乘用車燃料電池耐久性的解決策略
發(fā)布時(shí)間：
2022-05-31
燃料電池耐久性開發(fā)要堅(jiān)持材料與系統(tǒng)改進(jìn)并行原則，現(xiàn)階段可在原有材料基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)控制策略改進(jìn)，提高車用燃料電池系統(tǒng)使用壽命，但一定程度上增加系統(tǒng)復(fù)雜性;長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮還要持續(xù)進(jìn)行新材料的研發(fā)，最終形成材料創(chuàng)新、系統(tǒng)簡(jiǎn)化、滿足商業(yè)化需求的新一代車用燃料電池技術(shù)體系。本文分享從車用燃料電池材料與系統(tǒng)兩方面分析其衰減機(jī)理與解決對(duì)策。
燃料電池耐久性開發(fā)要堅(jiān)持材料與系統(tǒng)改進(jìn)并行原則，現(xiàn)階段可在原有材料基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)控制策略改進(jìn)，提高車用燃料電池系統(tǒng)使用壽命，但一定程度上增加系統(tǒng)復(fù)雜性;長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮還要持續(xù)進(jìn)行新材料的研發(fā)，最終形成材料創(chuàng)新、系統(tǒng)簡(jiǎn)化、滿足商業(yè)化需求的新一代車用燃料電池技術(shù)體系。本文分享從車用燃料電池材料與系統(tǒng)兩方面分析其衰減機(jī)理與解決對(duì)策。
車輛頻繁變工況運(yùn)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(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中由于電流載荷的瞬態(tài)變化會(huì)引起反應(yīng)氣壓力、溫度、濕度等頻繁波動(dòng)，導(dǎo)致材料本身或部件結(jié)構(gòu)的機(jī)械性損傷。從化學(xué)角度看，由于動(dòng)態(tài)過程載荷的變化，引起電壓波動(dòng)，導(dǎo)致材料化學(xué)衰減，尤其在啟動(dòng)、停車、怠速以及帶有高電位的動(dòng)態(tài)循環(huán)過程中材料性能會(huì)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(tǒng)控制策略
燃料電池運(yùn)行過程中的反應(yīng)氣饑餓、動(dòng)態(tài)電位循環(huán)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(chǔ)存與啟動(dòng)、高污染環(huán)境也會(huì)造成燃料電池不可逆轉(zhuǎn)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(yùn)行的典型工況中：1)動(dòng)態(tài)循環(huán)工況;2)啟動(dòng)/停車過程;3)連續(xù)低載或怠速運(yùn)行;4)低溫貯存與啟動(dòng)過程。下面重點(diǎn)對(duì)四種工況下引起的衰減機(jī)理進(jìn)行分析，并介紹可能采取的解決對(duì)策。
動(dòng)態(tài)循環(huán)工況
動(dòng)態(tài)循環(huán)工況是指車輛運(yùn)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(tǒng)是采用空壓機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)供氣。研究顯示，燃料電池在加載瞬間，由于空壓機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)的響應(yīng)滯后于加載的電信號(hào)，會(huì)引起燃料電池出現(xiàn)短期饑餓現(xiàn)象，即反應(yīng)氣供應(yīng)不能維持所需要的輸出電流，造成電壓瞬間過低。尤其是當(dāng)燃料電池堆各單節(jié)阻力分配不完全均勻時(shí)，會(huì)造成阻力大的某一節(jié)或幾節(jié)首先出現(xiàn)反極，在空氣側(cè)會(huì)產(chǎn)生氫氣，造成局部熱點(diǎn)，甚至失效。此外，動(dòng)態(tài)載荷循環(huán)工況也會(huì)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(yùn)行壽命內(nèi)，車用燃料電池要承受高達(dá)30萬次電位動(dòng)態(tài)循環(huán)，這種電位頻繁變化，會(huì)使催化劑及炭載體加速衰減，因此需要針對(duì)動(dòng)態(tài)工況采用一定的控制策略減緩衰減。
