質(zhì)子交換膜燃料電池冷啟動研究.pdf

1、低溫環(huán)境下的冷啟動問題是質(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)境中的自啟動能力和低溫耐久性是當前PEMFC研究領(lǐng)域中的一個極具挑戰(zhàn)性的課題。文章首先概述了PEMFC在低溫環(huán)境下的冷啟動行為、多次冷啟動后性能衰減的機理，介紹了在不同低溫環(huán)境、不同操作條件對電池啟動過程的影響以及電池內(nèi)部液態(tài)水結(jié)冰對質(zhì)子交換膜、催化層、擴散

2、層造成的損傷情況等。為考察電池在不同低溫環(huán)境下的自啟動能力，通過組裝單電池在不同低溫環(huán)境、不同操作條件下進行了多次自啟動試驗，之后通過極化曲線、CV掃描、SEM、圖像分析等對電池多次冷啟動后性能衰減的情況以及衰減原因進行了分析。針對PEMFC低溫下的保存和啟動策略，介紹了國內(nèi)外與冷啟動相關(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，重點針對利用循環(huán)工質(zhì)預(yù)熱這一措施，以平板式直流道電堆為例，通過建立簡化的電堆熱系統(tǒng)模型，計算了

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

4、很弱，幾乎不能實現(xiàn)自啟動。 (2)多次冷啟動后的極化曲線表明，啟動失敗對電池造成的損傷程度遠高于經(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，經(jīng)歷一次啟動失敗后，衰減程度在上述基礎(chǔ)上急劇增大，致使下次試驗已無法進行。之后通過循環(huán)伏安掃描表明，在-5℃的環(huán)境溫度下經(jīng)歷兩次啟動失敗，氫的吸附峰和氧化峰面積

5、基本沒有變化，但氧的還原峰和脫附峰面積出現(xiàn)了輕微的減小；在-10℃的環(huán)境溫度下啟動失敗后，氧的還原峰和脫附峰面積的減小程度進一步擴大，這會嚴重影響電池在高電流密度區(qū)性能。 (3)ESM和圖像分析表明，多次冷啟動后催化層和氣體擴散層的微觀結(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，這些變化將會嚴重影響擴散層的親疏水性，可能導(dǎo)致電池在高電流密度運行時出現(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：有針對性的采取冷啟動措施可以明顯的削弱多次冷啟動對電池造成的損傷，并能實現(xiàn)在低溫下順利啟動。啟動前對電池進行除水、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)、利用輔助措施對電池進行預(yù)熱是當前主要的冷啟動措施。在實際應(yīng)用中，冷啟動措施應(yīng)著眼于電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、電堆系統(tǒng)以及外部輔助設(shè)備的整合，注重多種啟動措施的綜合運用。 (5)建立了平板式直流道電堆熱系統(tǒng)模型，計