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乘用车燃料电池耐久性的解决策略

发布时间：

2022-05-31

燃料电池耐久性开发要坚持材料与系统改进并行原则，现阶段可在原有材料基础上利用系统控制策略改进，提高车用燃料电池系统使用寿命，但一定程度上增加系统复杂性;长远考虑还要持续进行新材料的研发，最终形成材料创新、系统简化、满足商业化需求的新一代车用燃料电池技术体系。本文分享从车用燃料电池材料与系统两方面分析其衰减机理与解决对策。

　　车辆频繁变工况运行是引起燃料电池寿命降低的最主要原因。从物理方面看，车辆在动态运行过程中由于电流载荷的瞬态变化会引起反应气压力、温度、湿度等频繁波动，导致材料本身或部件结构的机械性损伤。从化学角度看，由于动态过程载荷的变化，引起电压波动，导致材料化学衰减，尤其在启动、停车、怠速以及带有高电位的动态循环过程中材料性能会加速衰减，如催化剂的溶解与聚集、聚合物膜降解等。

　　车用燃料电池系统控制策略

　　燃料电池运行过程中的反应气饥饿、动态电位循环及高电位是引起催化剂及其载体等材料衰减的主要原因。此外，一些极限条件如零度以下储存与启动、高污染环境也会造成燃料电池不可逆转的衰减。归纳起来这些衰减因素主要包括在以下几种车辆运行的典型工况中：1)动态循环工况;2)启动/停车过程;3)连续低载或怠速运行;4)低温贮存与启动过程。下面重点对四种工况下引起的衰减机理进行分析，并介绍可能采取的解决对策。

　　动态循环工况

　　动态循环工况是指车辆运行过程中由于路况不同燃料电池输出功率随载荷的变化过程。通常车用燃料电池系统是采用空压机或鼓风机供气。研究显示，燃料电池在加载瞬间，由于空压机或鼓风机的响应滞后于加载的电信号，会引起燃料电池出现短期饥饿现象，即反应气供应不能维持所需要的输出电流，造成电压瞬间过低。尤其是当燃料电池堆各单节阻力分配不完全均匀时，会造成阻力大的某一节或几节首先出现反极，在空气侧会产生氢气，造成局部热点，甚至失效。此外，动态载荷循环工况也会引起燃料电池电位在0.5～0.9 V之间频繁变化，在车辆5500h的运行寿命内，车用燃料电池要承受高达30万次电位动态循环，这种电位频繁变化，会使催化剂及炭载体加速衰减，因此需要针对动态工况采用一定的控制策略减缓衰减。

　　采用二次电池、超级电容器等储能装置与燃料电池构建电- 电混合动力，既可减小燃料电池输出功率变化速率，又可以避免燃料电池载荷的大幅度波动。这样使燃料电池在相对稳定工况下工作，避免了加载瞬间由于空气饥饿引起的电压波动，减缓由于运行过程中的频繁变载引起的电位扫描导致的催化剂的加速衰减。

　　为了防止动态加载时的空气饥饿现象，还可采用“前馈”控制策略，即在加载前预置一定量的反应气，可以减轻反应气饥饿现象。此外，在电堆的设计、加工、组装过程中保证各单电池阻力分配均匀，避免电池个别节在动态加载时出现过早的饥饿，也是预防衰减的重要控制因素。在动态加载时除了会发生空气饥饿外，氢气供应不足会发生燃料饥饿现象。瞬间的燃料饥饿会使阳极电位升高，导致碳氧化反应的发生;系统上采用氢气回流泵或喷射泵等部件可实现尾部氢气循环，是避免燃料饥饿的最有效途径。通过燃料氢气的循环，可提高气体流速，改善水管理;同时燃料循环也相当于提高了反应界面处燃料的化学计量比，有利于减少局部或个别节发生燃料饥饿的可能。

　　启动/停车工况

　　启动、停车也是车辆最常见的工况之一。研究发现车用燃料电池由于停车后环境空气的侵入，在启动或停车瞬间阳极侧易形成氢空界面，导致阴极高电位产生，瞬间局部电位可以达到1.5 V以上，引起炭载体氧化。根据美国城市道路工况统计，车辆在目标寿命5500 h 内，启动停车次数累计高达38500次，平均7次/h，若每次启动停车过程是10 s，则阴极暴露1.2 V以上时间可达100 h，而1.5 A/cm2下平均电压衰减率每次为1.5 mV。因此，在新载体材料没有重大突破的现阶段，需要通过系统策略来控制高电位的生成。研究结果表明，启动、停车过程采用系统控制策略后，装有常规膜电极组件的寿命有了显著的提高，而材料改进的 MEA寿命提高得并不是很明显，由此可见系统控制策略的重要性。此外，碳腐蚀速率与进气速度密切相关，在启动过程中快速进气可以降低高电位停留时间，达到减少炭载体损失的目的。

　　连续低载或怠速运行

　　当低载运行或怠速时，燃料电池电压处于较高范围，阴极电位通常在0.85～0.9 V之间，在这个电位下的炭载体腐蚀与铂氧化也会直接导致燃料电池性能衰减。在整个车辆使用寿命周期内，怠速时间可达1000 h，因此怠速状态引起的材料衰减同样不可忽视。利用混合动力控制策略，在低载时通过给二次电池充电，提高电池的总功率输出，也可起到降低电位的目的。美国UTC公司在一专利中阐述了怠速限电位的方法，他们提出通过调小空气量同时循环尾排空气、降低氧浓度的办法，达到抑制电位过高目的。

　　低温贮存与启动

　　车辆运行在冬季要受到零下气候考验，由于燃料电池发电是水伴生的电化学反应，在零度以下反复水、冰相变引起的体积变化会对电池材料与结构产生影响。因此，要制定合理的零度以下贮存与启动策略，保证燃料电池在冬季使用的耐久性。低温贮存方面，通过研究电池内存水量对燃料电池材料与部件的影响，研究吹扫电池内残存水的方法，减小冰冻对燃料电池性能的危害，从而提出适宜的保存策略。加热法是低温启动时常采用的方法，可以通过车载蓄电池、催化燃烧氢等方法在启动时提供热量;自启动法是采用一定策略不依赖于外加能量的低温启动过程，这方面研究还在进行中。在启动过程中以低的能量损耗获得快速启动效果是追求的最终目标。