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原文传递 PEMFC冷启动过程中电化学反应关键部位外部加热的实验研究

论文题名：	PEMFC冷启动过程中电化学反应关键部位外部加热的实验研究
关键词：	汽车能源;质子交换膜燃料电池;低温冷启动;电化学反应;外部电加热
摘要：	质子交换膜燃料电池（PEMFC）是面向汽车应用的未来能源设备。PEMFC的可靠性和耐用性使它具有广阔的应用前景，然而在低温冷启动方面仍然具有很大的挑战，较低的温度将使得电化学反应的产物水在膜电极组件（MEA）中冻结，阻碍反应物向催化剂层（CL）的供应，从而导致启动失败，进而导致PEMFC整体性能不可逆转地下降。快速、稳定和可靠的PEMFC冷启动策略对于避免MEA永久退化至关重要。在燃料电池设计中，增加水容量，通过吹扫排水和外部加热，都有利于燃料电池顺利进行冷启动。基于外部电气加热的冷启动具有控制灵活、附加设备简单以及加热效率高的优点。膜电极组件和双极板直接加热阴极侧更有效，同时要关注达到总峰值电流密度之前产生大部分总电流的入口区域、中间区域和出口区域，这对于顺利冷启动至关重要。　　本研究设计了三平行流道的蛇形流场PEMFC的实验装置，通过使用阴极流场肋片上的镍铬电热丝加热气体扩散层（GDL）这种外部电加热方式成功实现了冷启动，加热位置位于燃料电池活性反应区域的五个不同位置。使用直流电源直接为电热丝供电，在冷启动期间，五个加热位置分别分布于入口区域、中间区域和出口区域。使用热电偶进行温度测量，以确定电热丝和阴极双极板的实际温度分布。此外，燃料电池冷启动实验过程中测量了电池电压和内部欧姆电阻。本文进一步研究了燃料电池冷启动温度、阴极相对湿度、装配压力及吹扫时间对燃料电池冷启动性能的影响。结果表明，燃料电池在温度为70℃，阳极相对湿度100％，阴极相对湿度70％，2Nm的夹紧力时燃料电池具有更好的常温性能。此外，还进行了独立测试以优化常温运行和冷启动运行的关键设计和运行参数。　　通过燃料电池关键位置加热冷启动实验发现，在中间区域使用电加热的方式更容易启动成功，这是因为中间区域热损失较少；其次是加热入口区域，此处由于供应反应物的浓度高，电化学反应速率快，反应放出的热量更多；冷启动成功率最低的是加热出口区域，因为燃料电池出口区域由于浓差极化，电化学反应速率较低，仅作为未使用的过量反应物和产出水的通道。同时发现，采用所有电化学反应区域均匀加热的方法能够避免局部温度过高造成质子交换膜损坏。结果表明，0.204W/cm2的加热功率密度足以使PEMFC在-10℃冷启动成功。此外，还发现PEMFC膜电极组件内部温度分布不均匀及部分电化学反应区域被冰覆盖，从而影响出口区域排水顺畅，导致冷启动失败。通过比较冷启动操作之前和之后的PEMFC极化曲线发现，与冷启动成功相比，冷启动失败会明显降低PEMFC的性能，成功冷启动后燃料电池显示整体性能略有下降，而冷启动失败后燃料电池整体性能下降达到18.75％。最后，该研究工作通过在关键区域采用外部电热丝加热的方法，实现了燃料电池快速有效的冷启动，这将有助于开发最佳的燃料电池设计和使用策略，从而极大地提高了PEMFC冷启动的可靠性和耐用性。
作者：	SALISU MUBARAK
专业：	机械工程
导师：	王世学
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2021