通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)衰減問題綜述

柯　昊，馬天才，姚　汛，孫澤昌

(1.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201802)

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通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)衰減問題綜述

柯昊1，馬天才2，姚汛2，孫澤昌2

(1.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201802)

摘要:質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性是其廣泛應(yīng)用所面臨的最大挑戰(zhàn)之一，而目前對(duì)靜態(tài)條件下運(yùn)行的備用電源燃料電池系統(tǒng)的耐久性研究較少。文中對(duì)通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)運(yùn)行過程中的輸出電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出了電堆運(yùn)行時(shí)的衰減趨勢(shì),根據(jù)理論衰減機(jī)理對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的衰減原因予以解釋。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池; 衰減; 衰減機(jī)理

0　引　言

質(zhì)子交換膜燃料電池以能量密度高、環(huán)境友好以及能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢(shì)成為未來移動(dòng)電源及固定電站等領(lǐng)域的首選電源。當(dāng)前燃料電池技術(shù)的商業(yè)化面臨以下挑戰(zhàn)：性能、成本與耐久性，而耐久性已經(jīng)成為其中最大的挑戰(zhàn)[1]。

燃料電池的耐久性是指電堆在運(yùn)行過程中抵抗性能發(fā)生永久改變的能力。由于衰減對(duì)外主要表現(xiàn)為電堆輸出電壓的下降，因此輸出電壓衰減率，即單位時(shí)間內(nèi)輸出電壓衰減率，也被用來評(píng)價(jià)燃料電池的耐久性。近年來，隨著燃料電池商業(yè)化的迫切需求，對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池衰減狀況、原理與相應(yīng)緩和措施的研究日趨增加[2]。

1　質(zhì)子交換膜燃料電池的衰減機(jī)理綜述

目前針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池耐久性與性能衰減研究的重點(diǎn)之一是電堆各個(gè)組成部件的衰減機(jī)理。

質(zhì)子交換膜燃料電池主要由催化層、質(zhì)子交換膜、多孔傳輸層、雙極板以及密封裝置構(gòu)成。這些組件在燃料電池運(yùn)行過程中均會(huì)出現(xiàn)衰減甚至失效，造成電堆整體性能的衰減。文獻(xiàn)[2]總結(jié)了這些組件的衰減機(jī)理。

2　備用電源電堆性能衰減分析

基于實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)中質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性研究目前往往僅限于車用燃料電池系統(tǒng)[3,4]。本文擬分析備用電源系統(tǒng)的耐久性。

2.1　燃料電池備用電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本備用電源系統(tǒng)采用質(zhì)子交換膜燃料電池作為主要的供電單元，在外部市電中斷的情況下自動(dòng)啟動(dòng)，并通過DC/DC 變換器將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為適合于通信基站需求的電能。為保證市電中斷瞬間對(duì)負(fù)載供電不間斷以及燃料電池順利啟動(dòng)，系統(tǒng)還加入了起動(dòng)型鉛酸蓄電池作為能量緩沖器。燃料電池備用電源系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 燃料電池備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2　燃料電池電堆的電壓衰減

通過對(duì)運(yùn)行期間電堆負(fù)載電流的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在備用電源系統(tǒng)中燃料電池運(yùn)行工況較窄，集中于啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行工況。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，燃料電池的工作點(diǎn)較為集中(60～90 A)，且大都位于極化曲線的歐姆極化區(qū)。因此，針對(duì)車用燃料電池的耐久性分析方法不適用于本系統(tǒng)。

3　備用電源電堆衰減原因分析與緩和措施

由上述備用電源的運(yùn)行原理可以總結(jié)出燃料電池的運(yùn)行特點(diǎn)：即長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)且啟動(dòng)頻率不大；考慮到通信基站的用電特性，燃料電池在運(yùn)行過程中負(fù)載電流不會(huì)劇烈變化，但會(huì)在某一范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.1　質(zhì)子交換膜燃料電池主要組件的衰減

3.1.1催化層衰減

本備用電源系統(tǒng)燃料電池仍采用傳統(tǒng)的基于Pt的催化劑，在電堆運(yùn)行過程中Pt催化劑經(jīng)歷著微小的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致其性能的下降。這些變化主要包括：Pt顆粒聚集長(zhǎng)大，Pt質(zhì)量損失、重新分布以及Pt催化劑中毒。Pt顆粒聚集長(zhǎng)大以及Pt質(zhì)量損失直接降低了Pt催化劑的活性面積，從而降低了電化學(xué)反應(yīng)速率。文獻(xiàn)提出Pt溶解后形成的Pt離子(Ptz+)，也間接降低了電化學(xué)活性面積。當(dāng)燃料氣中存在CO、H2S時(shí)，它們會(huì)吸附在催化劑中的Pt表面。這一現(xiàn)象減少了H2氧化反應(yīng)中可用催化劑活性表面的面積，從而降低了H2氧化反應(yīng)速率，造成電池性能的衰減。實(shí)驗(yàn)證明，即使極微量的CO也會(huì)對(duì)燃料電池性能造成極大的影響，尤其是在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中。H2S造成的衰減程度較CO更為嚴(yán)重，且不可恢復(fù)。

