强化道路振动条件下车用燃料电池堆性能衰减机理研究

The reliability and durability of fuel cell stack under vibrating conditions are one of the key aspects of the reliability and durability of fuel cell vehicles, which are also regarded as an indispensable research part before the industrialization of fuel cell vehicles. Present experimental results show that, the vibration of real road conditions has an important influence on the insulation, gas-tightness and other performances of fuel cell stack. Furthermore, the behavior variation of fuel cell stack under such vibration conditions is normally not a monotonic change and quite complex. The main research targets are: 1) to investigate the performance degradation of fuel cell stack under the real strengthened road vibration conditions; 2) to analyse the mechanism for the performance degradation of fuel cell stack.

燃料电池堆的振动可靠性耐久性是燃料电池汽车可靠性耐久性的一个主要方面，是燃料电池汽车走向产业化的一个必不可少的环节。已有的试验结果表明，实际道路条件下的振动对燃料电池堆的绝缘性、气密性、以及性能有重要影响，而且在这种振动条件下燃料电池堆性能变化规律不是单调衰减，而是呈现比较复杂变化规律。本项目主要是通过所采集的试车场整车强化道路谱，对燃料电池堆进行强化振动试验研究，主要目的是：1）研究在实际强化道路振动条件下燃料电池堆性能衰减的规律；2）探索导致燃料电池堆性能衰减的机理。

车用燃料电池堆的耐久性仍然是制约燃料电池汽车大规模商业化的主要障碍之一。美国能源部的项目规划和我国的《中国制造2025》中都明确指出，在2020年车用燃料电池堆的使用寿命达到5000 h，而在现阶段，国内外的技术水平仍未达到上述要求。因此，提高燃料电池堆的耐久性仍然是下一阶段燃料电池汽车发展的重点方向，而振动耐久性是燃料电池堆耐久性的一个重要方面。. 本项目对实际道路条件及机械振动条件下的车用燃料电池堆性能衰减的研究现状进行了综述。在文献综述和前期工作的基础上，明确了研究内容、研究方法和技术路线。本项目设计了车用燃料电池堆振动耐久性测试及评价方法，该方法以强化道路振动耐久试验为核心，以包括气密性试验、绝缘性试验、稳态极化曲线测试、断电流试验、电化学交流阻抗谱测试等一系列测试为性能表征手段。此外，提出了改进的极化曲线半经验模型，且对其进行了有效性及拟合精度验证，为面向应用的车用燃料电池性能研究提供了参考。. 对两台不同构造的商业化车用燃料电池堆进行了数百小时的强化道路振动试验及一系列性能表征试验。对电化学阻抗谱的研究结果表明，随着强化道路振动时间的增加，两台电堆及所测试的单电池中，它们的欧姆阻值和常相位角元件参数n都增大了，常相位角元件参数Q出现下降，电荷转移电阻的数值基本趋于稳定。两台电堆的气密性在强化道路振动试验过程中均呈现了明显的两阶段变化规律，且在试验结束后均大幅衰减。强化道路振动对电堆中有冷却水情况下的绝缘性能影响更为明显，振动可能使绝缘阻值出现较大幅度波动，进而导致绝缘性能不满足要求。在稳态性能方面，随着振动时间的增加，两台燃料电池堆的性能均出现衰减，运行均匀性发生波动，但是呈现明显的变差趋势。. 在长期的强化道路振动条件下，两台电堆及其中被测单电池的浓差损失受到的影响最大，欧姆损失次之，活化损失受到的影响最小。三种极化损失出现的不同速率、不同程度的上升，综合导致了燃料电池堆的性能发生衰减。