新源動力：電堆設計和系統控制策略是PEMFC耐久性關鍵因素

2020-08-30 研究員果哥

質子交換膜燃料電池能將氫燃料的化學能通過電化學反應直接轉化為電能，是一種環保和高效的發電方式，特別是在零排放交通動力應用方面具有極其誘人的前景。

▲PEMFC運行原理示意圖

PEMFC的發展歷史起源於20世紀60年代初美國的通用電氣公司為美國宇航局研製的空間電源，採用的是1kW的PEMFC作為雙子星座宇宙飛船的輔助電源。

儘管PEMFC的性能表現良好，但其在耐久性方面存在許多問題，如聚苯乙烯磺酸膜的穩定性較差，壽命僅為500h左右等。因此在以後的Apollo計劃等空間應用中，NASA選用了當時技術比較成熟的鹼性燃料電池，使得PEMFC技術的研究開發工作一度處於低谷。

在隨後的幾十年中，經過全球持續不斷的研發，PEMFC技術已取得重大進展，燃料電池汽車得以在世界各地示範運行。大規模的示範運行表明，燃料電池汽車的使用方式與傳統燃油車相近，性能已經接近傳統燃油車的水平，豐田、本田、現代等車企相繼推出燃料電池汽車。

雖然通過全球燃料電池行業工作者的努力，車用PEMFC技術取得了很大成就，但仍然無法滿足大規模商業化推廣的需求，尤其在耐久性和成本方面與內燃機汽車仍存在較大差距。當前車用PEMFC技術指標與現狀如下表所示。

▲車用燃料電池電堆技術指標與DOE現狀

為促進燃料電池汽車的大規模商業化，進一步提高燃料電池的耐久性是當務之急。車用燃料電池的壽命問題涉及面廣、挑戰大，是當前燃料電池汽車產業化的棘手問題，已經引起了廣泛關注。

作為國內第一家致力於燃料電池產業化的股份制企業，新源動力在近20年的發展過程中針對解決燃料電池耐久性問題做了大量的研究工作。通過系統化的耐久性測試驗證，確定了影響燃料電池耐久性的主要因素，包括電堆設計、運行條件和系統控制策略三個方面。

▲燃料電池耐久性影響因素分析

電堆設計

電堆設計主要包含關鍵零部件（膜電極組件和雙極板等）設計和電堆結構設計兩部分。

膜電極組件是燃料電池的核心部件，是PEMFC的電化學反應場所，直接決定了PEMFC的發電性能。MEA主要由催化層（催化劑和離子聚合物）、質子交換膜和氣體擴散層三部分組成。在PEMFC運行過程中，MEA中任何一種關鍵材料的衰減和次結構的變化都會直接導致燃料電池性能降低。

雙極板是燃料電池的重要部件，主要起到分隔燃料、冷卻劑與氧化劑，收集和傳導電流，將氣體均勻分配並傳輸到MEA表面進行電化學反應，排出電堆內部產生多餘熱量和水等作用。

雙極板結構或表面狀態的改變必然導致燃料電池性能發生相應的變化。尤其需要特別指出的是，當雙極板選用金屬材料作為基材時，其耐腐蝕性對提升燃料電池耐久性顯得尤為重要，因為金屬雙極板發生腐蝕後不僅會導致接觸電阻升高，而且其析出的金屬離子還會加速MEA的衰減。

電堆結構設計包括歧管、端板、集流板、密封件和緊固件等電堆結構輔助部件的設計和整體匹配設計。電堆結構設計的目的主要在於維持三腔流體分布、溫度分布和組裝力分布的均勻以及氣密性的穩定，並儘量減小各單節之間的差異。

如果各單節間流體分布、溫度分布或組裝力分布差異過大，則其在運行過程中衰減速率會表現出明顯差異，而整個電堆的耐久性將受制於衰減速率最快的單節。

運行條件

車輛運行環境的複雜性決定了PEMFC運行條件的多樣性。

在長期的耐久性測試驗證過程中，我們發現操作條件、運行工況、氣體雜質和一些特殊的極端條件（如低溫啟動、氫氣或空氣欠氣等）等均會對燃料電池耐久性產生影響。在PEMFC正常運行過程中，頻繁變載和啟停是導致燃料電池性能衰減的主要原因。

▲不同工況條件對燃料電池耐久性的影響

頻繁變載對PEMFC耐久性的影響——

  • 電流載荷的瞬態變化會引起反應氣體壓力、溫度和溼度等的頻繁波動，從而加速關鍵材料或部件結構的機械性能衰減；
  • 電流載荷的變化會引起電極電位變化，進而導致關鍵材料發生化學衰減，如催化劑Pt的溶解與團聚、碳的腐蝕和離子聚合物降解等。

啟停過程對PEMFC耐久性的影響，主要在於在啟動或停車瞬間陽極側易形成氫空界面，導致陰極高電位的產生，瞬間局部電位可以達到1.5V以上，引起碳載體腐蝕。

▲啟停過程陰極高電位形成機理

系統控制策略

PEMFC電堆無法單獨輸出電能，需要匹配相應的系統輔助部件（含燃料供給系統、空氣供給系統、熱管理系統、能量管理系統和動力控制系統等），此時系統控制策略顯得尤為重要。

良好的系統控制策略可以保證電堆運行在相對溫和的條件下，從而有效提高燃料電池耐久性。現有系統控制策略主要包括水管理、熱管理、能量管理和啟停控制等方面。

PEMFC在輸出電能的同時會產生熱量和水，充足的水分是維持質子交換膜傳導質子能力的關鍵，而過量的水分又會導致MEA發生「水淹」從而阻礙氣體傳質；適當提高溫度可以緩解電堆「水淹」現象並提高性能，過高的溫度又會加速PEMFC性能衰減且伴有一定的安全性問題。

PEMFC中水管理和熱管理是緊密相關互相耦合的，優化系統控制策略從而通過系統零部件實現對PEMFC運行過程中產生的水和熱的有效管理，對提高燃料電池性能和耐久性起著至關重要的作用。

PEMFC的能量管理系統主要包含動力電池、超級電容和DC/DC變換器等部件。由於頻繁變載會加速PEMFC性能衰減，可以從能量管理系統方面進行系統控制策略優化，如降低變載頻率、變載速率和變載幅度等，從而有效延長PEMFC耐久性。

啟停過程形成的氫空界面會導致陰極催化劑發生大幅衰減。因此，採用合適的系統控制策略來防止PEMFC催化劑的衰減是非常有必要的。這些策略主要包括控制反應氣體溼度、控制氣體供給與關閉順序、限制高電位運行，關機後使用外接負載消耗殘留氣體以及優化系統關機吹掃策略等幾種。

基於以上認識，新源動力研發的HYMOD®-36燃料電池電堆產品於2018年成功突破車用工況耐久性難關，經過7500h測試後性能衰減10%左右，成為我國首例自主研發的超越5000h耐久性的燃料電池產品。新源動力面向汽車工業需求，不斷研發性能更優異、耐久性更高、成本更低廉的新一代燃料電池產品。（來源：新源動力）

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