基于氫氣低溫催化燃燒的燃料電池低溫啟動研究進(jìn)展

袁 慶，鄭俊生，馬建新

（同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804；同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

由于傳統(tǒng)汽車對環(huán)境造成的嚴(yán)重污染和化石能源的可枯竭性，燃料電池汽車（fuel cell vehicle，F(xiàn)CV）已逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。FCV 是電動汽車的一種，通常采用質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）作為動力源，其所需能量是通過氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)直接變成電能。相比于傳統(tǒng)汽車，F(xiàn)CV 具有以下優(yōu)點(diǎn)：零排放或接近零排放；減少了機(jī)油泄漏帶來的水污染；降低了溫室氣體的排放；提高了燃油經(jīng)濟(jì)性；提高了發(fā)動機(jī)燃燒效率；運(yùn)行平穩(wěn)、無噪聲。

雖然擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但FCV 的商業(yè)化仍面臨著各種挑戰(zhàn)，如FCV 的成本過高，而可靠性、耐久性又不能滿足要求，以及氫燃料的儲運(yùn)和加注等基礎(chǔ)設(shè)施的不足等。此外，寒冷地區(qū)的用戶還要求FCV能夠在低于0 ℃的外界環(huán)境中能夠快速、可靠地實(shí)現(xiàn)低溫啟動，這便涉及PEMFC 低溫啟動能力。

本文主要綜述了基于氫氣低溫催化燃燒的燃料電池低溫啟動研究進(jìn)展。

1 PEMFC 低溫啟動機(jī)理

1.1 PEMFC 低溫啟動面臨的主要挑戰(zhàn)

一個典型的燃料電池冷啟動過程可以分為以下三個階段[1]。

階段一：燃料電池冷啟動過程開始，隨著反應(yīng)的開始，電池陰極側(cè)開始產(chǎn)生水，電池陰極側(cè)催化層的含水量也因此而升高，直至達(dá)到飽和。此階段沒有冰生成。

階段二：一旦陰極催化層達(dá)到飽和，再生成的水就會在催化層中結(jié)冰并開始堆積。同時，產(chǎn)生的熱會使電池的溫度上升。如果電池溫度在催化層完全被冰覆蓋之時仍低于冰點(diǎn)，燃料電池就會停機(jī)，低溫啟動失敗。如果電池溫度在陰極催化層全部被冰覆蓋前達(dá)到冰點(diǎn)，冰開始融化，融化過程吸收熱量使電池溫度維持在冰點(diǎn)，直至所有冰全部融化。

階段三：當(dāng)陰極催化層上的冰都融化后，電池溫度開始再次上升，并持續(xù)上升至工作溫度，電池開始正常工作。

值得注意的是，在階段二中燃料電池內(nèi)部的水將經(jīng)歷結(jié)冰和融化的過程，這恰恰就是PEMFC 低溫啟動所面臨的主要挑戰(zhàn)。電池內(nèi)部的水主要來源于反應(yīng)產(chǎn)物水和增濕水。

1.2 水結(jié)冰對電池材料及部件的影響

由于水和冰的密度差，當(dāng)水結(jié)冰時會產(chǎn)生9%的體積膨脹，這將對電池部件（如膜電極、氣體擴(kuò)散層和催化層等）造成不可逆的傷害，導(dǎo)致燃料電池性能和壽命的不同程度下降。

（1）膜電極（membrane electrode assembly） Kim 等[2]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過20 次低溫啟動后，膜電極會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，同時在膜電極內(nèi)部結(jié)冰，阻礙了反應(yīng)氣體和催化劑的接觸。Yan 等[3]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次低溫啟動后，膜電極與擴(kuò)散層出現(xiàn)分層現(xiàn)象，阻礙了生成水蒸氣的排放，加重了結(jié)冰負(fù)擔(dān)。

（2）氣體擴(kuò)散層（gas diffusion layer） 水冰相變應(yīng)力會破壞擴(kuò)散層中憎水和親水的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以導(dǎo)致產(chǎn)物水和反應(yīng)氣的傳遞效率降低。詹志剛等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在低溫啟動試驗(yàn)后碳紙中構(gòu)成空隙骨架的碳纖維變得光潔，碳纖維表面上微孔層發(fā)生了嚴(yán)重的脫離，并且在水結(jié)冰的凍漲應(yīng)力作用下被 折斷。

