壓縮包內含有CAD圖紙和說明書,均可直接下載獲得文件，所見所得，電腦查看更方便。Q 197216396 或 11970985
機電工程學院
畢業(yè)論文外文資料翻譯
論文題目:GD6126客車設計—傳動軸及懸架設計
譯文題目:聚合物電解質燃料電池在零度以下，根據
工作電流密度控制快速啟動策略
學生姓名：
學 號：
專業(yè)班級：
指導教師：
正文：外文資料譯文 附件：外文資料原文
指導教師評語：
譯文忠于原文，能正確表達原文意思；語句流暢，符合中文的表達習慣，圖表翻譯正確；字數符合要求，格式規(guī)范；譯文總體良好。
簽名：單紅衛(wèi) 2016年04月05日
附件1：外文資料譯文（文獻出處：Science Direct）
聚合物電解質燃料電池在零度以下，根據工作電流密度控制快速啟動策略
Geonhui Gwak, Hyunchul Ju
機械工程系，仁荷大學，銀河路100號，仁川751402 ，韓國
關鍵詞：
聚合物電解質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，我們的描述三個不同階段的數字描述，一種聚合物電解質燃料電池（PEFC）在冷啟動時，即凍結，不飽和，和熔化階段。根據我們的數值觀測，我們提出了一個有效的實現快速電池溫度上升，同時快速的啟動策略電池內冰積累速率。這一冷啟動策略的關鍵是提高工作電流的PEFC在飽和階段，加速電池內部溫度上升。使用一個三維的，短暫的冷起動模型，數值結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負的影響，PEFC冷啟動，氧還原反應使產水率增加，導致更快速的冰增長。這最終導致冷啟動失敗和多孔電極結構的劣化。這項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鍵，同時指出了PEFC冷啟動模擬角色的重要性，用于探索一個最佳的冷啟動策略。
1.簡介
燃料電池汽車能否商業(yè)化的一個先決條件是：在極冷的天氣聚合物電解質燃料電池快速穩(wěn)定啟動。在零度以下環(huán)境，氧還原反應產生的水（ORR）的PEFC的陰極側會凍結成冰。這種冷凍抑制電極中氧的傳遞，減少了對ORR活性，和損害的電極結構，從而導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延緩冰/霜成核期一個PEFC冷啟動。
根據部門制定的冷啟動目標，PEFCs應該能夠達到50%的操作力在30秒內。為了加速電池
從零度以下的溫度，而溫度上升同時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，因為做這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反應熱放熱這些被刊文獻[12-16]。 [12]提出有效的電流斜坡啟動方法實現電池從零度以下的溫度快速升溫。他們發(fā)現使用一個較低的升溫速率是有效的，初始電流密度較低，而電流上升率應增加在較高的初始電流操作密度。[13]允許氫催化反應發(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]的氫影響的數值研究，在一個冷起動性能的催化反應。他們的模型預測自啟動成功的初始溫度20度的化學反應。[15]建議使用氧化釩薄膜金屬雙極板增強冷起動性能PEFCs。他們證明了氧化釩薄膜有效地產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使用印刷電路板技術。他們表明，較低的電池電壓操作縮短冷啟動時，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，并表現出改善的冷啟動性能，他們認為，在8攝氏度的親水性SiO2增強陰極催化層的吸水能力。[18]數字顯示，使用更高離子在陰極發(fā)光增強分數的能力吸收水分，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，因為它可以作為陰極的一部分氯在零下的溫度。MPL在80度在一個正常的評價功能。[21]提出了一個擴展的冷啟動在很寬的范圍內的瞬態(tài)模擬模型，從低溫到正常操作溫度，其中冰熔融和由此產生的膜水化和潛在的熱吸收過程。仿真結果表明冰演化的各個階段，即凍結，不飽和，和熔化。作為受影響的細胞溫度繼續(xù)上升，在冷啟動時釋放的廢物熱，電池進入飽和階段。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擴散率也大大提高，這個階段，這是一個更強大的水回流的結果。因此，水的損失率在陰極發(fā)光由這兩者的機制超過水生產率ORR和因此量，電池內的冰保持不變，沒有任何進一步的產生水的冷凍。這一觀察結果表明：在這個過程中，電流密度可以進一步增加階段，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。
