乘用車燃料電池耐久性的解決策略

發布時間：

2022-05-31

燃料電池耐久性開發要堅持材料與系統改進并行原則，現階段可在原有材料基礎上利用系統控制策略改進，提高車用燃料電池系統使用壽命，但一定程度上增加系統復雜性;長遠考慮還要持續進行新材料的研發，最終形成材料創新、系統簡化、滿足商業化需求的新一代車用燃料電池技術體系。本文分享從車用燃料電池材料與系統兩方面分析其衰減機理與解決對策。

　　燃料電池耐久性開發要堅持材料與系統改進并行原則，現階段可在原有材料基礎上利用系統控制策略改進，提高車用燃料電池系統使用壽命，但一定程度上增加系統復雜性;長遠考慮還要持續進行新材料的研發，最終形成材料創新、系統簡化、滿足商業化需求的新一代車用燃料電池技術體系。本文分享從車用燃料電池材料與系統兩方面分析其衰減機理與解決對策。

　　車輛頻繁變工況運行是引起燃料電池壽命降低的最主要原因。從物理方面看，車輛在動態運行過程中由于電流載荷的瞬態變化會引起反應氣壓力、溫度、濕度等頻繁波動，導致材料本身或部件結構的機械性損傷。從化學角度看，由于動態過程載荷的變化，引起電壓波動，導致材料化學衰減，尤其在啟動、停車、怠速以及帶有高電位的動態循環過程中材料性能會加速衰減，如催化劑的溶解與聚集、聚合物膜降解等。

　　車用燃料電池系統控制策略

　　燃料電池運行過程中的反應氣饑餓、動態電位循環及高電位是引起催化劑及其載體等材料衰減的主要原因。此外，一些極限條件如零度以下儲存與啟動、高污染環境也會造成燃料電池不可逆轉的衰減。歸納起來這些衰減因素主要包括在以下幾種車輛運行的典型工況中：1)動態循環工況;2)啟動/停車過程;3)連續低載或怠速運行;4)低溫貯存與啟動過程。下面重點對四種工況下引起的衰減機理進行分析，并介紹可能采取的解決對策。

　　動態循環工況

　　動態循環工況是指車輛運行過程中由于路況不同燃料電池輸出功率隨載荷的變化過程。通常車用燃料電池系統是采用空壓機或鼓風機供氣。研究顯示，燃料電池在加載瞬間，由于空壓機或鼓風機的響應滯后于加載的電信號，會引起燃料電池出現短期饑餓現象，即反應氣供應不能維持所需要的輸出電流，造成電壓瞬間過低。尤其是當燃料電池堆各單節阻力分配不完全均勻時，會造成阻力大的某一節或幾節首先出現反極，在空氣側會產生氫氣，造成局部熱點，甚至失效。此外，動態載荷循環工況也會引起燃料電池電位在0.5～0.9 V之間頻繁變化，在車輛5500h的運行壽命內，車用燃料電池要承受高達30萬次電位動態循環，這種電位頻繁變化，會使催化劑及炭載體加速衰減，因此需要針對動態工況采用一定的控制策略減緩衰減。

　　采用二次電池、超級電容器等儲能裝置與燃料電池構建電- 電混合動力，既可減小燃料電池輸出功率變化速率，又可以避免燃料電池載荷的大幅度波動。這樣使燃料電池在相對穩定工況下工作，避免了加載瞬間由于空氣饑餓引起的電壓波動，減緩由于運行過程中的頻繁變載引起的電位掃描導致的催化劑的加速衰減。

　　為了防止動態加載時的空氣饑餓現象，還可采用“前饋”控制策略，即在加載前預置一定量的反應氣，可以減輕反應氣饑餓現象。此外，在電堆的設計、加工、組裝過程中保證各單電池阻力分配均勻，避免電池個別節在動態加載時出現過早的饑餓，也是預防衰減的重要控制因素。在動態加載時除了會發生空氣饑餓外，氫氣供應不足會發生燃料饑餓現象。瞬間的燃料饑餓會使陽極電位升高，導致碳氧化反應的發生;系統上采用氫氣回流泵或噴射泵等部件可實現尾部氫氣循環，是避免燃料饑餓的最有效途徑。通過燃料氫氣的循環，可提高氣體流速，改善水管理;同時燃料循環也相當于提高了反應界面處燃料的化學計量比，有利于減少局部或個別節發生燃料饑餓的可能。

　　啟動/停車工況

　　啟動、停車也是車輛最常見的工況之一。研究發現車用燃料電池由于停車后環境空氣的侵入，在啟動或停車瞬間陽極側易形成氫空界面，導致陰極高電位產生，瞬間局部電位可以達到1.5 V以上，引起炭載體氧化。根據美國城市道路工況統計，車輛在目標壽命5500 h 內，啟動停車次數累計高達38500次，平均7次/h，若每次啟動停車過程是10 s，則陰極暴露1.2 V以上時間可達100 h，而1.5 A/cm2下平均電壓衰減率每次為1.5 mV。因此，在新載體材料沒有重大突破的現階段，需要通過系統策略來控制高電位的生成。研究結果表明，啟動、停車過程采用系統控制策略后，裝有常規膜電極組件 的壽命有了顯著的提高，而材料改進的 MEA壽命提高得并不是很明顯，由此可見系統控制策略的重要性。此外，碳腐蝕速率與進氣速度密切相關，在啟動過程中快速進氣可以降低高電位停留時間，達到減少炭載體損失的目的。

　　連續低載或怠速運行

　　當低載運行或怠速時，燃料電池電壓處于較高范圍，陰極電位通常在0.85～0.9 V之間，在這個電位下的炭載體腐蝕與鉑氧化也會直接導致燃料電池性能衰減。在整個車輛使用壽命周期內，怠速時間可達1000 h，因此怠速狀態引起的材料衰減同樣不可忽視。利用混合動力控制策略，在低載時通過給二次電池充電，提高電池的總功率輸出，也可起到降低電位的目的。美國UTC公司在一專利中闡述了怠速限電位的方法，他們提出通過調小空氣量同時循環尾排空氣、降低氧濃度的辦法，達到抑制電位過高目的。

　　低溫貯存與啟動

　　車輛運行在冬季要受到零下氣候考驗，由于燃料電池發電是水伴生的電化學反應，在零度以下反復水、冰相變引起的體積變化會對電池材料與結構產生影響。因此，要制定合理的零度以下貯存與啟動策略，保證燃料電池在冬季使用的耐久性。低溫貯存方面，通過研究電池內存水量對燃料電池材料與部件的影響，研究吹掃電池內殘存水的方法，減小冰凍對燃料電池性能的危害，從而提出適宜的保存策略。加熱法是低溫啟動時常采用的方法，可以通過車載蓄電池、催化燃燒氫等方法在啟動時提供熱量;自啟動法是采用一定策略不依賴于外加能量的低溫啟動過程，這方面研究還在進行中。在啟動過程中以低的能量損耗獲得快速啟動效果是追求的最終目標。