質(zhì)子交換膜燃料電池冷啟動(dòng)研究.pdf

1、低溫環(huán)境下的冷啟動(dòng)問(wèn)題是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC：Proton Exchange Membrane Fuel Cell)邁向商業(yè)化途中所遇到的重大障礙之一。提高電池在零度以下環(huán)境中的自啟動(dòng)能力和低溫耐久性是當(dāng)前PEMFC研究領(lǐng)域中的一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。文章首先概述了PEMFC在低溫環(huán)境下的冷啟動(dòng)行為、多次冷啟動(dòng)后性能衰減的機(jī)理，介紹了在不同低溫環(huán)境、不同操作條件對(duì)電池啟動(dòng)過(guò)程的影響以及電池內(nèi)部液態(tài)水結(jié)冰對(duì)質(zhì)子交換膜、催化層、擴(kuò)散

2、層造成的損傷情況等。為考察電池在不同低溫環(huán)境下的自啟動(dòng)能力，通過(guò)組裝單電池在不同低溫環(huán)境、不同操作條件下進(jìn)行了多次自啟動(dòng)試驗(yàn)，之后通過(guò)極化曲線、CV掃描、SEM、圖像分析等對(duì)電池多次冷啟動(dòng)后性能衰減的情況以及衰減原因進(jìn)行了分析。針對(duì)PEMFC低溫下的保存和啟動(dòng)策略，介紹了國(guó)內(nèi)外與冷啟動(dòng)相關(guān)的已公開的專利情況，如氣體吹掃和真空排水兩種除水措施等，重點(diǎn)針對(duì)利用循環(huán)工質(zhì)預(yù)熱這一措施，以平板式直流道電堆為例，通過(guò)建立簡(jiǎn)化的電堆熱系統(tǒng)模型，計(jì)算了

3、在不同邊界條件下，電堆整體溫度達(dá)到設(shè)定啟動(dòng)溫度所經(jīng)歷的時(shí)間。研究得出以下結(jié)論： (1)操作條件對(duì)電池的自啟動(dòng)能力有很大影響，加大進(jìn)氣流量、降低初始啟動(dòng)電流密度可以在一定程度上提高電池在低溫下的自啟動(dòng)能力。對(duì)單電池在不同低溫環(huán)境下進(jìn)行多次自啟動(dòng)試驗(yàn)后表明，環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，電池對(duì)負(fù)載變化的適應(yīng)性很強(qiáng)，而在-7℃，電池對(duì)負(fù)載的變化異常敏感，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出：電池在-5℃及以上環(huán)境溫度具有很強(qiáng)的自啟動(dòng)能力，而在-10℃下啟動(dòng)能力

4、很弱，幾乎不能實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。 (2)多次冷啟動(dòng)后的極化曲線表明，啟動(dòng)失敗對(duì)電池造成的損傷程度遠(yuǎn)高于經(jīng)歷多次FT循環(huán)(Frost-Thaw:冰凍解凍循壞)；電池在-5℃的環(huán)境溫度下經(jīng)歷兩次啟動(dòng)失敗后，在高電流密度區(qū)域就已經(jīng)出現(xiàn)了較深程度的衰減，之后在-10℃的環(huán)境下繼續(xù)試驗(yàn)，經(jīng)歷一次啟動(dòng)失敗后，衰減程度在上述基礎(chǔ)上急劇增大，致使下次試驗(yàn)已無(wú)法進(jìn)行。之后通過(guò)循環(huán)伏安掃描表明，在-5℃的環(huán)境溫度下經(jīng)歷兩次啟動(dòng)失敗，氫的吸附峰和氧化峰面積

5、基本沒(méi)有變化，但氧的還原峰和脫附峰面積出現(xiàn)了輕微的減??；在-10℃的環(huán)境溫度下啟動(dòng)失敗后，氧的還原峰和脫附峰面積的減小程度進(jìn)一步擴(kuò)大，這會(huì)嚴(yán)重影響電池在高電流密度區(qū)性能。 (3)ESM和圖像分析表明，多次冷啟動(dòng)后催化層和氣體擴(kuò)散層的微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了變化，催化層表面出現(xiàn)龜裂和凹坑，碳纖維上的PTFE顆粒發(fā)生了嚴(yán)重的脫離，碳紙表面空隙的分布出現(xiàn)了變化，這些變化將會(huì)嚴(yán)重影響擴(kuò)散層的親疏水性，可能導(dǎo)致電池在高電流密度運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)“水淹事故”

6、，性能出現(xiàn)下降情況。 (4)所有相關(guān)專利表明：有針對(duì)性的采取冷啟動(dòng)措施可以明顯的削弱多次冷啟動(dòng)對(duì)電池造成的損傷，并能實(shí)現(xiàn)在低溫下順利啟動(dòng)。啟動(dòng)前對(duì)電池進(jìn)行除水、保持電池溫度高于0℃、采用防凍液避免電池內(nèi)部液態(tài)水發(fā)生凍結(jié)、利用輔助措施對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱是當(dāng)前主要的冷啟動(dòng)措施。在實(shí)際應(yīng)用中，冷啟動(dòng)措施應(yīng)著眼于電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電堆系統(tǒng)以及外部輔助設(shè)備的整合，注重多種啟動(dòng)措施的綜合運(yùn)用。 (5)建立了平板式直流道電堆熱系統(tǒng)模型，計(jì)