PEMFC在0 ℃以下环境启动的研究

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作者：时间：2007-10-23来源：电源技术收藏

　　当燃料电池(PEMFC)在0℃以上环境中工作时，电池中水的产生、流动、分布都有了许多研究，且制备工艺条件、材料特性对电池性能的影响也得到了深入研究。但是关于PEMFC在0℃以下低温启动及保存的研究却很少，仅仅在最近几年才刚刚起步。作为燃料电池汽车(FCV)应用的一个重要的要求，是必须保持电池在0℃以下的完整性和足够长的寿命。由于PEM-FC工作后含有大量的水，当环境温度低于0℃时，就会对电池系统材料及部件造成很大的伤害。目前，许多文献只对0℃以下自启动进行了讨论，但却没有考察多次启动后的PEMFC性能的变化情况[1]，而有关PEMFC冷冻/解冻循环的研究也仅有几个循环[2-3]，这远低于车用电池数百次以上的要求。

　　针对目前研究情况，我们在-5℃和-10℃启动研究的基础上，进一步分析了低温启动后电池结构的变化，为研制新型抗冰冻电池材料奠定了基础。

　　1实验

　　1.1材料及仪器

　　0℃以下启动实验在燃料电池低温测试平台上进行，MEA组件由加压电极和Nafion 112膜制备，反应气为H2和O2。-5℃启动及物性分析采用4 cm2的小电池，而-10℃保存及启动采用的电极活性面积为128 cm2，双极板为金属复合板。

　　1.2冷冻循环方法

　　电池运行后，将氢腔、氧腔和水腔用反应气吹扫1 min，然后将氢和氧腔一端密闭，另一端抽真空4 min，使电池内部相对湿度(RH)维持在3.8%左右。将电池在冷冻箱中以-10℃恒温4 h，再室温解冻后，在优化条件下对电池进行评价，以上为一个循环。其实验目的是考察冷冻保存的影响。

　　1.3启动方法

　　在每次启动降温前，都要按上述方法使电池内部维持相对湿度在3.8%左右，然后降到设定温度恒定2 h，最后常压启动，测温点在阴极侧。

　　1.4 表征

　　电池在-5℃启动前后的循环伏安(CV)和渗氢电流(hy-drogen crossover)变化，由天津市中环电子仪器公司的TD3691型恒电位仪测定，而电化学阻抗(EIS)的大小，则由日本菊水(ⅪKUSUI)电子公司的FC IMPEDANCE METER KFM 2030来表征。

　　1.5 0℃以下启动实验平台

　　图1左边的装置为燃料电池评价台，而右边的为低温实验箱。将两个装置组合在一起就构成了0℃以下启动的实验平台。

　　2 结果与讨论

　　2.1 50次冷冻/解冻循环后的性能变化

　　图2为PEMFC在-10℃经过50次冷冻/解冻循环后的性能变化。由图2可见，在电流密度(J)分别为500 mA/cm2和800 mA/cm2时，电压变化趋势大致相同，都是在一定的电压下小幅度波动，最后逐渐趋于平缓。由计算得，在500mA/cm2和800 mA/cm2的衰减率分别为-0.18 mV/次和0mv/次，即电池性能没有发生变化。这说明，当电池相对湿度控制在3.8%左右时，可以有效地保护电池关键组件的完整性，能够满足：PEMFC在-10℃保存的要求。

　　2.2 -5℃自启动

　　图3给出了电池在-5℃自启动时的伏安及温度变化曲线，恒电压0.4 V启动。如图3所示，随着反应进行，电流密度逐渐增加，电池温度也随之升高，当温度接近0℃时，提高电压，使电池稳定运行。可以看出，电池在-5℃能够顺利启动。

　　2.3 -10℃自启动

　　如图4所示，在-10℃恒电压0.3 V启动时，J瞬间达到330 mA/cm2，然后又立刻降低到280 mA/cm2。随着电池生成水的增加，性能也逐渐变好。启动过程中电池温度一直在升高，最后达到0℃。由图4发现，电池启动瞬间，电流突然降低，这是由于电池温度开始很低，生成的水在MEA催化层和扩散层的一部分微孔中结冰，占据了部分气体通道，阻塞反应气进入催化剂活性位，使电池处于暂时"饥饿"状态，图10中的-10℃孔结构增大正好验证了这一点。随着电池温度的升高，电化学反应速度增加，冰逐渐融化且水量也增多，电池性能逐渐变好。