質子交換膜燃料電池啟停特性及控制策略研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)的商業(yè)化發(fā)展一直被一些技術“瓶頸”所制約，比如應用于固定電源和移動電源領域的PEMFC，由于材料性能的衰減導致其壽命相對較短。對于車用燃料電池，PEMFC電堆不可避免的要經(jīng)歷一些工況，如啟停工況。在啟停工況下，催化劑載體碳材料的氧化被認為是造成電池性能衰減的重要因素，其根本原因是啟動和停機過程中陽極氫氣/氧氣界面的存在導致陰極形成高電位

2、。因此，本文旨在研究PEMFC在頻繁啟停工況下的性能衰減，比較不同啟停程序下電池性能的衰減速率，為提出保護性的PEMFC啟?？刂撇呗蕴峁﹨⒖夹砸庖姟Ｖ饕芯績热莺徒Y論如下:
　　 (1)考察了PEMFC電堆在啟停工況下的性能衰減，以活性面積為330cm2的電堆為研究對象，考察燃料電池經(jīng)歷非保護性頻繁啟停操作后的性能衰減，重點記錄PEMFC在啟停前后的極化曲線。同時，將500次連續(xù)的啟停循環(huán)分為前200個循環(huán)和后300個循環(huán)，比較

3、兩個不同階段電堆在工作電流下的單片電壓衰減速率，并考察其單片均一性在啟停前后的變化。實驗結果表明，PEMFC電堆停機后由于反應氣體在各單片內的分布濃度不一致，會造成單片電壓在N2吹掃過程中下降速率不一致，甚至會出現(xiàn)某一片或者幾片出現(xiàn)反極的現(xiàn)象;PEMFC電堆隨著頻繁啟停循環(huán)的增多，電池性能的下降會變慢。以100A下的電壓為例，經(jīng)歷500次循環(huán)后，前200次啟停工況平均電壓衰減速率為后300次衰減速率的3.32倍;而電堆的單片均一性并未發(fā)

4、生明顯的惡化。
　　 (2)設計啟停程序，對單電池（自噴涂膜電極）在不同輔助負載、氣體加濕度和背壓下的停機過程進行研究和分析。自噴涂膜電極的性能通過極化曲線和交流阻抗譜的方式來表征。通過與商業(yè)的Gore5815膜電極的性能進行比較，在標準條件下，自噴涂膜電極的性能在中低電流密度時的性能要優(yōu)于商業(yè)的Gore5815膜電極，而在高電流密度下性能要略差于商業(yè)的Gore5815膜電極。通過記錄不同輔助負載下的放電時間，得出放電時間隨著輔

5、助負載大小的增加而降低，通過擬合得出放電時間與負載大小的關系式，y=-2E-06x3+0.0013x2-0.4197x+62.962(100％ RH)和y=3E-07x3+0.0001x2-0.2158x+52.41(60％ RH)。通過這兩個公式，我們可以根據(jù)放電時間值來確定燃料電池系統(tǒng)所需要的輔助負載的最佳值。根據(jù)UTC專利里對放電時間的規(guī)定，PEMFC停機時放電電流的大小范圍應為120mAcm-2～260mAcm-2.
　　

6、 (3)為了提出一種新穎的有效的減少PEMFC在啟停過程中性能衰減的方法，并模擬車用PEMFC發(fā)動機真實的啟停過程，以單電池為研究對象，采用一個特殊的啟停程序，研究陰極尾氣閥的開啟和關閉狀態(tài)對PEMFC啟停過程中性能衰減的重要影響。在使用輔助負載的過程中，陰極氣體壓力的變化是研究不同停機條件下膜電極性能衰減的一個重要參數(shù)。PEMFC性能的衰減主要通過極化曲線、循環(huán)伏安掃描和線性掃描等電化學方法以及膜電極的斷面掃描來表征。結果發(fā)現(xiàn)，PE

7、MFC在啟停過程中，關閉陰極尾氣閥能夠有效的減少催化劑的衰減，這一點可以通過催化劑活性面積以及催化層的厚度變化看出。開口系PEMFC在啟停過程中的衰減很嚴重，特別是在高電流密度下，催化劑載體的氧化對PEMFC的性能及其耐久性造成很嚴重的負面影響。在頻繁啟停過程中，PEMFC性能的衰減主要是由于催化劑的腐蝕造成的，而質子交換膜在這個過程中并沒有出現(xiàn)明顯的失效。
　　 (4)通過理論計算，考察氣體的不同關閉順序對氫氣/空氣界面的影響

8、，并設計了兩種啟?？刂瞥绦?，在使用放電負載降電壓的基礎上考察氫氣和空氣的關閉順序對燃料電池耐久性的影響。結果表明，反應氣體的關閉順序對氧氣通過質子交換膜的滲透速率有很大影響，而氧氣通過膜的滲透會導致H2/O2的形成。由于先關閉氫氣并使用輔助負載時，氧氣滲透速率更大，使得催化劑載體碳材料的腐蝕和電池性能衰減速率更大。因此，先關閉空氣后使用放電負載消耗掉陰極的氧氣，能夠更有效的防止燃料電池性能的衰減并提高燃料電池的耐久性，特別是高電流密度區(qū)

9、域的效果更為明顯。在1000mA/cm2下，電池的電壓衰減速率為0.024mV/cycle;而如果是先關閉氫氣后放電，其衰減速率為0.045mV/cycle，大約為前者的兩倍。通過對兩者的催化層活性面積的測試，會得到相同的結果;通過膜電極斷面SEM測試和Pt/C催化劑的TEM測試，先關閉空氣后放電比先關氫氣后放電更能夠防止催化劑Pt顆粒的團聚。
　　 (5)利用集流板分塊的方法，對大面積燃料電池在不同放電負載、陰極濕度和電池溫度

10、下反應氣體饑餓和啟停過程的電流密度分布進行研究。本章所獲得的電流密度分布的數(shù)據(jù)和結果，能夠為減小燃料電池在氣體饑餓和啟停過程中性能衰減提供參考意見。研究結果指出，在空氣和氫氣缺氣條件下電流分布很不均勻，尤其是當電流密度高于400 mAcm-2時，而氫氣缺氣比空氣缺氣對電流分布的影響更大;燃料電池停機過程，電流隨著輔助負載的連接逐漸下降，但是每一個子電池下降的速率不均勻。在高負載、低濕度和高溫度下子電池電流的下降速率更大。