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质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有重量轻、污染物少、效率高、运行时间长等优点，作为未来的新型能源，其具有广阔的应用前景。为了推动燃料电池的商业化，已有不少学者开展了大量研究并取得了进展，然而，PEMFC在低温环境下的应用仍然面临挑战。在零下温度条件下，氧还原反应(ORR)的产物水难以及时排出，在催化层和气体扩散层中积累成冰，阻碍反应物在催化剂层/气体扩散层中的传输，减少电化学活性面积(ECA)，导致电池电压下降，甚至在结冰量达到阈值时启动失败[4]。因此，提高PEMFC冷启动的能力是推动燃料电池技术产业化的关键。
本论文的目的在于全面地描述质子交换膜燃料电池冷启动过程结冰过程并确立影响冷启动性能的关键因素。利用数值方法，对不同结构及材料参数的PEMFC冷启动性能进行评估和分析，为设计具有良好低温运行能力的燃料电池提供参考。
本项工作的主要结论总结如下:
针对实际工况下车用燃料电池发动机内产生的应力及其对各部件的影响，对现有文献进行了回顾，包括极端操作条件下，比如压缩夹紧系统、振动工况和极寒条件。发现，由于应力会引发缺陷、促使裂纹扩展、并导致层间界面分层，因此，应力是导致具有紧凑多层结构的PEMFC发生机械损伤的和性能下降的关键原因，然而，这些应力之间的相互作用尚不明确。因此，为了探索各应力之间的相互作用，以更好地设计燃料电池和发展燃料电池技术，非常有必要进一步完善燃料电池多物理场耦合模型，将物理和电化学过程与结构问题，比如位移（变形）、应力、疲劳、损伤（裂纹、分层）直接耦合，以预测燃料电池的力学响应，并且分析这些结构问题对材料性能和燃料电池输出性能的影响。
利用数值方法，对不同夹紧压缩载荷下的等温冷启动性能进行了评估，结果表明夹紧力对冷启动性能有显著影响。施加较高的夹紧压力会增加冰和电流密度分布的不均匀程度，因而，会导致阴极催化剂层中的冰含量略高，并且由于通道下区域氧气传输阻力小，该区域电流密度相对脊下区域较大，通道下的冰的积累更多。此外，还发现通道下区域电流密度的增加还促进了更多的水在电渗拖曳力(EOD)的作用下由阳极侧向阴极侧传递，加剧了阳极侧膜的脱水，导致冷启动性能下降。
采用FEM/CFD相结合的方法研究了气体扩散层非均匀压缩对冷启动过程的影响。通过应力分析发现，中在双极板的气体通道边缘拐角处和MEA区域压应力明显较高。基于变形后的结构进行冷启动过程模拟得到的结果表明，夹紧压力会加剧氧气分布的不均匀性，显著降低脊下区域氧气浓度。与未施加夹紧压力的情况相比，施加夹紧压力条件下燃料电池内温度升高更快且冰增长相对较慢。这是由于施加夹紧压力后，扩散层厚度和气体流道横截面积均减小，使阴极催化层通道下区域的电化学反应更加剧烈，产生了更多的热量。研究结果表明，夹紧压力导致的非均匀扩散层对燃料电池冷启动过程中温度-结冰相互作用有显著影响。
开展了阴极催化剂孔尺度形态对冷启动性能的影响的理论和数值分析。结果表明，CCL孔尺度形态对PEMFC冷启动性能有重要影响。当阴极催化层结构的扭曲率较小时，燃料电池可以成功启动，而对于较大扭曲率的催化层，燃料电池冷启动失败。扭曲率较小的催化层减小了水从CCL到PEM回扩散的阻力，导致更多的水存储在PEM，另一方面，减小CCL膜相扭曲率可以强化水在CCL膜相的传输以及CCL内水的排出。为了得到更好的冷启动性能，可以通过改进制备方法增加催化层主孔半径并减小孔隙和膜相的扭曲率。
针对含冷却循环的金属双极板多通道PEMFC，分析了非均匀反应物/冷却剂流量分配的冷启动过程，以考虑流场板分配器/歧管对反应物和冷却剂非均匀流量分配对冷启动性能的影响。结果表明，非均匀流量分配对整个冷启动过程中冰体积分数和电流密度分布及均匀性有很大影响。由于吹扫导致的初始含水量非均匀分布将增加结冰速率并降低膜内电流密度分布均匀性。此外，较高的化学计量比可能导致靠近通道入口区域的膜电极较为干燥，降低该区域的电化学反应速率。由于实际条件下PEMFC电堆内的流量不均匀分配不可避免，可以通过改变初始含水量和阴极计量比，以保持冷启动过程燃料电池的稳定性以及降低流道内反应物和冷却剂流量分配的非均匀性。