（3）催化層（catalyst layer） Cho 等[5]用氮吸附方法發(fā)現(xiàn)，冰凍解凍后催化層中的大孔（＞25 nm）數(shù)目增加，小孔數(shù)目減少，而且平均孔徑變大，比表面積變小。水冰相變過程引起的體積變化破壞了孔結(jié)構(gòu)，從而破壞了催化層結(jié)構(gòu)。不僅如此，侯俊波等[6]研究發(fā)現(xiàn)，催化層經(jīng)過冰凍和解凍后微觀形貌也會發(fā)生改變，如在溫度為-20 ℃的環(huán)境下冰凍解凍20 次后催化層會發(fā)生分層現(xiàn)象。分層現(xiàn)象的出現(xiàn)和催化層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞都會使催化層內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的活性面積發(fā)生變化，進(jìn)而影響燃料電池低溫啟動性能。此外，詹志剛等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在低溫啟動后催化劑表面出現(xiàn)了龜裂并有凹坑。

（4）質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane）

黃永[7]認(rèn)為，冰的凍脹對質(zhì)子交換膜的破壞常表現(xiàn)為：液態(tài)水反復(fù)凍結(jié)和解凍所產(chǎn)生的拉伸作用導(dǎo)致膜的韌性降低；在表面形成褶皺；與催化層相鄰界面上的液態(tài)水在膜上留下印痕；凍結(jié)程度加深所產(chǎn)生的冰晶直接將膜刺破等。有時從表面上看，膜仍然保持完好，但從微觀上進(jìn)行分析則可能出現(xiàn)韌性降低，反應(yīng)氣體滲透率加大。Yan 等[3]的研究展示了低溫啟動對燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，觀察到燃料電池在-15 ℃的環(huán)境下工作一段時間后，質(zhì)子交換膜內(nèi)部出現(xiàn)了一些微小的孔隙，這些孔隙會導(dǎo)致氣體滲透，從而降低質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電性能。

2 PEMFC 低溫啟動策略的確定

本文將PEMFC 低溫啟動策略進(jìn)行了分類，列舉了現(xiàn)有的主要低溫啟動方案，并詳述了其工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，如表1 所示。

經(jīng)過對PEMFC 各冷啟動方案的分析和比較，選擇使用基于電池外部氫氣低溫催化燃燒的冷啟動方案，具體操作方式為：將氫氣和空氣的預(yù)混合氣通入催化反應(yīng)器中，再將反應(yīng)后的尾氣通過陰極流場和水流場通入電堆，加熱燃料電池系統(tǒng)。之所以不同時利用催化反應(yīng)尾氣加熱電池陽極，是因?yàn)槲?氣中含有較高比例的氧氣，當(dāng)燃料電池正常工作在陽極通入氫氣時，氫氣可能發(fā)生氧化燃燒，甚至爆炸。該方案具有以下優(yōu)勢：①氫氣催化燃燒能快速起燃，溫度上升速率快，能滿足燃料電池快速啟動的熱源要求；②外部的催化燃燒避免了直接接觸 催化層而破壞膜結(jié)構(gòu)，不會影響燃料電池的壽命；③反應(yīng)后尾氣中含有水，可以對燃料電池進(jìn)行 加濕。

表1 各種PEMFC 低溫啟動策略對比

3 基于氫氣催化燃燒的PEMFC 低溫啟動的相關(guān)研究進(jìn)展

如今對基于氫氣催化燃燒的PEMFC 低溫啟動的相關(guān)研究主要集中在催化劑和反應(yīng)過程這兩個方面。催化劑對于氫氣催化燃燒的迅速起燃和燃燒的穩(wěn)定性以及氫氣的轉(zhuǎn)化率等均有非常重要的影響。而反應(yīng)過程則揭示了影響氫氣催化燃燒及PEMFC冷啟動過程的主要因素。在某些不具備實(shí)驗(yàn)條件的情況下，通常采用數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)方法，以數(shù)值模 擬結(jié)果指導(dǎo)下一步的研究。

