淺談氫燃料電池耐久性影響因素

周文增　唐磊

摘 要：隨著國家對氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)扶持政策力度的加大，越來越多的氫燃料汽車行駛在馬路上，其中影響到氫燃料電池汽車行業(yè)大規(guī)模商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要因素之一就是氫燃料電池的耐久性，本文根據(jù)氫燃料電池行業(yè)當(dāng)前的研究進(jìn)展成果，淺談影響氫燃料電池耐久性的因素。

關(guān)鍵詞：氫燃料汽車;氫燃料電池;電池耐久性

0 引言

氫燃料電池（Hydrogen Fuel Cell）作為一種非燃料燃燒產(chǎn)生動力的機(jī)械裝置，主要通過燃料氫氣和空氣中氧氣以電化學(xué)反應(yīng)形式直接轉(zhuǎn)換成電能。以本公司使用的質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）為例，燃料（氫氣）通過管路通入陽極（負(fù)極）在陽極催化劑的作用下被氧化成質(zhì)子（氫離子）和電子，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜達(dá)到陰極（正極），在陰極催化劑的作用下與空氣中的氧氣反應(yīng)結(jié)合成水。電子則通過外電路達(dá)到陰極，連續(xù)不斷的產(chǎn)生電流，向整車輸出電能。

其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

氫燃料電池具有清潔、無有害排放、噪音低、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，越來越多的車企搭載氫燃料汽車并投入運(yùn)行，但氫燃料電池的耐久性仍制約著氫燃料汽車的發(fā)展。本文主要介紹影響氫燃料電池耐久性的因素。

1 燃料電池材料結(jié)構(gòu)

1.1 水熱管理

氫燃料電池在電化學(xué)反應(yīng)過程中需要質(zhì)子交換膜作為質(zhì)子傳遞的載體，膜需要高水合度、適宜溫度才能保證和提高質(zhì)子的傳導(dǎo)率，同時反應(yīng)生成的水也需要經(jīng)質(zhì)子交換膜排出，來達(dá)到氫燃料反應(yīng)電堆增濕、保溫、排水的水熱管理性能要求，當(dāng)氫燃料電池水熱管理設(shè)計(jì)不合理會造成電池性能下降和不穩(wěn)定并造成質(zhì)子交換膜的物理損傷及腐蝕。

氫燃料電池在水熱管理方案設(shè)計(jì)過程中可以通過增強(qiáng)交換膜材料的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、燃料電池系統(tǒng)電堆內(nèi)外增濕、系統(tǒng)脈沖排氣等方式來增強(qiáng)水熱管理。

1.2 金屬離子

各種金屬離子會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜內(nèi)水含量較低、阻礙并降低質(zhì)子傳導(dǎo)率、金屬離子還可以導(dǎo)致氫燃料電池電化學(xué)反應(yīng)速率，最終導(dǎo)致化學(xué)衰減，而造成氫燃料電池中的金屬離子污染來源較為廣泛，主要來源自空氣（氧氣）、氫燃料電池的冷卻循環(huán)水流經(jīng)散熱器及管路、雙極板材料的離子析出、密封材料中的離子析出、離子交換膜材料中的離子析出等。

氫燃料電池在設(shè)計(jì)過程中選用優(yōu)質(zhì)適宜的材料來降低材料中金屬離子的釋放，通過增加多道凈化器來過濾冷卻循環(huán)水中的金屬離子，同時增強(qiáng)質(zhì)子交換膜的穩(wěn)定性來降低金屬離子的影響。

2 整車動態(tài)工況

2.1 啟停工況

氫燃料電池啟動前，由于空氣的擴(kuò)散或者質(zhì)子交換膜電極的滲透使得燃料電池的陰陽極都存在空氣。氫燃料電池啟動時，氫氣通過管路進(jìn)入到燃料電池陽極側(cè)，會在陽極形成氫氣--空氣界面。氫空界面造成質(zhì)子交換膜出現(xiàn)反向電流（見圖1），反向高電位會引起質(zhì)子交換膜上的催化層腐衰減，造成氫燃料電池耐久性降低。

