《氢能动力源工质异常行为相关基础理论及其验证》

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该项目属交叉学科氢能利用方向。日本政府2015年启动“氢能社会”建设,我国已把“氢能与燃料电池”列入《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》重点创新任务。氢能动力源(燃料电池和氢内燃机)通过2H2+O2→2H2O,可提供满足各领域的电能和动力,但发展仍处起步阶段,急需理论建设。在近20项国家基础研究类项目支持下,以关联耐久性、可靠性和安全性的氢气异常行为为系列主题,经18年半攻关,形成了氢能动力源与其他学科交叉的多项理论成果。主要科学发现如下:

(1)建立了燃料电池疲劳寿命理论。针对质子膜燃料电池寿命终结与氢气在膜中渗透率异常升高同步现象,阐明工况电流致氢渗透异常行为机制,发现工况俎合对燃料电池老化作用呈疲劳累积损伤规律,提出了燃料电池性能衰减率测算方法、极限寿命公式、寿命周期曲线模型等。把疲劳理论体系从“力”拓展到了“电”。

(2)建立了燃料电池流体力学计算基础和可靠性研究基础。针对质子膜燃料电池最常见的氢气侧水淹故障总是伴随着压降异常升高现象,阐明流道内压降异常行为的形成规律,揭示出流场水状况与燃料电池压降关系、压降与电流关系规律,提出了氢气压降、空气压降与发电电流的量化关系模型,修正了能量方程。

(3)发展了氢安全机理和内燃机燃氢理论。针对燃氢内燃机严重的回火问题是氢气失控自燃行为所致,建立了氢着火-熄火边界定量模型,研究出S曲线上氢的熄火点和着火点通解,建立了着火延迟期模型、“氢燃料+”层流燃烧模型和湍流燃烧模型,揭示了氢混合燃料在内燃机中的协同作用机理。

8篇代表性论文,2篇为ESI高被引论文且1篇为Hot Paper,被SCI他引473次,在Scopus中他引688次。引文来自156种出版物、45个国家/地区,涉及32个研究方向。

该项目理论得到了广泛认同。完成人应邀发表6篇Review论文(三发现点各2篇,影响因子皆≥6.395),在国际会议做主旨报告和分场主席30余次,应国外邀请为英文手册等4部专著分别页献了整章内容,含该项目理论的高教规划教材获评北京精品教材。一些同行称发现点1极附寿命公式为裴普成公式(Pei's formula),衣宝廉院士提出在此理论基础上制订国家测试标准,首尔大学Kim教授在3篇论文中认为基于发现点1的寿命测评法是“reliable method”和“time-saving”;发现点2已成为燃料电池流场设计和仿真软件的基本模型被广泛应用,联合国UNDP高级顾问美国宾州大学王朝阳教授、瑞典皇家技术学院Miller院士等在著作中详细介绍了发现点2;发现点3代表作单篇最高被Scopus他引181次,居全球HCNG engine领域1560篇论文之首。

理论研究相继获北京市科学技术奖(基础研究类)一等奖2项(2010年度和2011年度)。相关研究论文,4篇先后被国际能源领域有Nobel奖之誉的Eni奖科学秘书处提名,1篇获国际Elsevier高被引综述论文奖,1篇发表于Nature子刊Scientific Reports。

应用理论成果,提出了燃料电池寿命快速测评法,把一般需数年的测试时间缩为1-2个月;提出了燃料电池故障规避法,实现了燃料电池无人值守;开发了燃氢内燃机电控软件,使HCNG公交车达到了商业应用要求。这些理论产生了2项国家测试标准和27件国内外发明专利。

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