團(tuán)隊(duì)介紹

張雪霞，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、燃料電池技術(shù)與應(yīng)用、鋰電池技術(shù)與應(yīng)用。圍繞機(jī)車用大功率燃料電池健康狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)、耐久性分析及老化機(jī)理建模、容錯(cuò)控制、流場(chǎng)設(shè)計(jì)、催化劑制備等方面開展了系統(tǒng)研究，本文工作是其中的一部分。

黃平，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向?yàn)槿剂想姵丶夹g(shù)及應(yīng)用。

蔣宇，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，博士研究生，研究方向?yàn)槿剂想姵亟】倒芾砑夹g(shù)及應(yīng)用。

陳維榮，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、燃料電池技術(shù)及應(yīng)用。

研究背景

在“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，軌道交通作為用能大戶，PEMFC機(jī)車的推廣應(yīng)用成為綠色、低碳軌道交通發(fā)展的重要方向。然而，主動(dòng)力源PEMFC耐久性低是制約PEMFC機(jī)車商業(yè)推廣的最具挑戰(zhàn)的卡脖子問題。當(dāng)前，延長(zhǎng)機(jī)車用大功率PEMFC使用壽命，提高系統(tǒng)的耐久性是推動(dòng)中國(guó)氫能綠色軌道交通應(yīng)用的亟需。

本文以提升機(jī)車用大功率 PEMFC 的耐久性為研究背景，嘗試探索動(dòng)態(tài)機(jī)車工況下PEMFC電堆衰退特性，從電堆內(nèi)各單片不一致性視角厘清各極化過程受衰退影響的變化趨勢(shì)，為PEMFC健康管理領(lǐng)域研究提供借鑒。

論文所解決的問題及意義

PEMFC壽命受運(yùn)行工況影響，如相同的PEMFC運(yùn)行在恒流的穩(wěn)態(tài)工況下，其壽命能達(dá)到上萬小時(shí)，而在動(dòng)態(tài)工況下的壽命僅有上千小時(shí)?？紤]到機(jī)車用PEMFC在牽引／制動(dòng)、高功率運(yùn)行、惰行等周期性動(dòng)態(tài)運(yùn)行的工況特點(diǎn)，同時(shí)電堆內(nèi)不同位置處各單片電池的性能不一致性對(duì)PEMFC的壽命產(chǎn)生影響，有必要探究動(dòng)態(tài)機(jī)車工況下PEMFC電堆的衰退性能。

針對(duì)動(dòng)態(tài)機(jī)車工況下PEMFC電堆內(nèi)部衰退性能分析難的問題，利用弛豫時(shí)間分布(Distribution of Relaxation Time，DRT)分析5kW PEMFC電堆內(nèi)部不同單片電池的衰退特性。

該方法能夠有效分析電堆內(nèi)不同單片電池各極化過程隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)，并通過極化曲線、電化學(xué)阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)、等效電路模型(Equivalent Circuit Model，ECM)等手段驗(yàn)證了該方法的有效性。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文利用極化曲線、ECM、DRT方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PEMFC電堆由外特性到內(nèi)特性的衰退分析。

1、極化曲線分析

由極化曲線分析可知，PEMFC電堆不同單片電池的衰退外特性趨勢(shì)不一致。電池1(電堆前端)在110-220h期間的性能衰退最嚴(yán)重；電池20(電堆中間)性能衰退逐漸加重；電池40(電堆末端)在220-330h期間衰退最嚴(yán)重，且由于所處位置，0h未完全活化，導(dǎo)致110h輸出性能優(yōu)于110h。

圖1

2、等效電路模型分析

由等效電路模型分析可知，3片電池的氧氣還原反應(yīng)極化過程占據(jù)主導(dǎo)，且隨時(shí)間逐漸增加。且220h后，質(zhì)子傳輸極化過程阻礙逐漸增加，導(dǎo)致EIS高頻段出現(xiàn)明顯的小圓弧。

圖2

3、弛豫時(shí)間分布分析

由弛豫時(shí)間分布分析可知，3片電池的DRT曲線主要由4個(gè)波峰(P1、P2、P3和P4)組成。P2表征氧氣還原反應(yīng)極化過程，占據(jù)主導(dǎo)且隨時(shí)間逐漸增加。P1表征質(zhì)量傳輸極化過程，受氣體擴(kuò)散層影響。P3、P4表征質(zhì)子傳輸極化過程，受質(zhì)子交換膜影響。

圖3

結(jié)論

本文結(jié)合極化曲線、ECM和DRT方法，對(duì)動(dòng)態(tài)機(jī)車工況下PEMFC電堆第1、20、40片電池在0h、110h、220h及330h的衰退性能進(jìn)行分析。

結(jié)果表明，電堆各單片電池的陰極極化過程占主導(dǎo)，但電堆不同位置電池的衰退趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的不一致性。電堆入口的電池1在110-220h期間衰退速率最快，電堆中部的電池20衰退速率逐漸加快，電堆出口電池40在220-330h期間衰退速率最快。特別地，由于電堆出口可能的供氣不足，導(dǎo)致電池40在初始時(shí)未完全活化，活化損耗較大。從極化曲線可以看到，該電池在歐姆區(qū)110h的輸出性能好于220h的性能。

通過三種方法對(duì)PEMFC電堆的衰退性能分析能全面地分析其衰退趨勢(shì)，為PEMFC的健康狀態(tài)管理及壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

以上研究成果發(fā)表在《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，中國(guó)知網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)首發(fā)。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目、四川省重點(diǎn)研究開發(fā)計(jì)劃、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目應(yīng)用基礎(chǔ)研究、磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2018年度開放課題項(xiàng)目資助項(xiàng)目的支持。