機電工程學(xué)院畢業(yè)論文外文資料翻譯論文題目 :GD6126 客車設(shè)計— 傳動軸及懸架設(shè)計譯文題目: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學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 正文：外文資料譯文 附件：外文資料原文 指導(dǎo)教師評語：譯文忠于原文，能正確表達(dá)原文意思；語句流暢，符合中文的表達(dá)習(xí)慣，圖表翻譯正確；字?jǐn)?shù)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(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，即凍結(jié)，不飽和，和熔化階段。根據(jù)我們的數(shù)值觀測，我們提出了一個有效的實現(xiàn)快速電池溫度上升，同時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(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延緩冰/霜成核期一個 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(xué)反應(yīng)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(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，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(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?dāng)U散率也大大提高，這個階段，這是一個更強大的水回流的結(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，沒有任何進一步的產(chǎn)生水的冷凍。這一觀察結(jié)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(shù)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(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(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 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，我們只存在一個簡短的在這里描述，強調(diào)的新功能在這項研究中發(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）飽和水蒸氣瞬時凝結(jié)；（6）可以忽略不計的電化學(xué)雙電層的充電和放電在 CLS?？刂品匠蹋荷鲜黾僭O(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：（5）電子運輸：（6）在保持均衡的源匯項。 （1）-（6） ，即，標(biāo)準(zhǔn)，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(xì)描述如下：（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，考慮 ST，為 CL 和 GDL 的地區(qū)，如表 1。當(dāng)當(dāng)當(dāng)當(dāng)對于電荷守恒方程的源項，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?；魻栐陉枠O 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） ，該有效擴散系數(shù)，擴散由作為改性關(guān)聯(lián) [26]對孔隙度的影響和曲折的 GDL 和 CL。因為這也是影響冰的分?jǐn)?shù)，最后形成擴散的冰。（12）電解質(zhì)的輸運性質(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(shù)值實現(xiàn)本研究的細(xì)胞幾何和計算網(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，除了進出口區(qū)計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(xué)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(jù)理想氣體定律。在第 2.1 和 2.2 節(jié)所描述的瞬態(tài)冷啟動模型進行了數(shù)值實現(xiàn)與市售的計算流體動力學(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(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/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。圖 1 單直通道燃料電池的計算域和網(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，一個更快的細(xì)胞溫度上升也實現(xiàn)，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(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)先的一個更成功的自我啟動的電池。截面陽極入口陰極入口雙極板冷卻通道空氣通道氣體擴散層催化劑層系統(tǒng)邊界陽極 陰極圖 3 給出的電壓變化曲線為 1，2，3，和 4?？梢钥闯觯蝗幌陆档姆入姵仉妷簩?yīng)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(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，使膜補液開始。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 4 所示的陽極和陰極平均含水量分布，表示一個復(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。結(jié)論一個有效的電流上升的戰(zhàn)略已經(jīng)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(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一步的蓄冰。相圖 4 陽極的平均含水量演化曲線 CL，膜和陰極 CL 為 1--4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，進一步突出，冷啟動時的細(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，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(shè)計參數(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，CL 的設(shè)計改變。冷啟動現(xiàn)象，包括冰積累，水的吸收，膜水的運輸，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有價值的工具，尋找一個最佳的電流提高策略，根據(jù)不同的細(xì)胞設(shè)計和操作條件。致謝這項工作是由技術(shù)創(chuàng)新支持計劃（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）由貿(mào)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(chǔ)設(shè)施技術(shù)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?，F(xiàn)代汽車公司，美國專利 20090140066A1。[ 5 ]Saloka GS, Adams JA.。快速的系統(tǒng)和方法汽車燃料電池預(yù)熱。福特全球我們的專利技術(shù)，20030072984A1。[ 6 ]Yamada K.燃料電池裝置及其控制方法。日產(chǎn)汽車公司，美國專利007537850B2。[ 7 ] Nucellsys G, Uwe L, Kocher KP, Daimler 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