空气冷却PEMFC电堆自适应温度控制及冷启动研究

能源与人工智能9（2022）100155自适应温度识别在气冷式质子交换膜燃料电池堆余先先a，张华伟a，赵俊杰a，涂正凯a，*，陈秀华ba华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074b南洋理工大学能源研究所，50 Nanyang Avenue，637553 SingaporeH I G H L I G H T S G R A P H I C A LA B标准• 在风冷PEMFC电堆中采用了自适应温度控制。• 空冷发动机的冷起动性能 PEMFC堆叠在-40摄氏度分析了• 研究了关键参数对预热和启动阶段的影响。• 风冷PEMFC电堆在-40° C下可在10 min内完全启动。A R T I C L EI N FO保留字：质子交换膜燃料电池空冷电堆金属双极板冷启动气体加热A B标准温度的自适应控制可以实现燃料电池在不同工作温度下的启动，这对风冷PEMFC的成功冷启动至关重要。分析了基于自适应温度辨识控制的发动机冷起动过程温度分布特性。建立了预热模型和冷启动模型，探讨了预热阶段热空气流量和温度之间的最佳平衡，以促进电堆内温度分布均匀。最后，非平衡传质，以及催化剂中的温度升高在启动阶段，分析了不同电流密度下的扩散层和气体扩散层。结果表明，采用外部气体加热的方法，可在-40 ℃下在10 min内成功启动空冷PEMFC电堆。电流密度和空气流速对空气温度有显著影响冷却PEMFC堆。对风冷PEMFC进行动态分析和实时监测，可用于机器学习和自适应控制，以设定运行参数，实现成功的冷启动。优化负载电流和阴极入口速度的匹配，实现低温环境下的热管理。1. 介绍质子 交换 膜 燃料 细胞 （PEMFC） 是有希望节能设备具有高效率[1，2]。空气冷却PEMFC简化了传统燃料电池的冷却，空气供应和加湿系统[3，4]。因此，由于重量减轻，这些显示出在便携式电源中的应用* 通讯作者。电子邮件地址：tzklq@hust.edu.cn（中）Tu）。https://doi.org/10.1016/j.egyai.2022.1001552022年3月23日在线提供2666-5468/© 2022作者。由爱思唯尔有限公司出版。这是一篇开放获取的文章，获得了CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表能源与AI期刊主页：www.sciencedirect.com/journal/energy-and-aiX. Yu等人能源与人工智能9（2022）1001552命名法CPDEWFIMPSTuV热容（J·mol-1K-1）扩散系数（m2·s-1）膜当量（1000g·mol-1）对流换热系数（W·m-2k-1）法拉第电流（A）压力（Pa）摩尔质量（kg·mol-1）源项（kg·m-3s-1）温度（K）电压（V）流速（m·s-1）希腊符号μερσλ动力粘度（kg·m-1s-1）孔隙率密度（kg·m-3）电导率（S·m-1）含水量/导热系数（W·m-1K-1）ϕτω下标acCL电子效应GDLH2H2O单位：mO2总壁面外转速电位（V）时间（s）物种质量分数阳极阴极催化剂层电有效值气体扩散层氢气水入口质量氧气出口可逆表面活性剂总量水栈壁整个系统。然而，在零度以下的温度下成功启动在零度以下的温度下，残留在膜电极组件（MEA）中的水可在催化剂层（CL）内部或在CL与微孔层（MPL）之间的界面处冻结，从而阻碍反应物气体的输送并引起燃料电池的关闭。冰的形成会导致MEA结构的严重损坏[5-7]，因此，在从零度以下的温度启动之前预热电池组是必要的空气冷PEMFC的冷启动能力仍然需要相当大的改进，特别是在极冷条件下的快速和有效的启动方面。