基于原位EIS诊断的船用燃料电池动态特性与衰退机理研究

The dynamic performances of polymer ecletrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system for marine vessels are colsely related to the used materals, operational parameters and environment.In this proposal,a in-situ electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique is proposed to investigate the dynamic performances and durability of marine PEMFC system with cathode catalysts of NbC nanowires loaded platinum under operation conditions of boat mobiling navigation and ocean atmosphere and to diagnosis the effects of PEMFC components on the performance and durability of the PEMFC stack.Based on the process and physical components of PEMFC power output(voltage,cunrrent and power supply),a electrochemical measurement model is proposed and established to fit the measured EIS and to analyze and identify the main controlling factors and main components in affecting the dynamic performances and degradation of PEMFC system. The effects of dynamic loading and Cl ion concentration in air on the marin PEMFC are studied to establish the relationship between dynamic performances and loading spectrum and Cl ion concentration, and to build the relationship between PEMFC components and stack.It is to elucidate the degradation mechanism of PEMFC system in performances. These research works in this proposal will promote the development of marine PEMFC power system and provide the fundamental informations for PEMFC application in ocean vessels.

聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）作为船舶动力系统的动态响应特性直接与燃料电池的材料、操作条件和使用环境密切相关。本项目针对燃料电池在海洋环境船舶机动航行的交变载荷作用和Cl-离子污染条件，提出采用纳米NbC担载低Pt的阴极催化剂的燃料电池系统，电化学阻抗谱（EIS）技术在线原位诊断方式试验研究船用PEM燃料电池系统的动态特性与电池组件特性的关系和性能的长期稳定性。以PEMFC的电能输出（电压、电流和功率）的过程和物理组件为基础，构建电化学测试模型，解析试验数据，分析和诊断影响动态响应和性能衰退的主要控制因素。试验研究海洋环境船舶机动航行载荷谱与空气中氯离子对PEM燃料电池动态响应特性的影响规律。揭示氯离子浓度和机动航行载荷谱与燃料电池的动态响应和组件性能的关系；阐明PEM燃料电池系统的性能衰退机理。为船舶燃料电池系统的发展和海上环境应用奠定理论基础，并积累基础数据。

本项目针对船舶用燃料电池的双极板组件、催化剂载体和燃料电池动态特性开展研究工作。着重研究了船舶动力载荷的变化特性以及燃料电池的动态特性，结果表明燃料电池载荷变化可以采用交变加载和正弦波加载实现；研究了燃料电池传质和电化学过程和电化学阻抗测试模型，以及电池系统的性能与各组件参数、操作参数和环境因素的关系；研究了Cl-离子对燃料电池系统组件金属双极板的损害累积与PEMFC系统动态性能衰退机制。结果表明：在研究燃料电池的特性时，以燃料电池过程中的传质过程和电化学反应为基础，建立的多过程电化学交流阻抗EIS模型，可以较好地反映燃料电池各组件和各传输反应过程的阻力大小，也可实现通过分析测试得到的EIS谱图，分离解析出各组件的传质和化学反应过程，为分析各组件在燃料电池运行中的变化，提供分析方法和依据。研究的改性金属双极板的界面溶解和腐蚀过程，证明了其方法适用性。研究了环境条件对燃料电池组件性能的影响，包括燃料介质、空气中氯离子等，尤其是氯离子的影响，燃料甲醇介质有助于缓解金属双极板组件的腐蚀和溶解，而氯离子则加速金属双极板的性能衰退。氯离子加速金属双极板性能的衰退机制为燃料电池停止运行时破坏金属双极板表面钝化膜导致点腐蚀引起。研究的金属双极板表面改性层为提高燃料电池组件和燃料电池的运行稳定性奠定了基础。.为了提高燃料电池运行的稳定性，研究探索由生物废弃物制备的SiO2/木质素复合材料、低表面积的纳米SiO2颗粒等材料，用于燃料电池空气和水净化，也可潜在用于燃料电池催化剂载体和质子交换膜的加湿保水改性材料。进一步研究发展了高性能的锂离子电池SiOx/C复合负极材料。.项目执行期间，在国内外学术期刊发表资助标注SCI论文16篇，其中第一标注论文12篇，第二标注论文4篇；国际国内学术会议大会报告4次。培养毕业博士研究生1名，毕业硕士研究生5名。