFC 電堆一維多相冷啟動模型，模型計算效率高，但同時保證了主要傳熱傳質過程的完整性，實現了冷啟動過程中水相變、膜吸水/退吸、電化學反應等現象的仿真，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模式的區(qū)別，基于不同啟動功率、初始水含量、初始溫度和催化層中離聚物體積分數，對恒功率冷啟動模式進行系統(tǒng)分析。 (4) 提出最大功率冷啟動模式，比較最大功率冷啟動與恒電流密度、恒電壓模式的區(qū)別并分析初始水含量和啟動溫度對電堆性能的影響。 發(fā)現在最大功率冷啟動模式下， 電堆內部產熱和結冰可以快速實現平衡， 通過相關分析揭示了

5、該冷啟動模式優(yōu)于其它冷啟動模式的機理。 (5) 研究陽極、陰極加氫氧催化反應對最大功率冷啟動模式的影響，基于陽極加催化反應對最大功率、恒功率、恒電壓和恒電流密度冷啟動模式進行比較，對-40℃下快速冷啟動、設計參數對冷啟動性能影響、沒有冰形成的快速冷啟動以及過冷現象進行分析。 研究揭示了冷啟動過程中陽極氫氧催化反應改善電堆冷啟動特性機理，證明了陽極氫氧催化反應可提高電堆輸出功率和自身產熱速率，并驗證了該方法實現-20oC 無冰啟動的可能性