现有的冷起动方法可分为辅助冷起动和无辅助冷起动两大类。PEMFC在-5 ℃以上可以实现无辅助冷启动，但在-5℃以下启动困难-5摄氏度PEMFC的辅助冷启动方法旨在加热堆，包括阳极中的氢气或阴极中的氧气/空气预热[9]、内部和外部氢-氧气催化反应[10，11]、冷却剂预热、端板预热[12]和局部加热阴极[13]。但在实际应用中比较复杂，需要根据电堆的结构和应用场合合理选择一种或几种预热方式。催化氢氧反应是促进PEMFC从零度以下启动的有效过程[10，11，14]。Sun等人[10]通过将流动通道视为微通道反应器的特征，开发了一种利用氢气和氧气反应加热燃料电池的冷启动程序在MEA活性面积和气体浓度一定的情况下，通过计算电池的产热率，发现气体流量是实现电池快速升温的关键。Luo等人[11]分析了已经发现，具有空气摩尔分数的阳极催化反应在最大功率模式下，大于16%可以有效地帮助30个电池组在13 s内从-25°C启动。Guo等人[14]建立了一个三维多相模型，以进行催化反应研究发现，从-20 ℃成功冷启动可以借助于恒电流模式下的催化反应来实现。由于催化反应降低了膜的欧姆电阻，无辅助冷起动策略在某型柴油机上的应用冷启动是至关重要的问题，包括恒电位、恒电流和电流斜坡。Sasmito等人[15]发现，当使用相变材料作为燃料电池时，燃料电池堆可以从-20° C成功启动。还使用热存储介质、相变材料和绝缘体来将堆温度保持在0℃以上。Amamou等人[16]提出了一种用于PEMFC冷启动的基于内部的自适应策略，以在短时间跨度内最大化所产生的热流和电功率的方式实时控制其工作电流。Zhou等人[17]提出并评价了一种新的启动方法，即：例如，可变加热和负载控制。结合活性细胞上的负载和外部加热，死细胞再次被激活。该方法实施得当，可充分利用外部加热功率和电池堆热量。Li等人[18]发现，增加启动电流密度会略微降低燃料电池温度，不利于提高燃料电池的冷启动性能。Lin等人[19]提出，增加初始负载和设置温度可以缩短冷启动时间，实现PEMFC的快速预热。 PEMFC电池组可以在-20° C，20分钟，通过热反应气体和堆的组合热用于启动的外部加热方法包括加热器[13]、热空气鼓风机[12，20]、电池[21]和外部加热源，例如冷却剂加热[15，22，23]、催化燃烧器[24]和热电装置[25]。Li等人[13]提出了一种局部加热方法，通过在阴极板的部分脊下放置加热丝来改善燃料电池的冷启动性能。在加热功率一定的情况下，电热丝数量越少，电热丝的性能越好。 Zhan等人[12]进行了2kW电堆的空气冷启动实验在-20℃的温度条件下预热结果表明空气预热和端板加热具有最佳性能。Alper等人[26]提出了一种带有太阳能空气加热系统的PEMFC模型，以提高燃料电池在寒冷环境中运行时的性能。通过对氢气和氧气进行预热来提高PEMFC的冷启动能力。Zhang等人[27]通过使用波纹管换热器预热阳极氢气，提升了PEMFC在长期低温下的性能。综上所述，现有的冷启动研究主要集中在液冷式PEMFC上，冷启动温度一般在100 ℃以上-30摄氏度 而空冷质子交换膜燃料电池的实时冷启动分析，X. Yu等人能源与人工智能9（2022）1001553图1.一、空冷式质子交换膜燃料电池堆结构图（a）、控制逻辑图（b）、自适应控制流程图（c）。更不用说在-40° C下冷启动了。本文针对空冷电堆的特殊结构，采用外部气体加热的方法对空冷电堆进行预热，预热温度从-40℃开始。空冷电堆的冷启动过程分为预热阶段和启动阶段，建立了冷启动多物理场模型。结果可以很好地反映3D物理模型中的温度分布[29]，自适应温度识别方法控制启动过程。