燃料电池最大许可加载速度的研究

用于汽车的质子交换膜燃料电池在加载过程中膜电极缺气是造成寿命缩短的一个重要原因。在优化燃料电池控制和设计燃料电池流场时，目前缺少"最大许可加载速度"作为基本依据，难以科学防范燃料电池动态缺气。.本项目拟通过研究1）燃料电池动态变载过程中流场内压力降变化规律，2）流场参数和操作条件所对应的流场供气速率和动态响应时间，3）氢气在扩散层微通道内的流动特性，4）扩散层参数、极板脊宽及压缩量所对应的氢气扩散速率，特别是极板脊下的氢气扩散速率，5）最后得到最大许可加载速度与流场参数、操作条件及扩散层参数之间的一般关系式。研究工作包括理论数值模拟和实验研究两部分。.本项目的创新和目的是研究出最大许可加载速度与操作条件及流场参数之间的基本函数关系，从而为燃料电池结构设计和燃料电池优化控制提供理论依据，为燃料电池理论的发展提供基础。.预期研究结果将发表至少3篇SCI论文和6篇EI论文，申报2项发明专利。

国外多家汽车公司联合声明“2015年燃料电池汽车开始量产”，但是燃料电池寿命不足是一个亟待解决的问题。为了延长燃料电池使用寿命，本团队进行了系统性研究，特别是“最大许可加载速度”的研究成果，能够为用好和设计好燃料电池提供理论依据。项目工作中，对燃料电池堆及单节燃料电池的老化部位进行了分析，明确了电池堆前端部位的燃料电池率先老化，各单节燃料电池中空气出口端的膜电极率先老化，氢气出后端次之；进行了燃料电池动态过程试验，得到了加载速度、加载幅度、温度、湿度、压力、过量供气系数等对动态能力的影响规律，与膜电极各部位的老化先后次序相吻合；进而建立了燃料电池传质过程、电化学和动力学模型，进行了变载过程中动态特性仿真研究，得到了燃料电池许可加载速度、流场未端瞬时压力等公式；基于该燃料电池动态模型和研究结果，对常规双极板流场进行了改进并创新开发了逆流型双极板；最后为方便研究燃料电池寿命和内部各节电池一致性，探索了一种电池堆膜电极状况现场检测方法，全国燃料电池标准委员会拟将此方法列入国标制定计划。项目相关成果20项，其中发表或被录用于SCI期刊相关论文5篇,EI期刊论文6篇，申报相关发明专利6项，获北京市科学技术奖（基础研究类）一等奖1项。