本研究的目的是計算的數值影響增加的電流在飽和階段的一個PEFC冷起動性能。特別強調的是研究電流上升階段和電池熱質量影響電池溫度升高的速率，電解質吸收水的能力，和冰的形成/陰極催化劑層的演化特性（氯）。這項研究清楚地表明，所提出的戰(zhàn)略是加速浪費熱的釋放。沒有進一步的冰積累在電池內，因此，大大方便了PEFC快速啟動零度以下環(huán)境。
2.數值模型
模擬一個PEFC在寬的溫度范圍內操作從低溫（-20℃）到正常工作溫度（80）、三維、非等溫PEFC冷起動模型研究[18-24]是增強了包括冰融化和本構關系，對于PEFC暫態(tài)仿真0度以上.的PEFC冷起動模型詳細的描述出現在我們以前的論文[24]。因此，我們只存在一個簡短的在這里描述，強調的新功能在這項研究中發(fā)展。
模型假設
具體的假設模型如下：
（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；
（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）飽和水蒸氣瞬時凝結；
（6） 可以忽略不計的電化學雙電層的充電和放電在CLS。
控制方程：
上述假設下，多相PEFC的模型是由質量，動量，能量，和物種，電荷守恒，如下：
質量守恒：
(1)
動量守恒:
(2)
種類守恒：
（3）
能量守恒：
（4）
充電保護：
（5）
電子運輸：
（6）
在保持均衡的源匯項。（1）-（6），即，標準，蘇，硅，，列于表1。請注意，源項，Si，在水的輸運方程的CL和GDL地區(qū)包括相變，SSG，描述冰的形成，生長，和冷啟動時的熔化過程。
SSG的詳細描述如下： 當
當
當
當
（7）
在rdesub和Rsub是凝華和升華，相變率；S代表冰分數，定義為冰多孔介質如GDL和CL的空隙的體積分數，即，
（8）
因此，冰量積累在PEFC成分是冰的分數來描述，美國的凝華和升華的過程導致潛熱的釋放和吸收，分別。因此，這些影響應在能量守恒方程的源項，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，SF的氫氧化反應的帳戶（HOR）在陽極的氯和氧還原反應（ORR）在陰極催化層的電化學反應是通過線性化的水平標準Butlere-Volmer方程導出，并忽略anodic[ 25 ]的Butlere-Volmer方程陽極反應項。
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），該有效擴散系數，擴散由作為改性關聯[26]對孔隙度的影響和曲折的GDL和CL。因為這也是影響冰的分數，最后形成擴散的冰。
（12）
電解質的輸運性質依賴于膜的含水量，即水的功能.活動，如下[27]：
（13）
（14a）
(14b)
水蒸汽分壓可以計算出溫度范圍，從零下到正常運行溫度，如下[27-28]：
(15a)
(15b)
3.邊界條件與數值實現
本研究的細胞幾何和計算網格如圖1所示。詳細的理化參數，組件的屬性，細胞尺寸和操作條件在表2和表3列出。如圖1所示，除了進出口區(qū)計算域的大小是利用全細胞的幾何周期從而對稱條件應用于計算單元的外表面減少，除了進出口區(qū)域。
陽極/陰極入口速度可以從它們各自的化學計量比的確定（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算出入口壓力、增濕條件，和溫度，根據理想氣體定律。
在第2.1和2.2節(jié)所描述的瞬態(tài)冷啟動模型進行了數值實現與市售的計算流體動力學程序，使用流暢的用戶定義函數。所有物種和能量殘差的收斂標準被設置為107。
4．結果與討論
探討一種現行的策略對不飽和階段，我們定義了七個仿真案例，稱為例1至7（見表4）。恒流密度為0.1和0.15個/厘米是在冷啟動的應用期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用在第一階段，然后隨后提高到0.15一個/平方厘米。3和4之間的區(qū)別在于是否在凍結階段（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設計和熱的影響在飽和階段的質量開始。對于所有的模擬情況下，初始含水量在電解質相中被假定為10。
陰極
陽極
系統(tǒng)邊界
催化劑層
氣體擴散層