為增加催化劑抗中毒能力，可以使用Pt合金催化劑，如PtRu/C與PtSn/C等。此外，采用諸如PtCo/C催化劑還可以有效提高耐久性。

3.1.2質(zhì)子交換膜衰減

質(zhì)子交換膜在燃料電池中起到傳導(dǎo)質(zhì)子，分隔陰、陽(yáng)極的作用。全氟磺酸(PFSA)膜以其出色的化學(xué)與熱穩(wěn)定性、高離子傳導(dǎo)性和良好的機(jī)械強(qiáng)度成為當(dāng)前最常用的質(zhì)子交換膜[1]。燃料電池運(yùn)行過程中質(zhì)子交換膜的衰減也是造成電池性能衰減的重要原因。它一方面降低了其質(zhì)子傳導(dǎo)能力與水管理能力，另一方面會(huì)導(dǎo)致竄氣現(xiàn)象，即陰、陽(yáng)極反應(yīng)氣的直接接觸[6]。根據(jù)衰減原因的不同存在化學(xué)衰減、機(jī)械衰減與熱衰減[6]。其中，由機(jī)械應(yīng)力、不飽和增濕和氣流沖擊等因素造成的裂縫、撕裂、刺孔等物理因素引起的機(jī)械衰減主要造成電池運(yùn)行初期的失效[7]，而由氫氧自由基(OH)與過氧自由基(OOH)攻擊全氟磺酸膜造成的化學(xué)衰減主要在長(zhǎng)期運(yùn)行后體現(xiàn)。若要增強(qiáng)質(zhì)子交換膜的機(jī)械耐久性，可采用擁有良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的機(jī)械性能與熱穩(wěn)定性增強(qiáng)的復(fù)合型聚合物電解質(zhì)膜。為了緩和質(zhì)子交換膜的化學(xué)衰減，一方面需要消除膜分子中不穩(wěn)定的官能團(tuán)，即開發(fā)出化學(xué)穩(wěn)定性更高的膜材料，另一方面則是要減少燃料電池運(yùn)行過程中自由基的生成。

3.2　備用電源運(yùn)行條件對(duì)燃料電池性能衰減的影響

除了燃料電池各組件的自身特性外，備用電源的運(yùn)行條件對(duì)于其性能衰減也有很大影響。以下重點(diǎn)分析燃料電池雙極板與密封件出現(xiàn)衰減后產(chǎn)生的雜質(zhì)及電流循環(huán)對(duì)燃料電池性能衰減的影響。

由于備用電源系統(tǒng)中DC/DC變換器采用PID控制，使得在燃料電池處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)電堆的輸出電流總是在控制目標(biāo)值附近上下波動(dòng)，由運(yùn)行數(shù)據(jù)可看出電流波動(dòng)范圍超過10 A。因此，在穩(wěn)定工況時(shí)燃料電池可看作工作在電流循環(huán)狀態(tài)下。

雖然在較少的循環(huán)數(shù)內(nèi)，電流循環(huán)對(duì)燃料電池的耐久性影響不大。但文獻(xiàn)[10]對(duì)比了燃料電池在恒定電流與循環(huán)電流條件下運(yùn)行1 000 h后的衰減狀況，發(fā)現(xiàn)在循環(huán)電流條件下，隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)質(zhì)子交換膜的氫氣竄氣加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)膜穿孔現(xiàn)象。這些現(xiàn)象加速了膜的機(jī)械衰減與熱衰減，導(dǎo)致輸出電壓顯著下降。

為了緩和電流循環(huán)對(duì)燃料電池性能造成的影響，除采用機(jī)械強(qiáng)度更高的膜之外，還需要改進(jìn)DC/DC變換器的控制方式，以減小穩(wěn)定工作狀態(tài)下燃料電池電堆輸出電流的波動(dòng)。

4　總　結(jié)

本文首先總結(jié)了質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行過程中出現(xiàn)性能衰減的機(jī)理，包括各組件的衰減原因以及運(yùn)行條件對(duì)衰減的影響；隨后在對(duì)通信用燃料電池備用電源中燃料電池電堆進(jìn)行耐久性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)理論衰減機(jī)理提出了電堆運(yùn)行過程中的衰減原因以及緩和措施。

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研制開發(fā)

Review of System Attenuation of Fuel Cell Backup Power for Communication Applications

KE Hao1, MA Tian-cai2, YAO Xun2, SUN Ze-chang2

(1.Chinesisch-Deutsche Hochschule for Angewandte Wissenschaften, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201802, China)

Abstract:Durability of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is one of the biggest challenges for its wide application, and currently there is little research on the durability of the fuel cell backup power system operating under static condition. Data analysis of output voltage of an operating fuel cell backup power system for communication applications is conducted in this article, from which the attenuation trend of operating battery stack is obtained.Then reasons for the practical attenuation are explained according to theoretical attenuation mechanism.

Key words:proton exchange membrane fuel cell (PEMFC); attenuation; attenuation mechanism

中圖分類號(hào)：TN86,TM912

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0023-02

作者簡(jiǎn)介：柯昊(1989-)，男，安徽人，研究生在讀，研究方向：燃料電池性能衰減。

收稿日期：2015-02-03 2014-11-24