几个关键因素对预热、冷启动性能X. Yu等人能源与人工智能9（2022）1001554-=-表1MEA和流场的结构和物理参数参数值单位膜厚度/CL/GDL 0.025/0.01/0.25[8] mm膜密度/CL/GDL 1980/710/440[30]kg·m-3绝缘板和端板为纯铜、环氧树脂和硬铝合金，厚度分别为1.0 mm、1.5 mm和7.5 mm。MEA的结构和物理参数以及流场示于表1中。自适应控制系统可以自动调整控制逻辑方案为膜/ CL/GDL的比热容833/3300/568[30]J·kg-1·K-1示于图 1（b）. 参考输入r（t）被添加到系统和模型入口，系统的输出y（t）不同于输出CL/GDL渗透率6.2×10-13/m26.2 2001年0-12月[30]ym（t），e（t）是偏差信号。 e（t）驱动自适应系统调整操作并改变CL和GDL的电导率 300/300[30]S·m-1CL/GDL 0.5/0.6的孔隙率[31]/MEA的有效面积100 cm2流道深度0.8 mm流道/脊宽度2/3 mm阴极/阳极流道长度53/298 mm阴极/阳极流道数量59/9/研究了低温下的热管理。机器学习，物理学深度学习和人工智能可以促进冷启动过程中风冷PEMFC热管理的发展[4]。2. 风冷烟囱和预热系统的说明风冷PEMFC电堆主要由20块金属双极板和MEA、一对集电板、绝缘板和端板以及一个电加热器和四个风扇组成。图1（a）中示出了空气冷却PEMFC堆的结构。双极板由厚度为0.1 mm的不锈钢制成，阴极流道和阳极流道交错。集电板的材料控制器的参数。因此，系统的输出y（t）逐渐接近模型的输出ym（t）。自适应控制过程自动重复直到y（t）ym（t）（e（t）0）。实现空冷PEMFC电堆快速启动的关键在于40◦C是避免启动过程中结冰。因此，有必要在电化学反应开始之前使电堆温度高于0°C，并在启动阶段保持电堆温度高于0° C送风机一般配备大风量，目前风冷式燃料电池的阴极化学计量比可以达到100甚至更高[3]。水由于开放式阴极设计和大的空气流量，由阴极产生的气体从流动通道快速排出严重的脱水发生在MEA的阴极侧[32]。液态水主要在阴极侧的肋下而不是在流动通道[33]下产生。一种可行的方法是在电化学反应之前用外部热源预热电堆本文选用热阻小、热交换效率高的PTC发热体。进入电池堆的热空气的流速和温度可以通过控制风扇的旋转速度来调节在预热阶段，电堆的热传递包括电堆与热空气之间的强制对流、电堆与热空气之间的自然对流、电堆与热空气之间的热交换、电堆与热空气之间的热交换以及电堆与热空气之间的热交换。图二、 风冷质子交换膜燃料电池的传热过程（a）以及预热阶段（b）和启动阶段（c）的仿真模型。X. Yu等人能源与人工智能9（2022）1001555IaM{IcIc∂τeσm+的σe+的|Ia||ηa|-τ+=10000电子邮件∂τj=1MJMp∂τ3σeff+Se=0- 是的σeff（φ）+S∂τερ→u→烟囱和环境中的冷空气，以及烟囱和周围环境之间的辐射。将电堆视为对称结构，取电堆的四分之一进行预热模拟。在表2守恒方程中的源项[37]。源术语单位在启动阶段，由电化学反应产生的热量也将加热电池堆。因此，随着电化学反应的增强，PTC加热器的功率可以逐渐减小-2FMH2-RCa MH2（阴离子Cl）Sm={-icMO2 -1（Rca MO2）（阴极CL）kg·m-3s-1直到它被关闭。这一阶段的传热基本相同四楼在前一阶段，由太阳产生的热量0（其他区域）热化学反应可视为内热源。的S-μ/κπ→u（在CL和GDL中）kg·m-2s-1u={0（其他区域）在预热和启动阶段的电堆的仿真模型是示于图 二、COMSOL Multiphysics用于计算，（mm）2（φe）2（TSa）W·m-3有限元法SQ={2（φm）σm（φe）2σe+的|Ic|（|ηc|-TSc4F（阴极）3. 