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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(dòng)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(dòng)策略
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簽名:?jiǎn)渭t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(dòng)策略
Geonhui Gwak, Hyunchul Ju
機(jī)械工程系,仁荷大學(xué),銀河路100號(hào),仁川751402 ,韓國(guó)
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(dòng)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(dòng)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(cè),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(dòng)策略電池內(nèi)冰積累速率。這一冷啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng),氧還原反應(yīng)使產(chǎn)水率增加,導(dǎo)致更快速的冰增長(zhǎng)。這最終導(dǎo)致冷啟動(dòng)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(dòng)操作是提高冷起動(dòng)性能的關(guān)鍵,同時(shí)指出了PEFC冷啟動(dòng)模擬角色的重要性,用于探索一個(gè)最佳的冷啟動(dòng)策略。
1.簡(jiǎn)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(dòng)。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(huì)凍結(jié)成冰。這種冷凍抑制電極中氧的傳遞,減少了對(duì)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(dòng)的方法是簡(jiǎn)單的清洗燃料電池內(nèi)的剩余水。這清除有助于避免對(duì)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(dòng)。
根據(jù)部門制定的冷啟動(dòng)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(zhǎng),大量致力于發(fā)展有效冷啟動(dòng)方法和冷啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)。
冷或者熱自加熱方法啟動(dòng)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(dòng)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(yáng)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(dòng)性能的催化反應(yīng)。他們的模型預(yù)測(cè)自啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí),電池開始在零下10攝氏度或較高的啟動(dòng)溫度,但較低的啟動(dòng)溫度,會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。
除了有效的熱管理PEFC冷啟動(dòng),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(dòng)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(píng)價(jià)功能。[21]提出了一個(gè)擴(kuò)展的冷啟動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(dòng)模型研究[18-24]是增強(qiáng)了包括冰融化和本構(gòu)關(guān)系,對(duì)于PEFC暫態(tài)仿真0度以上.的PEFC冷起動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)量,能量,和物種,電荷守恒,如下:
質(zhì)量守恒:
(1)
動(dòng)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(qǐng)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(zhǎng),和冷啟動(dòng)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(guó)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(duì)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(yáng)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(yáng)極反應(yīng)項(xiàng)。
霍爾在陽(yáng)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(yáng)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(duì)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(dòng),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(duì)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(yáng)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(yáng)極入口:
(19)
陰極入口:
(20)
在哪里的入口截面分別的陽(yáng)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(dòng)模型進(jìn)行了數(shù)值實(shí)現(xiàn)與市售的計(jì)算流體動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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(cè)案例2(0.267毫克/平方厘米),相對(duì)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(yáng)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(duì)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(duì)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(dòng)。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(yáng)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(yáng)極側(cè)水下排放之前,從陰極到陽(yáng)極的水回流效果。其結(jié)果是,在陽(yáng)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(yáng)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(duì)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(yáng)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(dòng)。這個(gè)概念是基于這樣一個(gè)事實(shí):在陰極冰生長(zhǎng)在CL不再飽和階段由于聯(lián)合作用提高水回流,水蒸氣儲(chǔ)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(dòng)沒有形成任何進(jìn)一步的冰。3D冷啟動(dòng)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?zèng)]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(zhǎng)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(dòng)時(shí)的細(xì)胞是欠期是對(duì)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(dòng)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(dòng)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(cè)僅通過多維冷啟動(dòng)建模和仿真。因此,建議冷啟動(dòng)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(guó))
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附件2:外文資料原文