质子交换膜燃料电池自冷启动优化：基于三维瞬态模型的蛇形流场协同调控机制

本文推荐：该研究通过建立三维瞬态模型，揭示了质子交换膜燃料电池(PEMFC)在极低温(-30°C)自冷启动过程中初始条件(电流密度、膜水含量)与启动策略(斜坡/阶跃加载)的协同调控机制，创新性提出冰/热分布平衡的关键在于电流加载速率与间隔时间的匹配，为燃料电池在可再生能源系统(如风电/光伏电解氢)中的全年候应用提供了理论支撑。

　　

Highlight

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在极低温环境下的快速自冷启动仍是商业化应用的主要瓶颈。本研究通过开发三维瞬态自冷启动模型，首次揭示了启动策略优化的核心在于初始条件与动态加载的协同调控。

Model validation

通过网格敏感性分析和实验数据对比验证了模型可靠性，确定了最优网格尺寸，确保冰晶相变和温度场模拟的准确性。

Results and discussion

研究发现：

1. 初始电流密度是平衡电化学反应产热与冰晶形成速率的关键参数，-30°C时最大存活时间仅181秒；

2. 高膜水含量会降低质子膜(PEM)水合能力，导致催化层(CL)冰体积分数激增31.3%；

3. 阴极冰晶积聚显著多于阳极，边缘区域冰层厚度比中心区高约40%；

4. 斜坡加载策略中，阶跃间隔时间与步长的匹配度直接决定启动成功率。

Conclusions

该模型阐明了蛇形流场结构下冰-热-电的多物理场耦合机制，为燃料电池在寒冷地区可再生能源系统中的应用提供了优化策略。

CRediT authorship contribution statement

陈磊：审阅与数据分析；陶文铨：方法论指导；刘国庆：模型构建与可视化；吕双玉：算法开发。

Declaration of Competing Interest

作者声明无利益冲突。

Acknowledgments

感谢国家重点研发计划(2023YFB4005801)等项目的资助。