数学模型-ia（CL中的H）kg·m-3s-12FH22在开发模型时所做的假设如下：1）在最后一次停机后，在25°C下用相对湿度为58.0%的气体吹扫烟囱[34]，因此含水量λ保持在14以下，MEA中的水在-40° C时不会冻结[35]。2）GDL、CL和膜被认为是各向同性和均匀的多孔介质，Si={S-4FMO2（CL中的O2）-4 FMH2O（H2OintheCL）0（其他区域）-Ia（阳极）Sia（inanode）A·m-2并且这些层紧密接触而没有接触热阻。3)假设堆组件的物理性质在预热过程中不随温度变化。4）氢气e=ic（阴极）m={-ic （阴极）和空气被认为是理想的不可压缩气体。5)由于气冷式燃料电池中3.1. 预热控制方程首先，当电池堆从零度以下的温度启动时，必须计算预热PEMFC电池堆所需的加热功率。加热功率可通过热平衡分析计算P=ρqvcp（T输出-T输入）（1）其中P是加热功率，ρ和cp是空气的密度和比热容，qv是热空气的流量，Tin和Tout是热空气的温度。3.2. 冷启动控制方程启动阶段和预热阶段的主要区别在于是否存在电化学反应。在启动阶段，质量守恒方程为[37]：（ερ）+动量守恒方程[37]：<$τ +<$（ερu u）=-ε<$p +<$（εμ<$u）+Su（6）能量守恒方程[37]：PTC加热器入口和出口处的空气温度- 是的ρcpT）。）. eff）∂ρ→物种守恒方程[37]：π τ+π τ（ρu）=0（2）n（ρωi）+n（-ρωi∑N Di j（M（<$ωj+ωj <$M）+.xj-ωj）（p）+p→uωi）=Si（8）预热阶段的动量守恒方程如下[36]：在电化学反应期间，电荷守恒方程如下[37]：ρε→u+ρ→uε ε→u=-ερ +ε（μ. →u+（ .）无内热源时的能量守恒方程为嗯嗯也基于恒定物理性质的假设求解电极和电解质的有效电导率（σeff，σeff）[36]：ρcp（T+（→uT））=λ（ T（T）））2F（inanode）空气被认为是不可压缩的，质量守恒方程可以重写为[36]：+SQ（（九）=零+X. Yu等人能源与人工智能9（2022）1001556⎩e=EFFe（e）（4）其中τ表示时间，→u是空气流速，p是空气压力，μ是空气的动态粘度，T表示温度，λ是空气的导热系数。e m可以计算如下[30]：σeffσ ε1。5σm =σm（εm）其中，ε是孔隙率，λeff是有效导热系数，ω是质量分数，Dij是扩散系数，M是分子质量。σe1 .一（十⎧⎨X. Yu等人能源与人工智能9（2022）1001557CW·-⎪⎨ ia=j0，a2cH2，参考exp、RT，Fηa0，cO2，参比RT∂τ = Dw-F （nd ie）（12）（十图三. 验证网格独立性。和σm是电极和电解质的电导率，φe和φm是电极和电解质的电势。表2列出了质量（Sm）、动量（SU）、能量（SQ）、物质（Si）和电流（Se和Sm）的源项。由于膜中含水量较低，预热结束时温度分布不均匀，因此有必要研究低含水量和非等温初始条件对PEMFC电堆性能的影响。以下局部电流密度表达式用于氢氧化反应和氧还原反应[30]：参考文献（cH）0。5（αaa+αca）i=-jref（cO2 ）exp（-αc，a-αc，cFη）其中CH2和CO2是局部氢和氧浓度。CH2，Ref和CO2，Ref为参考值。i是电流密度，η是过电位，F是法拉第含水膜的基本传输方程可以表述为[38]：图四、 风冷质子交换膜燃料电池电 堆冷启动模型的验证。在启动阶段，阳极的GDL处的电势被设置单位：m （meffm） 1设为零，阴极侧的对应边界设为细胞潜能式中，Cm=ρλ/EW为水溶液中的等效水浓度W膜，λ是水含量，ρ和EW是密度和当量3.4. 网格独立性验证膜的分子量。含水量λ与膜电导率之间的关系如下[39]：σ=（0.005139λ-0。