根据研究内容1中的结论，通过建立冷启动运行期间PEMFC的物理和电化学过程与固体力学理论间的关系，创新性地提出了PEMFC冷启动过程的性能-应力耦合模型。应用商业CFD软件Fluent中以及用户自定义函数对模型进行求解。
本论文的目的在于全面地描述质子交换膜燃料电池冷启动过程结冰过程并确立影响冷启动性能的关键因素。利用数值方法，对不同结构及材料参数的PEMFC冷启动性能进行评估和分析，为设计具有良好低温运行能力的燃料电池提供参考。
本项工作的主要结论总结如下:
针对实际工况下车用燃料电池发动机内产生的应力及其对各部件的影响，对现有文献进行了回顾，包括极端操作条件下，比如压缩夹紧系统、振动工况和极寒条件。发现，由于应力会引发缺陷、促使裂纹扩展、并导致层间界面分层，因此，应力是导致具有紧凑多层结构的PEMFC发生机械损伤的和性能下降的关键原因，然而，这些应力之间的相互作用尚不明确。因此，为了探索各应力之间的相互作用，以更好地设计燃料电池和发展燃料电池技术，非常有必要进一步完善燃料电池多物理场耦合模型，将物理和电化学过程与结构问题，比如位移（变形）、应力、疲劳、损伤（裂纹、分层）直接耦合，以预测燃料电池的力学响应，并且分析这些结构问题对材料性能和燃料电池输出性能的影响。
利用数值方法，对不同夹紧压缩载荷下的等温冷启动性能进行了评估，结果表明夹紧力对冷启动性能有显著影响。施加较高的夹紧压力会增加冰和电流密度分布的不均匀程度，因而，会导致阴极催化剂层中的冰含量略高，并且由于通道下区域氧气传输阻力小，该区域电流密度相对脊下区域较大，通道下的冰的积累更多。此外，还发现通道下区域电流密度的增加还促进了更多的水在电渗拖曳力(EOD)的作用下由阳极侧向阴极侧传递，加剧了阳极侧膜的脱水，导致冷启动性能下降。
采用FEM/CFD相结合的方法研究了气体扩散层非均匀压缩对冷启动过程的影响。通过应力分析发现，中在双极板的气体通道边缘拐角处和MEA区域压应力明显较高。基于变形后的结构进行冷启动过程模拟得到的结果表明，夹紧压力会加剧氧气分布的不均匀性，显著降低脊下区域氧气浓度。与未施加夹紧压力的情况相比，施加夹紧压力条件下燃料电池内温度升高更快且冰增长相对较慢。这是由于施加夹紧压力后，扩散层厚度和气体流道横截面积均减小，使阴极催化层通道下区域的电化学反应更加剧烈，产生了更多的热量。研究结果表明，夹紧压力导致的非均匀扩散层对燃料电池冷启动过程中温度-结冰相互作用有显著影响。
开展了阴极催化剂孔尺度形态对冷启动性能的影响的理论和数值分析。结果表明，CCL孔尺度形态对PEMFC冷启动性能有重要影响。当阴极催化层结构的扭曲率较小时，燃料电池可以成功启动，而对于较大扭曲率的催化层，燃料电池冷启动失败。扭曲率较小的催化层减小了水从CCL到PEM回扩散的阻力，导致更多的水存储在PEM，另一方面，减小CCL膜相扭曲率可以强化水在CCL膜相的传输以及CCL内水的排出。为了得到更好的冷启动性能，可以通过改进制备方法增加催化层主孔半径并减小孔隙和膜相的扭曲率。
针对含冷却循环的金属双极板多通道PEMFC，分析了非均匀反应物/冷却剂流量分配的冷启动过程，以考虑流场板分配器/歧管对反应物和冷却剂非均匀流量分配对冷启动性能的影响。结果表明，非均匀流量分配对整个冷启动过程中冰体积分数和电流密度分布及均匀性有很大影响。由于吹扫导致的初始含水量非均匀分布将增加结冰速率并降低膜内电流密度分布均匀性。此外，较高的化学计量比可能导致靠近通道入口区域的膜电极较为干燥，降低该区域的电化学反应速率。由于实际条件下PEMFC电堆内的流量不均匀分配不可避免，可以通过改变初始含水量和阴极计量比，以保持冷启动过程燃料电池的稳定性以及降低流道内反应物和冷却剂流量分配的非均匀性。
根据研究内容1中的结论，通过建立冷启动运行期间PEMFC的物理和电化学过程与固体力学理论间的关系，创新性地提出了PEMFC冷启动过程的性能-应力耦合模型。应用商业CFD软件Fluent中以及用户自定义函数对模型进行求解。