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算域和網格的邊界條件幾何。
圖2顯示整體的細胞溫度和冰積累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，導致或者水生產率越高。因此，一個較高的水平的累積冰預測案例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，一個更快的細胞溫度上升也實現，在2個案例中，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。當前的提高策略應用，增加了電流在冷凍階段（從0.1到0.15 A/cm 10 s），即，案例3，結果在一個冰的質量累積病例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），但快速增長的細胞溫度達到，即可比的情況下，2和3和比1的情況要快得多。因此，圖2清楚地顯示認為目前提出的4種情況下的策略是有效的，領先的一個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于電流的大小密度，因為它主要取決于程度電滲（EOD）流量和由此產生的陽極干涸。特別是3和4的情況下表現出第二次電壓降在10秒和30秒，這是一個電流密度增加。相對于電池溫度圖2所示曲線，二次電壓降期3和4的情況下準確地對應的時間電池溫度上升和/或冰積累增加率，也就是說，由增加的電流密度驅動。然而，一旦電池通過不飽和階段，電池電壓開始恢復的情況下，這意味著水回流起作用，使膜補液開始。
圖4所示的陽極和陰極平均含水量分布，表示一個復雜的相互之間的相互作用冰積累，電池溫度上升。最初在陽極側水下排放之前，從陰極到陽極的水回流效果。其結果是，在陽極氯離子的水含量和膜下降明顯，導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，達到飽和值（14）由于所產生的水的綜合結果。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散。這些都是主要的在飽和階段的現象。這表明，在任何情況下，其中的水含量和電壓跳躍對應近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，其中最適當前提高策略應用于不飽和階段，表現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
結論
一個有效的電流上升的戰(zhàn)略已經提出了促進在極其寒冷的環(huán)境下的PEFC的快速啟動。這個概念是基于這樣一個事實：在陰極冰生長在CL不再飽和階段由于聯合作用提高水回流，水蒸氣儲存電位，這使得在電流密度進一步增加，以加速的廢物的熱釋放和細胞溫度的增加，在冷啟動沒有形成任何進一步的冰。3D冷啟動模擬結果清楚地表明，提高電流密度是有效的只有當這個策略應用于不飽和階段，其中電池的溫度上升率是成功加速沒有任何進一步的蓄冰。相反，如果在凍結階段的電流密度提高，冰的增長率大大增加，導致在一個細胞內的冰積累的程度較高。這些結果清楚地表明，所提出的currentraising策略應該應用于飽和階段，進一步突出，冷啟動時的細胞是欠期是對電池的溫度上升率高度敏感。因此，電池的熱質量，操作電流密度的大小，和電池電壓的關鍵因素是要考慮時，制定最佳的電流提高冷啟動計劃。另一方面，電池溫度上升率并非由Cl設計參數如氯離子含量、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，CL的設計改變。冷啟動現象，包括冰積累，水的吸收，膜水的運輸，廢熱釋放，細胞溫度上升的非線性依賴性，可以預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有價值的工具，尋找一個最佳的電流提高策略，根據不同的細胞設計和操作條件。
致謝
這項工作是由技術創(chuàng)新支持計劃（no.10052823，開發(fā)堆棧和元件數減少，堆積在燃料電池汽車設計）由貿易部資助，工業(yè)和能源（MI，韓國）
參考文獻
[ 1 ] Ko JJ, Kim YM, Im SJ, Lee JH。清洗裝置及方法提高燃料電池冷起動。美國專利20120123620A1。
[ 2 ] Ko JJ, Lee NW, Kim YM, Kwon SU, Son IJ, Sung WS et al等人。清除冷啟動性能提高燃料電池系統(tǒng)。美國專利008497045B2。
[ 3 ]美國能源部。氫，燃料電池和基礎設施技術方案：發(fā)展與示范計劃。2013。