3.1 催化劑

Ryi 等[18]在微孔道反應(yīng)器中，以Pt-Sn/Al3O3、Pt-Zr/Fe-CrAlY 為催化劑，通過氫氣催化燃燒使得反應(yīng)器在一分鐘之內(nèi)達(dá)到正常的工作溫度。Kramer等[19]以Pd/γ-Al2O3為催化劑研究了氫氣的低溫（＜250 ℃）催化燃燒性能，認(rèn)為利用質(zhì)譜分析儀進(jìn)行在線監(jiān)測對于解釋催化燃燒的機(jī)理、H2O 吸附/解吸的影響和Pd 氧化情況具有非常重要的意義，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有在低溫（Tin＜250 ℃）時氫氣轉(zhuǎn)化率依賴于混合氣的化學(xué)當(dāng)量比，但始終低于40%；當(dāng) Tin＞250 ℃時，傳質(zhì)限制將愈發(fā)顯著，因此隨著Tin的升高，氫氣轉(zhuǎn)化率將不再依賴于化學(xué)當(dāng)量比；入口混合氣中水蒸氣的添加將造成低溫時氫氣轉(zhuǎn)化率的下降，但當(dāng)Tin＞125 ℃時，它僅僅延遲催化起燃和催化燃燒向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化的過渡。

房師平等[20]研究了Pd/Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑在汽車尾氣處理中的應(yīng)用，揭示了催化劑老化后仍具有較高活性的內(nèi)在原因。岳寶華等[21]考察了CexZr1-xO2的添加對Al2O3負(fù)載Pd 催化劑的甲烷燃燒活性影響，認(rèn)為Pd/Ce0.2Zr0.8O2/Al2O3具有最好的催化活性及熱穩(wěn)定性。宮振華[22-23]研究了添加CexZr1-xO2對采用Pt/γ-Al2O3/堇青石整體式催化劑的氫氣催化燃燒性能的影響，認(rèn)為CexZr1-xO2的添加明顯提高了催化劑的活性，并且隨著Ce/Zr 比的增大，催化劑活性逐漸增強(qiáng)。此外，他利用溶膠-凝膠法制備了具有高比表面積和有序孔道結(jié)構(gòu)的尖晶石結(jié)構(gòu)鎂鋁復(fù)合氧化物涂層，制備得到了整體式Pt/Ce0.6Zr0.4O2/MgAl2O4/堇青石氫氣催化劑，實(shí)現(xiàn)了氫氣在-20 ℃時快速起燃。

3.2 反應(yīng)過程

在反應(yīng)過程研究方面，曹彬等[24]研究了微尺度化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的氫氣/空氣催化燃燒反應(yīng)，考察了操作條件對反應(yīng)行為的影響，同時探討了該類反應(yīng)器應(yīng)用于強(qiáng)放熱反應(yīng)過程的動力學(xué)研究。他們認(rèn)為處于爆炸極限內(nèi)的氫氧催化燃燒反應(yīng)可在微尺度反應(yīng)器中安全地進(jìn)行，并且微管道燃燒器對強(qiáng)放熱快速反應(yīng)具有相當(dāng)高的操作潛力。Choi 等[25]研究了氫氧預(yù)混合氣體在微型管道內(nèi)的燃燒特性，認(rèn)為催化燃燒反應(yīng)區(qū)域主要位于管道入口處，隨著預(yù)混合氣體入口流速的增加或化學(xué)當(dāng)量比的減小，反應(yīng)區(qū)域的面積逐漸擴(kuò)大。此外，管道內(nèi)壁Pt 催化劑的濃度對反應(yīng)不產(chǎn)生影響，而產(chǎn)生的大量熱量和寬廣的反應(yīng)區(qū)域有利于反應(yīng)不受液態(tài)水的影響持續(xù)進(jìn)行。鄧 棚[26]采用基于氫氣低溫催化燃燒的燃料電池冷啟動策略，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，他認(rèn)為增大氫氣/空氣預(yù)混合氣的流速和其中的氫氣含量能縮短燃料電池的低溫啟動時間，當(dāng)流量為30000 h-1，氫氣體積分?jǐn)?shù)為4%時，燃料電池內(nèi)部溫度在600 s 內(nèi)由-10 ℃上升到冰點(diǎn)溫度以上。