00326）exp[1268（1-1 ） ]（13）整个模型域被划分为非结构化网格。在膜、CL和通道壁中需要密集的网格。通过对网格独立性的验证，确定计算结果是否随网格密度的变化而变化所示3.3. 边界条件303不图3，四组独立于网格的测试进行期间，在电流密度为600 A cm-2，加载10 s后进行计算网格数分别为27，255、61，336、129，003和163，005。的相对误差随网格密度的增加而减小。因此，网格在预热阶段期间，限定堆的外壁上的传热系数，并且堆的外壁与周围环境之间的传热速率可以计算为：-→n→q=h（T壁-T表面）（14）其中h是传热系数;Tsurr是周围环境的温度;Twall是电池堆表面的温度129，003人被选中。3.5. 模型验证如图4（a）所示，将Tajiri在参考文献[40]中进行的3 ℃启动实验中电池电压曲线的演变中的边界条件和初始条件 模拟结果与实验结果严格一致，如：X. Yu等人能源与人工智能9（2022）1001558·表3四种情况比较不同的预热效果。电池条件案例1案例2案例3案例4入口风速/m·s-11.8 2 2.2 2.4烟囱风量/SLPM 293.112 325.68 358.248 390.816进风温度/°C 79 67 57 50图五. 四种情况下MEA的平均温度变化随时间变化。膜和催化剂层中的初始水含量为6.2，启动电流密度为0.04Acm-2。极化曲线的模拟结果与实验数据吻合较好et.al在相同的操作条件下，如图所示， 在图4（b）中。结果表明，该模型计算的电压值与实验值吻合较好，可以认为所建立的模型具有较高的可靠性，可用于后续的仿真计算。4. 结果和讨论由于气冷式PEMFC主要通过阴极供气来冷却，因此有必要了解MEA在加载过程中的温升情况。在本研究中，空气冷却PEMFC需要在-40° C的环境温度下启动。最佳预热参数-通过分析PTC加热器在70 W h的电能消耗下的预热效果来确定温度。在预热情况下，加热器出口处的温度（其等于堆入口处的温度）通过空气速度来调节。 设计了四种情况，以确定最佳的操作参数。参数，如表3所示。定义为当第一MEA的温度上升到0℃以上时，整个预热阶段完成。预热后，温度分布和含水量作为初始参数导入冷启动模型4.1. 预热性能在上述情况下，预热3分钟后出口温度升高至0℃。在四种情况下，第一MEA的平均温度随时间的变化如图所示。 五、在最初的1分钟内，平均温度达到0℃。确保第一次多边环境协定预热时间延长到4 min，在堆体温度达到0℃之前，加热效果主要取决于热气流温度，气流温度越高，加热速度越快电池堆被加热。然而，更快的扫气速率导致更低的入口温度，如从方程获得的。（一）.图6中示出了在预热4分钟之后的四种情况下的第一MEA温度分布。具有更快扫描速度的情况3和4显示出比情况1和2更好的加热性能：预热扫描速度越高，MEA中的温度分布越均匀各MEA的温度分布与图1几乎相同。 6由于堆叠的线性布置。由于边缘与冷环境之间的热传递，边缘部分的温度低于其余部分。因此，在预热过程中更应注意边缘部分的温升是否符合要求。由于大的强制对流，MEA上的温差很小图六、 在情况1（a）、情况2（b）、情况3（c）和情况4（d）中预热后第一MEA的温度分布。X. Yu等人能源与人工智能9（2022）1001559见图7。 各种情况下预热温升的均匀性。见图8。不同电流密度下膜电极温升随时间的变化。传热系数由快速的空气速度引起MEA的温度分布影响燃料电池的性能、燃料和氧化剂在GDL和CL中的扩散。因此，PEMFC MEA中的温度分布应尽可能均匀，以实现长的工作寿命[42]。MEA的不均匀温度分布，特别是在操作温度下，将导致PEM和CL的降解[43]。