[ 4 ]Han SD.陰極氧耗盡加熱裝置燃料電池車的功能。現代汽車公司，美國專利20090140066A1。
[ 5 ]Saloka GS, Adams JA.?？焖俚南到y(tǒng)和方法汽車燃料電池預熱。福特全球我們的專利技術，20030072984A1。
[ 6 ]Yamada K.燃料電池裝置及其控制方法。日產汽車公司，美國專利007537850B2。
[ 7 ] Nucellsys G, Uwe L, Kocher KP, Daimler AG.，戴姆勒股份公司。方法對冷起動在低溫燃料電池系統(tǒng)。知識產權和技術專利，1711976b1 EP。
[ 8 ]Wheat WS, Meltser MA, Masten DA.。燃料電池能量冷環(huán)境管理系統(tǒng)?？偨浝砑夹g業(yè)務的有限責任公司，美國專利008288049B2。
[ 9 ]Grieve MJ.使用外部熱源的燃料電池系統(tǒng)保持內部溫度。美國的技術專利008356682B2。
[ 10 ].啟動質子交換膜的燃料電池。國際燃料電池，美國專利006127056A。
[ 11 ]Meng H。數值分析非等溫自啟動質子交換膜燃料電池（氫能源雜志2008；33：57 38-47。
[ 12 ]Jiang F, Wang CY, Chen KS。電流ramping策略為：（一）快速啟動： JSOC 2010電化學；（3）：157 b342-7。
[ 13 ] Sun S, Yu H, Hou J, Shao Z, Yi B, Ming P,等。催化氫/氧的質子交換反應；膜燃料電池（PEMFC）在零度以下的低溫啟動。2008年：JSP；177 137-41。
[ 14 ]郭強.研究院輔助冷啟動過程與陽極催化氫氧質子反應交換膜燃料電池。氫能源雜志2013年：1004-15；38。
[ 15 ] Jung M, Um S.電氣和熱傳輸特性大學的釩氧化物薄膜的薄膜在金屬雙極板燃料電池的應用。氫能源雜志2013年：11591-9；38。
[ 16 ] Lin R, Weng Y, Lin X, Xiong F.快速冷啟動質子交換膜燃料電池的印制電路板上的村莊科技。氫能源18369-78 2014；39。
[ 17 ] Miao Z, Yu H, Song W, Hao L, Shao Z, Shen Q, et al.等。特性的質子交換膜燃料電池的冷啟動與二氧化硅在陰極催化劑層。Int J加氫能源：2010年5552-7；35。
[ 18 ] Ko J, Ju H.影響的陰極催化劑層的設計參數在冷啟動的行為的聚合物electrolyte燃料細胞。氫能源雜志2013 682-91；38。
[ 19 ] Ko J, Kim WG, Lim YD, Ju H.改善冷啟動能力的聚合物electrolyte燃料的細胞（pefcs）村的運用雙功能的微孔層（MPL）：數值模擬。氫能源雜志2013 652-9；38。
[ 20 ] Ko J, Ju H. H的數值評價的雙功能microporous層在低溫和正常操作temperatures用于汽車燃料的細胞。Int J加氫能源：2854-62 2014；39。
[ 21 ] Gwak G, Ko J, Ju H.數值研究冷啟動的行為的聚合物electrolyte燃料細胞從低溫到正常操作temperatures電子效應細胞邊界和操作條件。氫能源雜志2014年：21927-37；39。
[ 22 ] Ko J, Kim W, Hong T, Kim D, Ju H. H是沖擊金屬雙極。板片冷啟動燃料的行為electrolyte聚合物細胞（pefcs）。固態(tài)離子學：2012年；260- 7225。
[ 23 ]Chippar P, Ju H.評：冷啟動端和行為中間細胞（A）的聚合物electrolyte型燃料電池（PEFC）離開了。固態(tài)離子學：2012年；85-91 225。
[ 24 ]Ko J, Ju H.比對結果和數值模擬實驗數據在冷啟動大學高分子electrolyte燃料電池。使用方法：364-74 2012年；94。
[ 25 ]，王彩云?；灸Ｐ蛯θ剂想姵毓こ?。2004 47 27-66 104。
[ 26 ] Meredith RE, Tobias CW. advances進入和電化學化學工程。1st.2.紐約：藝軒出版社，1962年。
[ 27 ] Springer TE, Zawodinski A, Gottesfield S.燃料電池模型。該電化學SOC 1991；138（8）：2334-42。
[ 28 ] Murphy DM, Koop T.蒸氣壓的冰過冷的水和大氣的應用。Q J，羅伊流星的SOC，2005，：1539-65 131。
附件2：外文資料原文