而在數(shù)值模擬方面，Weisbrod 等[27]在考慮電堆整體熱平衡和物料平衡的基礎(chǔ)上建立了一維冷啟動模型，研究了環(huán)境溫度為-40 ℃的情況，同時考慮了不同加熱方式的影響。Gurski[28]建立的一維模型中，考慮了進(jìn)口和出口的氣流以及內(nèi)部生成的熱量和水的生成。Mao 等[1]建立了一個一維理論模型，用以分析PEMFC 冷啟動過程中熱傳遞、催化層中冰的形成過程、低溫環(huán)境中電池內(nèi)部水傳遞的特點(diǎn)以及冷啟動過程中電池電壓的變化規(guī)律。Nguyen等[29]首次建立了二維PEMFC 模型，討論了PEMFC的水熱管理問題。Meng[30]使用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法對電池內(nèi)氣體流向橫截面方向水熱傳導(dǎo)和分布情況進(jìn)行了研究。Meng 等[31]的三維多相瞬態(tài)模型描述了PEMFC 冷啟動過程中伴隨結(jié)冰現(xiàn)象的物料輸運(yùn)和電化學(xué)反應(yīng)過程。高鑫[32]采用向PEMFC 陰極側(cè)通入熱空氣的冷啟動策略，并對基于該策略的燃料電池冷啟動過程建立了三維非穩(wěn)態(tài)單相數(shù)學(xué)模型，考慮了電池內(nèi)大多數(shù)物理量的傳遞現(xiàn)象，并借助此模型的數(shù)值模擬，研究了輔助啟動過程中熱空氣參數(shù)和電池雙極板材料對冷啟動過程的影響。

4 氫氣微尺度低溫催化燃燒的數(shù)值模擬及分析

Hua 等[33]所采用的微型管道燃燒器物理模型如圖1 所示，該物理模型是一個二維軸對稱模型。氫氣和空氣以預(yù)混合方式通入微型管道燃燒器內(nèi)進(jìn)行催化燃燒。

圖1 微型管道燃燒器物理模型[33]

數(shù)值模擬采用的數(shù)學(xué)模型[34]由連續(xù)方程、組分方程、動量方程、能量方程和理想氣體狀態(tài)方程等組成。通過壁面向環(huán)境傳遞的熱損失可由方程式（1）描述。

式中，h 為對流換熱系數(shù)；T0為環(huán)境溫度；Tw為燃燒器外壁面的溫度；ε為發(fā)射率；σ為史蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；h 和ε分別選取20 W/(m2·K)和0.5。

動力學(xué)模型[35]由氫氣/空氣預(yù)混合氣體空間氣相燃燒和氫氣在催化劑Pt 表面的催化燃燒反應(yīng) 組成。

（1）不同反應(yīng)模型的燃燒特性 陳俊杰等[34，36-37]以及Chen 等[38]研究發(fā)現(xiàn)（圖2），在不同反應(yīng)模型的情況下，氫氣都可以在微尺度管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒；表面催化反應(yīng)對空間氣相反應(yīng)有抑制作用；空間氣相與表面催化的耦合反應(yīng)能得到最高的溫度。

（2）氫氣/空氣預(yù)混合氣入口流速的影響 陳俊杰等[34，36-37]以及Chen 等[38]研究發(fā)現(xiàn)（圖3～圖5），氫氣/空氣混合氣體入口流速較小時的燃燒主要是空間氣相反應(yīng)；隨著入口流速的增加，燃燒過程中同時存在著表面催化反應(yīng)和空間氣相反應(yīng)；入口流速較大時的燃燒主要受表面催化反應(yīng)控制。

表面催化反應(yīng)的存在對空間氣相反應(yīng)產(chǎn)生兩方面的影響。一方面，表面催化反應(yīng)將會消耗部分上游區(qū)域的燃料，管道中反應(yīng)物濃度的降低和催化反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)生均會削弱空間氣相反應(yīng)；另一方面，表面催化反應(yīng)所帶來的高溫和熱輻射將會促進(jìn)空間氣相反應(yīng)并且減少氣相反應(yīng)的熱損失。這兩種競爭因素將決定管道內(nèi)能否發(fā)生氣相燃燒反應(yīng)。

圖2 不同反應(yīng)模型下，管道內(nèi)溫度、OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、H2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布情況[38]

圖3 沿中心軸線方向的溫度分布（管徑1 mm）[38]