温度差在1379mA·cm-2的恒电流密度下，膜电极的电阻约为20 K[44]。MEA的温度不均匀性超过18 K这将破坏物种分布[45]。如图7所示，整个堆的加热均匀性与预加热后MEA的加热均匀性的比较表明，空气流速越高，加热均匀性越好，平均温度越低是的。四种情况下的烟囱平均温度均在20℃以上，然而，统一性却大不相同。从温差可以看出，在四种情况下，电堆平均温度均随阴极风速的增大而降低。在MEA温度被预热到0℃以上的前提下，情况4，选择最均匀的温度分布作为预热方案。在情况4中，最外侧MEA的第一通道的温度在预热之后最低，这被选择为初始温度场的电化学启动。在自适应温度识别控制的基础上，将温差小于-20° C和平均温度大于0° C作为自适应温度识别条件。当电池堆被预热以满足上述条件时，氢气将连接到阳极，负载将被连接以启动燃料电池。4.2. 启动电流密度第一个MEA边缘附近的流道温度被视为启动模型的初始温度，预热后设置为7℃。膜的初始含水量为6， 并且当加热器工作时化学计量比为100的采用恒电流启动方式，负载线性增加。由于气冷式质子交换膜燃料电池的阴极化学计量比较大，运行过程中产生的水被迅速排出，以避免部分淹没。另外，气冷式质子交换膜燃料电池阴极流道数量多、长度短，有利于电化学反应产生的水及时排出电堆。因此，在本研究中不考虑水的相变。由于气冷式PEMFC电堆MEA工作在相对干燥的工况下，电堆一般工作在中低功率，因此选取了四种典型工况进行计算。述细胞是图9.第九条。MEA表面阴极侧的温度分布（a：加载 完成时 的时间; b：加载后的稳态）。X. Yu等人能源与人工智能9（2022）10015510·见图10。不同空气流量下MEA平均温度随时间的变化（a），MEA平均温度随阴极速度的变化（b）。逐渐 加载 与 电流密度 在100， 两百，三百 和400mA cm-2。MEA的平均温度和电流密度如图所示。8.第八条。可以看出，在完成四种电流密度负载后，温度迅速稳定在12.2℃、18.9℃、26.5℃和34.6℃的MEA在四种电流密度下，29 s、28 s、27 s和24 s后，温度在1 K内波动，达到稳定温度13.5℃、21.4℃，30.540.5℃和40.5℃。这归因于由减少发热引起的低电流密度。MEA和阴极入口空气之间的窄温差导致较长的热平衡时间。最大的热源是欧姆热，这是开始时膜电导率低的主要原因[30]。180 s时MEA表面阴极侧的温度分布如图9（a）所示在热环境图9（b）中显示了平衡。阴极出口区域的温度由于电化学反应积累的热量而较高。随着时间的推移，更多的热量积聚在阴极出口处。随着电流密度的增加，膜电极上的最高温度和温度分布的不均匀性都增加。由于空气冷却质子交换膜燃料电池的横向流道结构，热量沿阴极流道流动，而阳极流道沿垂直方向移动热量。因此，可以推测，具有交叉流场的燃料电池的热量积聚在阴极和阳极出口的区域，在电池运行期间应该注意温度检测。图十一岁MEA的平均温度和电压随着加 热 器 的关闭时间而变化。X. Yu等人能源与人工智能9（2022）10015510········==······4.3. 阴极风速和加热器停机时间的影响本节探讨了PTC加热器关闭后，在-40°加热器被关闭后，逐步完成了400 mA cm-2电流密度加载。这意味着加热器的功率线性降低到0 W，阴极入口空气的温度从7℃逐渐恢复到-40 ℃同时，降低阴极空气入口速度，以确保MEA温度在-40° C环境下不会过低当阴极化学计量比分别为117、100、83和66，Uc分别为2.8ms-1、2.4ms-1、2.0ms-1、1.6ms-1由于风冷PEMFC的热管理是由阴极空气供给，阴极化学计量比通过电流密度、电池数量和输出特性来调节，以保持电池堆的稳定内部温度。图图10（a）示出MEA的平均温度的变化随着时间的推移，在不同的空气流量。