當(dāng)前氫燃料電池解決延緩出現(xiàn)反向電流的措施主要有開發(fā)高穩(wěn)定性的催化載體、氫燃料車輛停機(jī)啟動過程中通過氣體（H2或空氣）對氫燃料電池的質(zhì)子交換膜進(jìn)行吹掃策略、氫燃料電池整車電氣控制策略中將停機(jī)啟動過程中多余的電量傳遞到整車負(fù)載中。

2.2 低載怠速

當(dāng)氫燃料電池一直運(yùn)行在低載怠速狀態(tài)時：①氫燃料電池一直運(yùn)行在高電位，造成質(zhì)子交換膜上催化載體腐蝕;②氫燃料電池電堆內(nèi)一直處于低濕度，造成質(zhì)子交換膜機(jī)械性能衰減;③氫燃料電池質(zhì)子交換膜中自由基增多，自由基不斷攻擊質(zhì)子交換膜催化載體，降低膜的化學(xué)活性。

以上狀況的出現(xiàn)造成氫燃料電池整體性能不斷衰減。為解決氫燃料電池低載怠速引起的性能衰減，需不斷開發(fā)高穩(wěn)定性的替代材料、增加氫燃料電池運(yùn)行中的空氣循環(huán)量，提高電堆內(nèi)部空氣濕度、優(yōu)化整車電氣控制邏輯，將氫燃料電池多余電量轉(zhuǎn)移至整車電池內(nèi)。

2.3 超載放電

當(dāng)氫燃料電池出現(xiàn)超載放電會造成：①電池電流分布不均，局部出現(xiàn)熱量聚集點(diǎn)，引起質(zhì)子交換膜材料的衰減;②超載放電引起電池內(nèi)部反應(yīng)氣體量急劇降低，造成氣體饑餓現(xiàn)象出現(xiàn)，致使燃料電池出現(xiàn)電池反極（見圖2），最終造成質(zhì)子交換膜的的材料衰減和氫燃料電池的失效。

解決超載放電的方案主要從以下兩方面：①開發(fā)和優(yōu)化抗反極催化劑;②燃料電池電控策略中增加電池電壓保護(hù)，限制并防止燃料電池出現(xiàn)超載放電。

3 外部環(huán)境

3.1 氣體雜質(zhì)

空氣中的硫化物、氮氧化物等雜質(zhì)氣體會造成氫燃料電池中催化劑的中毒，催化劑的活化面積大大減少，燃料電池性能明顯減低。

當(dāng)前車輛主要通過外部凈化器的過濾功能降低進(jìn)氣中的雜質(zhì)氣體，后期正在開發(fā)抗毒化催化劑解決催化劑的中毒。

3.2 低溫啟動

氫燃料電池低溫中由于殘留水分的凍結(jié)會造成催化劑的分層以及質(zhì)子交換膜電極裂紋（見圖3），最終造成氫燃料電池質(zhì)子交換膜電極物理結(jié)構(gòu)永久性的破壞。

故解決氫燃料電池冷啟動的因素就在于電堆中存留的水及如何提高電堆反應(yīng)前的溫度。當(dāng)前解決方案主要通過：①氫燃料電池停機(jī)前需要通過吹掃策略，消除電堆中殘留的水分;②通過電熱絲加熱、氣體加熱、冷卻熱加熱、催化反應(yīng)放熱、保溫材料等措施提高電堆反應(yīng)場所溫度;③通過優(yōu)化氫燃料電池電控邏輯，增強(qiáng)電堆自啟動能力。

4 總結(jié)

氫燃料電池耐久性是制約氫燃料汽車普及的主要瓶頸之一，目前增強(qiáng)氫燃料電池的耐久性需要設(shè)計(jì)人員從整車、系統(tǒng)、電堆三個方面去優(yōu)化，而控制策略、材料科學(xué)、部件改進(jìn)等是解決耐久性的最終解決方案。

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