质子交换膜燃料电池寿命加速衰减机理及加速评价方法研究

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) lifetime accelerated degradation mechanism and evaluating method will be studied in this subject. The factor affecting PEMFC lifetime degradation is related with operating conditions, such as temperature, humidity, load changing, start-stop cycle, idling time, high power load, and open circuit voltage conditions. However, the key factors only include temperature, humidity, potential, and current density, which will be concluded by analysis firstly in this study. Then, the single cell / stack lifetime degradation mechanisms resulting from those key factors under different stable state and dynamic state will be investigated and quantitatively analyzed. Based on the quantitatively analyzed result, a degradation model of fuel cell lifetime will be constructed, which can be used to predict PEMFC normal lifetime with different operating conditions. This research will benefit understanding PEMFC lifetime degradation mechanism, shortening lifetime test period, and improving the efficiency of time, labor, and material resources.

本课题将对质子交换膜燃料电池（PEMFC）寿命加速衰减机理及加速评价方法进行研究。影响PEMFC寿命的因素包括温度、湿度、变载、启停、怠速、高负载、开路运行等，本课题通过研究分析确定温度、湿度、电位、电流密度为影响寿命衰减的关键因素；然后对关键因素在稳态、动态条件下加速单池/电堆寿命加速衰减机理及差异进行考察；在此基础上对寿命加速衰减进行量化分析，建立加速测试条件下的寿命与正常工作条件下的实际寿命间的数学模型。利用此模型，可以通过短时间寿命加速衰减实验，较准确预测不同工况下的电池寿命。通过本课题研究，将有助于认清PEMFC寿命加速衰减机理，缩短电池寿命评价时间，使时间、人力、物力等资源得以更有效的利用。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量转换效率高、操作温度低、可快速启动、环境友好等优点，在分散电站、可移动动力源等方面有广阔的应用前景。在对PEMFC寿命进行考察时，常用方法是使PEMFC在稳态工况下长时间连续工作。这种方法可准确获得燃料电池寿命信息，但是非常消耗时间、人力、物力等资源，成本高昂。因此有必要对PEMFC寿命加速衰减机理及加速评价方法进行研究。.本项目通过电池加速衰减实验考察了温度、湿度、氢氧压差等因素对质子交换膜寿命的影响，发现质子交换膜阴阳极两侧的干湿条件变化、两侧压力波动等条件可导致质子交换膜加速衰减，增加膜出现穿孔概率，缩短质子交换膜的使用寿命。为此研制了适用电池实际使用环境的自增湿膜电极，通过通过膜电极结构的改变来平衡电池内部质子交换膜的缺水和水淹问题，优化电池水管理。.研究了电池动态加载特性影响，发现由于气体响应速度明显滞后于电载荷响应速度，燃料电池加载瞬间内部出现气、水、电流、电势等分布不均一现象，除降低电池整体性能外，还有可能进一步引发电池局部出现高温热点、膜失水等情况，导致电池局部过度衰减，降低电池使用寿命。为此分别研发了氮掺杂的多孔碳氧还原电催化剂和基于Pt/Nb2O5纳米带的有序化膜电极，可提高膜电极的可靠性和耐久性，同时降低其成本。.通过对极板不平整度对电堆质子交换膜漏气的研究实验，发现极板不平整度对电堆中质子交换膜漏气性的影响较小，这可能是由于双极板一侧为较软的石墨流场，抵消了极板厚度不均匀性所致，因此流场硬度也是电池寿命关键的影响因素之一。.在对电池寿命加速衰减因素实验分析基础上，借鉴已有的加速衰减方法，在常用载荷运行、怠速运行、变载运行、启动停车等工况下完成氢氧/氢空燃料电池电堆寿命加速衰减实验，发现在四种工况中氢氧电堆的启停工况电池性能衰减最大，氢空电堆的常用载荷工况衰减最大，对电堆寿命进行预测发现无论是氢氧还是氢空短堆其预测寿命均约为4000-6000 h。