PEMFC在0 ℃以下環(huán)境啟動的研究

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作者：時間：2007-10-23 來源：電源技術(shù)

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　　當(dāng)燃料電池(PEMFC)在0℃以上環(huán)境中工作時，電池中水的產(chǎn)生、流動、分布都有了許多研究，且制備工藝條件、材料特性對電池性能的影響也得到了深入研究。但是關(guān)于PEMFC在0℃以下低溫啟動及保存的研究卻很少，僅僅在最近幾年才剛剛起步。作為燃料電池汽車(FCV)應(yīng)用的一個重要的要求，是必須保持電池在0℃以下的完整性和足夠長的壽命。由于PEM-FC工作后含有大量的水，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時，就會對電池系統(tǒng)材料及部件造成很大的傷害。目前，許多文獻(xiàn)只對0℃以下自啟動進(jìn)行了討論，但卻沒有考察多次啟動后的PEMFC性能的變化情況[1]，而有關(guān)PEMFC冷凍/解凍循環(huán)的研究也僅有幾個循環(huán)[2-3]，這遠(yuǎn)低于車用電池數(shù)百次以上的要求。

　　針對目前研究情況，我們在-5℃和-10℃啟動研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了低溫啟動后電池結(jié)構(gòu)的變化，為研制新型抗冰凍電池材料奠定了基礎(chǔ)。

　　1實(shí)驗(yàn)

　　1.1材料及儀器

　　0℃以下啟動實(shí)驗(yàn)在燃料電池低溫測試平臺上進(jìn)行，MEA組件由加壓電極和Nafion 112膜制備，反應(yīng)氣為H2和O2。-5℃啟動及物性分析采用4 cm2的小電池，而-10℃保存及啟動采用的電極活性面積為128 cm2，雙極板為金屬復(fù)合板。

　　1.2冷凍循環(huán)方法

　　電池運(yùn)行后，將氫腔、氧腔和水腔用反應(yīng)氣吹掃1 min，然后將氫和氧腔一端密閉，另一端抽真空4 min，使電池內(nèi)部相對濕度(RH)維持在3.8%左右。將電池在冷凍箱中以-10℃恒溫4 h，再室溫解凍后，在優(yōu)化條件下對電池進(jìn)行評價，以上為一個循環(huán)。其實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖强疾炖鋬霰４娴挠绊憽?/P>

　　1.3啟動方法

　　在每次啟動降溫前，都要按上述方法使電池內(nèi)部維持相對濕度在3.8%左右，然后降到設(shè)定溫度恒定2 h，最后常壓啟動，測溫點(diǎn)在陰極側(cè)。

　　1.4 表征

　　電池在-5℃啟動前后的循環(huán)伏安(CV)和滲氫電流(hy-drogen crossover)變化，由天津市中環(huán)電子儀器公司的TD3691型恒電位儀測定，而電化學(xué)阻抗(EIS)的大小，則由日本菊水(ⅪKUSUI)電子公司的FC IMPEDANCE METER KFM 2030來表征。

　　1.5 0℃以下啟動實(shí)驗(yàn)平臺

　　圖1左邊的裝置為燃料電池評價臺，而右邊的為低溫實(shí)驗(yàn)箱。將兩個裝置組合在一起就構(gòu)成了0℃以下啟動的實(shí)驗(yàn)平臺。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 50次冷凍/解凍循環(huán)后的性能變化

　　圖2為PEMFC在-10℃經(jīng)過50次冷凍/解凍循環(huán)后的性能變化。由圖2可見，在電流密度(J)分別為500 mA/cm2和800 mA/cm2時，電壓變化趨勢大致相同，都是在一定的電壓下小幅度波動，最后逐漸趨于平緩。由計算得，在500mA/cm2和800 mA/cm2的衰減率分別為-0.18 mV/次和0mv/次，即電池性能沒有發(fā)生變化。這說明，當(dāng)電池相對濕度控制在3.8%左右時，可以有效地保護(hù)電池關(guān)鍵組件的完整性，能夠滿足：PEMFC在-10℃保存的要求。

　　2.2 -5℃自啟動

　　圖3給出了電池在-5℃自啟動時的伏安及溫度變化曲線，恒電壓0.4 V啟動。如圖3所示，隨著反應(yīng)進(jìn)行，電流密度逐漸增加，電池溫度也隨之升高，當(dāng)溫度接近0℃時，提高電壓，使電池穩(wěn)定運(yùn)行?？梢钥闯?，電池在-5℃能夠順利啟動。

　　2.3 -10℃自啟動

　　如圖4所示，在-10℃恒電壓0.3 V啟動時，J瞬間達(dá)到330 mA/cm2，然后又立刻降低到280 mA/cm2。隨著電池生成水的增加，性能也逐漸變好。啟動過程中電池溫度一直在升高，最后達(dá)到0℃。由圖4發(fā)現(xiàn)，電池啟動瞬間，電流突然降低，這是由于電池溫度開始很低，生成的水在MEA催化層和擴(kuò)散層的一部分微孔中結(jié)冰，占據(jù)了部分氣體通道，阻塞反應(yīng)氣進(jìn)入催化劑活性位，使電池處于暫時"饑餓"狀態(tài)，圖10中的-10℃孔結(jié)構(gòu)增大正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。隨著電池溫度的升高，電化學(xué)反應(yīng)速度增加，冰逐漸融化且水量也增多，電池性能逐漸變好。