陳俊杰等[34，36-37]以及Chen 等[38]研究發(fā)現(xiàn)（圖6），凡是管道內(nèi)能發(fā)生空間氣相反應(yīng)的情況，均能得到接近于100%的氫氣轉(zhuǎn)化率。當(dāng)入口流速超過10 m/s 時，管道內(nèi)將無法發(fā)生空間氣相反應(yīng)，此時出口處的溫度和氫氣轉(zhuǎn)化率將明顯降低。

圖4 沿中心軸線方向的H2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布[38]

（3）管徑的影響 陳俊杰等[36]研究發(fā)現(xiàn)（圖 7），隨著管徑的減小，最高溫度也相應(yīng)地降低。這是因?yàn)殡S著管徑的減小，表面積與體積比增大，散熱速率急劇提高，最終導(dǎo)致反應(yīng)的最高溫度降低。

Chen 等[38]研究發(fā)現(xiàn)（圖8），隨著管徑的減小，OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布逐漸向上游移動并且數(shù)值漸漸變小，這是由于管內(nèi)的表面催化反應(yīng)不斷加強(qiáng)而造成的。表面催化反應(yīng)主要受反應(yīng)物擴(kuò)散時間的影響，而反應(yīng)物擴(kuò)散時間可以由式（2）表示。

圖5 沿中心軸線方向的OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布[38]

圖6 出口處溫度及H2 轉(zhuǎn)化率隨入口流速的變化情況[38]

圖7 不同管徑下沿軸向的溫度分布[36]

式中，DAB為質(zhì)量擴(kuò)散率；R 為擴(kuò)散長度。對于尺寸越小的管道而言，反應(yīng)物擴(kuò)散到催化層所需要的時間也就越短。

圖9 不同管徑下能使管內(nèi)發(fā)生空間氣相反應(yīng)所允許的最大入口流速[38]

Chen 等[38]研究發(fā)現(xiàn)（圖9），隨著管徑的減小，所允許的最大入口流速將先增加，當(dāng)直徑減小到 0.6 mm 時，即使入口流速達(dá)到18 m/s（該流速已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氫氣燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋r，管內(nèi)仍然能發(fā)生空間氣相反應(yīng)，此時催化層能夠很好地保障空間氣相反應(yīng)的穩(wěn)定發(fā)生。然而當(dāng)管道直徑減小到 0.4 mm 時，所允許的最大入口流速也相應(yīng)地降到4 m/s。這些結(jié)果表明了表面催化反應(yīng)對于空間氣相反應(yīng)的抑制效果要勝于熱量和自由基的產(chǎn)生對其的增強(qiáng)效果。當(dāng)管徑降至0.2 mm 以下時，管內(nèi)將無法發(fā)生空間氣相反應(yīng)。

在微型管道燃燒器內(nèi)，表面催化反應(yīng)對空間氣相反應(yīng)的影響可被分為3 種類型[38]：

第一種類型是表面催化反應(yīng)削弱了空間氣相反應(yīng)，但空間氣相反應(yīng)在很寬廣的入口流速范圍內(nèi)仍然存在，如圖10 區(qū)域Ⅰ所示；

第二種類型如圖11 所示，空間氣相反應(yīng)被表面催化反應(yīng)顯著抑制，并且對溫度和主要物質(zhì)的空間分布幾乎不產(chǎn)生影響，但仍顯著影響OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布，如圖10 區(qū)域Ⅱ所示；

圖10 表面催化反應(yīng)對空間氣相反應(yīng)產(chǎn)生影響的3 種反應(yīng)類型[38]

圖11 空間氣相與表面催化耦合反應(yīng)（上半部分）和單獨(dú)催化反應(yīng)（下半部分）的溫度、H2、H2O 及OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布[38]

第三種類型是空間氣相反應(yīng)能被完全忽略，在微型管道中主要發(fā)生表面催化反應(yīng)，如圖10 區(qū)域Ⅲ所示。

圖12 H2 轉(zhuǎn)化率隨當(dāng)量比的變化情況[34]

圖13 有/無導(dǎo)熱壁時沿軸向的H2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布[34]