采用二次電池、超級(jí)電容器等儲(chǔ)能裝置與燃料電池構(gòu)建電- 電混合動(dòng)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(dòng)。這樣使燃料電池在相對(duì)穩(wěn)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(dòng)，減緩由于運(yùn)行過程中的頻繁變載引起的電位掃描導(dǎo)致的催化劑的加速衰減。
為了防止動(dòng)態(tài)加載時(shí)的空氣饑餓現(xiàn)象，還可采用“前饋”控制策略，即在加載前預(yù)置一定量的反應(yīng)氣，可以減輕反應(yīng)氣饑餓現(xiàn)象。此外，在電堆的設(shè)計(jì)、加工、組裝過程中保證各單電池阻力分配均勻，避免電池個(gè)別節(jié)在動(dòng)態(tài)加載時(shí)出現(xiàn)過早的饑餓，也是預(yù)防衰減的重要控制因素。在動(dòng)態(tài)加載時(shí)除了會(huì)發(fā)生空氣饑餓外，氫氣供應(yīng)不足會(huì)發(fā)生燃料饑餓現(xiàn)象。瞬間的燃料饑餓會(huì)使陽極電位升高，導(dǎo)致碳氧化反應(yīng)的發(fā)生;系統(tǒng)上采用氫氣回流泵或噴射泵等部件可實(shí)現(xiàn)尾部氫氣循環(huán)，是避免燃料饑餓的最有效途徑。通過燃料氫氣的循環(huán)，可提高氣體流速，改善水管理;同時(shí)燃料循環(huán)也相當(dāng)于提高了反應(yīng)界面處燃料的化學(xué)計(jì)量比，有利于減少局部或個(gè)別節(jié)發(fā)生燃料饑餓的可能。
啟動(dòng)/停車工況
啟動(dòng)、停車也是車輛最常見的工況之一。研究發(fā)現(xiàn)車用燃料電池由于停車后環(huán)境空氣的侵入，在啟動(dòng)或停車瞬間陽極側(cè)易形成氫空界面，導(dǎo)致陰極高電位產(chǎn)生，瞬間局部電位可以達(dá)到1.5 V以上，引起炭載體氧化。根據(jù)美國(guó)城市道路工況統(tǒng)計(jì)，車輛在目標(biāo)壽命5500 h 內(nèi)，啟動(dòng)停車次數(shù)累計(jì)高達(dá)38500次，平均7次/h，若每次啟動(dòng)停車過程是10 s，則陰極暴露1.2 V以上時(shí)間可達(dá)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(xiàn)階段，需要通過系統(tǒng)策略來控制高電位的生成。研究結(jié)果表明，啟動(dòng)、停車過程采用系統(tǒng)控制策略后，裝有常規(guī)膜電極組件 的壽命有了顯著的提高，而材料改進(jìn)的 MEA壽命提高得并不是很明顯，由此可見系統(tǒng)控制策略的重要性。此外，碳腐蝕速率與進(jìn)氣速度密切相關(guān)，在啟動(dòng)過程中快速進(jìn)氣可以降低高電位停留時(shí)間，達(dá)到減少炭載體損失的目的。
連續(xù)低載或怠速運(yùn)行
當(dāng)?shù)洼d運(yùn)行或怠速時(shí)，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(gè)電位下的炭載體腐蝕與鉑氧化也會(huì)直接導(dǎo)致燃料電池性能衰減。在整個(gè)車輛使用壽命周期內(nèi)，怠速時(shí)間可達(dá)1000 h，因此怠速狀態(tài)引起的材料衰減同樣不可忽視。利用混合動(dòng)力控制策略，在低載時(shí)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(guó)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(diào)小空氣量同時(shí)循環(huán)尾排空氣、降低氧濃度的辦法，達(dá)到抑制電位過高目的。
低溫貯存與啟動(dòng)
車輛運(yùn)行在冬季要受到零下氣候考驗(yàn)，由于燃料電池發(fā)電是水伴生的電化學(xué)反應(yīng)，在零度以下反復(fù)水、冰相變引起的體積變化會(huì)對(duì)電池材料與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此，要制定合理的零度以下貯存與啟動(dòng)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(nèi)存水量對(duì)燃料電池材料與部件的影響，研究吹掃電池內(nèi)殘存水的方法，減小冰凍對(duì)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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)提供熱量;自啟動(dòng)法是采用一定策略不依賴于外加能量的低溫啟動(dòng)過程，這方面研究還在進(jìn)行中。在啟動(dòng)過程中以低的能量損耗獲得快速啟動(dòng)效果是追求的最終目標(biāo)。
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