在0-随着电流密度表示实际电化学反应的速度，反应速度越快，释放的电化学热越多。电流稳定后，系统很快达到热平衡，温度稳定在180-210 s.此时，MEA温度不 长 增加 的 加热器 是 关断 在 210-390秒。的平均MEA温度达到24.5℃，在空气速度为2.8m s-1;2.4 m s - 1时为26 ℃，2.0 m s-1时为28 ℃，1.6 m s-1时为30 ℃。在气冷式PEMFC中，阴极空气不仅为电化学反应提供氧气，而且还为系统提供散热，因此阴极空气流速的不同将导致MEA温度的不同。根据能量守恒方程，当阴极气流带走的热量与电池电化学产生的热量平衡时，电池的温度保持稳定，燃料电池可以保持相对运行。到确保空冷质子交换膜燃料电池在-40 ℃下稳定运行，当将空气速度调节到1.6m·s-1时，将电流密度增加到400 mA·cm-2。 如图 10（b）平 均 值 的变化在操作过程中，将具有阴极速度趋势的MEA的温度设定为参考模型ym（t）。在实际应用中，可在空冷燃料电池堆上安装热电偶，检测MEA的实时温度变化，并将实时温度设定为被控对象y（t）。图10（b）中提出的经验公式被设置为初始启动过程中的参考模型。附录中给出了模型参考自适应控制的温度辨识算法.识别堆栈的动态特性并据此做出决策，根据决策指令改变系统操作在探索了低温下稳定运行所需的电流密度和阴极空气速度之后，有必要分析加热器何时关闭以及关闭多长时间，以最大限度地减少对风冷燃料电池MEA的损害。为避免加热器瞬时停机引起的燃料电池进气温度急剧变化，选取了2 min、3 min和4 min三种持续时间。在电流密度加载完成后的120 s、180 s和240 s时逐步关闭加热器。电池电流密度、电压和MEA平均温度随时间的变化如图11所示。恒电流启动模式保持在恒定电流下，MEA的温度稳定在31° C，而不管加热器最终如何关闭。根据能斯特方程，由于加热器关闭后进气温度降低，电压略有下降。最终的稳定温度取决于阴极入口空气速度、温度和电流密度。当电流密度和进口空气温度恒定时，MEA温度仅受空气速度的影响。加热器的关闭时间只影响MEA温度下降的梯度。5. 结论在这项工作中，500 W的空气冷却PEMFC堆与金属双极板在-40° C的冷启动性能进行了分析。空冷电堆的冷启动过程分为预热阶段启动阶段采用PTC加热器对空冷堆进行预热。在预热阶段，探讨了热空气流量和温度之间的最佳平衡，以促进电堆内温度分布均匀;在启动阶段，分析了不同电流密度下的非平衡传质以及催化剂层和气体扩散层的温升。主要结论如下：(1) 采用热风预热空冷电堆时，膜电极的温度分布不均匀，靠近边界处的温度远低于其他部分。预热阶段的结果也表明，热空气流量越大，MEA的加热均匀性越好，这意味着可以通过增加热空气流量来缩短预热时间。(2) 阴极出口处的热积聚导致局部超温.当电加热器关闭后，运行期间，空气流量应低于1.6 m s-1电流密度为400 mA cm-2，以保证膜电极的温度在合理的温度范围内。(3) 风冷PEMFC的动态运行和实时监测适合于自适应温度识别控制，以实现成功的冷启动。优化负载电流和阴极入口速度的匹配，保证低温环境下的合适热管理。竞争利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作确认本工作得到了国家重点研究发展计划（ 2004 年）的资助。2020YFB1506300）、国家自然科学基金（No.51806071）、湖北省自然科 学基金（No.2020CFA040）、 武汉市应 用基础前沿 项目（No.2020YFB1506300）、2020010601012205）。X. 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