（4）當(dāng)量比的影響 陳俊杰等[34，37]研究發(fā)現(xiàn)（圖12），隨著當(dāng)量比的增加，氫氣的轉(zhuǎn)化率先增加后減小，氫氣轉(zhuǎn)化率在當(dāng)量比為0.6 時達(dá)到最大 值99.5%。在當(dāng)量比較小時，氧氣過量，但由于H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低以及反應(yīng)放出的熱量較少，導(dǎo)致反應(yīng)速度很慢，因此氫氣的轉(zhuǎn)化率較小。在當(dāng)量比較大時，由于氫氣過量，燃燒反應(yīng)進(jìn)行不完全，導(dǎo)致氫氣的轉(zhuǎn)化率曲線快速下降。

（5）導(dǎo)熱壁的影響 陳俊杰等[34]研究發(fā)現(xiàn)（圖13），導(dǎo)熱壁使催化燃燒反應(yīng)更容易進(jìn)行，燃燒反應(yīng)區(qū)域更接近管道入口處。

（6）管壁材料的影響 管壁的導(dǎo)熱性使得熱量能夠非常容易地從已燃區(qū)域傳導(dǎo)到上游區(qū)域以預(yù)熱未燃混合氣，但通過管壁向環(huán)境傳遞的熱損失將會延遲混合氣的著火，甚至造成熄火。陳俊杰等[34]及Chen 等[38]研究發(fā)現(xiàn)（圖14），當(dāng)管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低時，壁面存在著較高的峰值溫度和較大的溫度梯度，而熱點(diǎn)的存在可能造成壁面材料的融化或催化劑活性下降。隨著管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，并且火焰區(qū)域也逐漸向下游方向移動，見圖15，這種現(xiàn)象與微型管道內(nèi)無催化層時恰恰相反[33]。此外，管道內(nèi)壁有催化層時壁面材料的導(dǎo)熱系數(shù)對反應(yīng)的影響與無催化層時相比并不顯著，這是因?yàn)榇偈箍臻g氣相反應(yīng)發(fā)生的熱量主要來源于催化反應(yīng)，而不是來源于上游的熱傳導(dǎo)。

圖14 不同導(dǎo)熱系數(shù)下沿著壁面(a)和沿著中心軸線(b)的溫度分布[38]

圖15 不同壁面導(dǎo)熱系數(shù)下沿著中心軸線的OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布[38]

5 結(jié) 論

（1）基于氫氣低溫催化燃燒的冷啟動策略可 使燃料電池在低于0 ℃的環(huán)境中快速可靠地冷 啟動。

（2）由于微型管道燃燒器具有小特征尺度，可使處于爆炸極限內(nèi)的氫氧催化燃燒在高空速、低壓降的情況下安全進(jìn)行。

（3）氫氣/空氣預(yù)混合氣體入口流速、當(dāng)量比、管徑、導(dǎo)熱壁及其材料均對氫氣的催化燃燒產(chǎn)生重要影響。入口流速較小時的燃燒主要是空間氣相反應(yīng)；隨著入口流速的增加，燃燒過程同時存在著表面催化反應(yīng)和空間氣相反應(yīng)；入口流速較大時的燃燒主要受表面催化反應(yīng)控制；隨著入口流速的增大，氫氣轉(zhuǎn)化率逐漸降低，出口平均溫度先增大后減小。隨著管徑的減小，管道內(nèi)最高反應(yīng)溫度相應(yīng)地降低，OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布逐漸向下游移動并且數(shù)值漸漸變小，所允許的最大入口流速先增加后減小，當(dāng)管徑降至0.2 mm 以下時，管內(nèi)將無法發(fā)生空間氣相 反應(yīng)。

（4）就數(shù)值模擬而言，現(xiàn)有的大多數(shù)文獻(xiàn)均為研究氫氣在微型管道內(nèi)的催化燃燒過程或研究利用氫氣催化燃燒尾氣加熱的燃料電池的溫升情況，而少有工作將兩者結(jié)合起來一起研究，在這方面有大量的工作需要進(jìn)行，最終達(dá)到兩個目標(biāo)：①提高氫氣的轉(zhuǎn)化率，降低反應(yīng)和傳遞過程中的熱損失，提高系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性；②優(yōu)化操作參數(shù)，使燃料電池能夠在更低的環(huán)境溫度中實(shí)現(xiàn)更快速、更可靠的低溫啟動。

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