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燃料电池低温快速启动中冰及构件的广义热弹耦合问题研究

1.引言

1.1研究背景与意义

随着全球能源结构的转型和环境保护的日益重视，燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，在新能源汽车、家用燃料电池发电等领域具有广阔的应用前景。然而，燃料电池在低温环境下启动速度慢、效率低的问题一直制约着其商业化的进程。燃料电池低温快速启动技术的研究，对提高燃料电池的可靠性和经济性具有重要意义。

1.2国内外研究现状

目前，国内外学者在燃料电池低温快速启动方面已经取得了一定的研究成果。主要研究方法包括：优化电池结构、改进材料性能、采用辅助加热装置等。然而，关于冰及构件在燃料电池低温启动过程中的广义热弹耦合问题研究尚不充分，这为本研究提供了新的研究思路。

1.3研究目的与内容

本研究旨在探讨燃料电池低温快速启动中冰及构件的广义热弹耦合问题，分析冰及构件在低温启动过程中的作用和影响，为优化燃料电池低温快速启动技术提供理论依据。研究内容包括：燃料电池低温快速启动技术概述、广义热弹耦合问题理论基础、冰及构件的热弹耦合模型构建、数值模拟与实验研究等。

2.燃料电池低温快速启动概述

2.1燃料电池低温快速启动技术

燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换装置，在新能源汽车、便携式电源等领域具有重要应用。然而，在低温环境下，燃料电池的启动性能受到严重制约，成为当前研究的热点和难点。燃料电池低温快速启动技术主要涉及预热、自加热、外部加热等多种方式，旨在降低电池内部阻抗，提高电池输出性能。

2.2冰在燃料电池低温启动中的作用

在燃料电池低温启动过程中，冰起着重要作用。冰的存在可以降低电池内部温度，减缓电池性能衰减，但同时也会导致电池内部阻抗增加，影响电池的启动性能。因此，研究冰在燃料电池低温启动过程中的作用机制，对优化电池启动策略具有重要意义。

2.3构件在燃料电池低温启动中的影响

燃料电池低温启动过程中，构件的影响也不容忽视。构件的材质、形状、布局等因素会影响电池内部的热传递和应力分布，进而影响电池的低温启动性能。本章节将从以下几个方面分析构件在燃料电池低温启动中的影响：

构件材质：不同材质的导热系数和热膨胀系数不同，会影响电池内部的热传递和应力分布；

构件形状：构件的形状会影响电池内部流场和温度场的分布，从而影响电池的低温启动性能；

构件布局：构件的布局方式会影响电池内部的热弹耦合效应，进而影响电池的低温启动性能。

通过对燃料电池低温快速启动技术的概述，以及对冰和构件在低温启动过程中的作用分析，为后续研究冰及构件的广义热弹耦合问题提供理论基础和实践指导。

3.广义热弹耦合问题理论基础

3.1热弹耦合理论

热弹耦合问题是指温度与应力之间的相互影响问题。在燃料电池低温快速启动过程中，由于温度变化引起的构件尺寸变化和应力变化是相互耦合的。热弹耦合理论主要包括热应力理论和弹性热传导理论。

热应力理论主要研究物体在温度变化时由于热膨胀或收缩引起的应力。弹性热传导理论则是研究物体在应力变化时由于温度改变引起的弹性模量的变化。

3.2广义热弹耦合问题的数学描述

广义热弹耦合问题可以通过以下偏微分方程组进行描述：

热传导方程：

ρ

其中，ρ是密度，c是比热容，T是温度，t是时间，k是热导率，Q是单位体积内的热源项。

应力平衡方程：

?

其中，σ是应力张量，b是单位体积内的体积力。

本构方程：

σ

其中，C是弹性常数张量，?是应变张量，?0是初始应变，α是热膨胀系数，I

3.3冰及构件在广义热弹耦合问题中的特点

冰在燃料电池低温启动过程中的热弹耦合问题具有以下特点：

冰的热导率较低，导致热传导效率下降，对温度分布有较大影响。

冰的热膨胀系数较大，温度变化时冰的体积变化明显，对构件的应力分布产生影响。

冰的融化与凝固过程中，涉及相变问题，使得热弹耦合问题更加复杂。

构件在燃料电池低温启动中的热弹耦合问题特点如下：

构件的材料属性（如弹性模量、热膨胀系数等）对热弹耦合问题有重要影响。

构件的几何形状和尺寸会影响温度和应力的分布。

构件之间的相互作用和边界条件对热弹耦合问题也具有较大影响。

4.冰及构件的热弹耦合模型构建

4.1模型假设与简化

为了更准确地描述冰及构件在燃料电池低温快速启动过程中的热弹耦合现象，本研究在模型构建过程中采用了以下假设与简化：

忽略气体在燃料电池内部的流动与反应，仅考虑温度场和应力场的耦合关系。

假设冰为均匀、各向同性的材料，且在低温启动过程中冰的物理特性不随温度变化。

将燃料电池的构件视为弹性体，忽略其塑性变形。

假设燃料电池内部无热源，且在启动过程中系统处于绝热状态。

4.2冰及构件热弹耦合模型的数学表达式

基于以上假设与简化，构建冰及构件热弹耦合模型的数学表达式如下：

温度场方程：

ρ

其中，ρ