质子交换膜燃料电池低温标准的研制

文／机械工业北京电工技术经济研究所 陈晨 田超贺 卢琛钰／

1 概述

燃料电池具有发电效率高，适应多种燃料环境特性好等优点，近年来已成为系能源应用的重要方向之一。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是在常温下工作的燃料电池，燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气的氮氧化物，不需要废热能量回收装置，体积小，质量较轻，因此具有较强的市场竞争力。目前PEMFC在航天、军事等领域已经得到了广泛的应用，随着技术的不断进步，其应用领域也已经开始向民用扩展，并已有大量的示范应用。

图1 PEMFC水传递示意图

PEMFC的唯一产物是水，在低温情况下，水的结冰会对燃料电池材料与结构造成损伤，因此实用的燃料电池除了考虑安全性的因素外，还应该能够经得起低温的运行环境。因此，制定PEMFC低温环境下的测试方法标准，对于促进燃料电池的可靠性、推动其产业化进程，具有重要的作用。

2 PEMFC低温冷启动研究进展

2.1 概述

水管理是PEMFC一个重要研究课题。由PEMFC工作原理，可知电池阴极催化剂层既是电池电化学反应进行的场所，也是反应的产物水产生的场所。在PEMFC常温工作时，电池内部生成水，以气态或液态存在。MEA需要保证良好的湿润性，以便能够起到质子传导的作用，这需要对反应气体加湿处理，因此电池中有反应气体增湿水和反应的产物水。阴极催化层生成水以气态或者液态形式扩散到阴极扩散层，进而进入阴极气体流道，从电池内由气流携带出去。

2.2 水对PEMFC的影响

（1）液态水的存在对PEMFC有以下影响：

影响PEMFC的效率。质子在膜中是以水和质子的形式传递，水是质子传导的载体，膜中水含量的多少很大程度决定了电导率的大小。水含量过高，过多的水会导致气体扩散层被“水淹”，无法让气体扩散到催化剂层进行反应，结果导致输出电压降低，效率下降，此外电池流道中的液态水存在时形成两相流，可能造成局部堵塞，或在流道中聚积，使得氢、氧的流动和扩散减弱或中断，燃料供应受阻，影响电池的正常运行；另外，水含量过少会使得电极与膜的接触电阻上升，不利于质子传导。

（2）影响PEMFC的耐久性。由于膜的水含量与膜的机械、化学特性紧密相关，因此膜的水合程度与模的性能衰退密切相关。一般而言，机械性能和膜内水含量成反比，而膜内水含量增多可以提高其耐腐蚀性。

（3）影响PEMFC的冷启动。冷启动过程中水的生成与转移是影响冷启动成功与否的关键，研究表明在冷启动过程中催化剂与气体扩散层之间冰的形成对冷启动至关重要; 而停机前膜中的水含量也被认为是影响冷启动的关键因素。

2.3 PEMFC低温冷启动研究现状

图2 IEC/TC 105标准体系框架

当PEMFC处于低于0℃的低温环境中时，电池中的液态水会结冰，无法顺利地从电池内部移除，便在电池内部堆积，甚至覆盖催化剂层表面。由于MEA需要保持一定的含水量，而零度以下膜中水被部分冻结后，含水率变化对MEA的性能有直接的影响。同时，膜中水的冻结行为还将直接破坏膜的微观结构，使得PEMFC的性能发生不可逆转的衰退。因此，低温冷启动是PEMFC在零度以下环境中所面临的三大难题之一。随着PEMFC的技术发展水平离商业化要求日益贴近，这一问题正引起越来越多的关注。

如果想实现PEMFC在低温下正常启动运行，需要合理控制MEA中的水含量，并深入分析理解PEMFC冷启动过程。从当前国内外的参考文献看，PEMFC冷启动的方法有以下几种：

（1） 吹扫，即燃料电池停止工作后用干燥的氮气对其进行吹扫，尽可能减少其内部残留水量；

（2） 冷却液加热，即在燃料电池冷启动以前向其内部通入热的冷却液，通过冷却液的循环来加热燃料电池;

（3） 端板加热和质子交换膜加热，即向端板内和质子交换膜内加入一定功率的内热源来加热燃料电池；

（4） 进气加热，即通过对进入阴阳极的气体进行加热来加热燃料电池；

（5） 保温，采取一定的保温措施使停止工作后的燃料电池的温度维持在0℃以上，使其内部残留水不凝结;

（6） 燃烧氢气，即向燃料电池的阴极通入一定体积含量的氢气，通过氢氧反应产生的热量来加热电堆。

冷却液加热、进气加热、燃烧氢气、端板加热和质子交换膜加热的目的就是尽可能快的融化燃料电池内部残存的冰，在最短的时间内使燃料电池满足冷启动的要求。

3 PEMFC低温国内标准化现状

3.1 概述

全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会自2008年成立以来，已经完成/正在制定的标准共计31项。目前标准的制定主要是集中在对质子交换膜燃料电池，包括关键部件及材料相关要求和测试方法，及应用领域质子交换膜燃料电池的标准化工作。《质子交换膜燃料电池低温特性测试方法》（计划号为20100783-T-604）被列入国家标准化管理委员会下达的2010年国家标准制修订计划中。该标准将结合我国实际研发情况制定，完成后将作为推荐性国家标准发布。

3.2 PEMFC低温标准内容

《质子交换膜燃料电池低温特性测试方法》（以下简称“低温标准”）标准是针对质子交换膜燃料电池电堆在零度以下的低温性能进行评估，评估的项目包括零度以下的存储、启动、运行。对于电堆的通用要求将按照已经发布的GB/T 20042.2-2008《质子交换膜燃料电池电堆通用技术条件》中规定的通用安全要求执行。低温标准测试的温度范围设置为0℃～-40℃，采用低温环境实验箱进行电堆低温性能进行评估，评估主要针对安全和运行方面。在安全方面，将考察低温环境对电堆存储、运行安全性能的影响；在运行方面，将考察电堆在低温环境中的启动、关机、运行的性能。

该标准中的低温试验主要对质子交换膜燃料电池在低温下存储后的性能进行测试。首先，对电堆进行气密性、运行试验、允许工作压力试验、冷却系统压力试验、窜气试验、压力差试验等常规性能进行测试。之后，针对燃料电池的启动和关机的性能进行测试，主要考察启动时间及能耗、关机时间及能耗、吹扫时间及能耗、外部能量消耗量、发电效率等电堆的性能。本标准在质子交换膜低温存储后进行的启动和关机的程序没有具体进行规定，主要是考虑不能限制技术的发展和进步，同时在附录中给出了推荐性的启动和关机程序，供参考，以便在没有具体启动和关机程序的时候使用。

4 PEMFC低温国际标准化进展情况

IEC/TC 105（燃料电池技术）目前已经制定和正在制定的标准中尚无PEMFC低温冷启动的标准化工作。根据IEC/TC 105标准框架（如图2所示），我国拟在WG11（单电池和电池堆）中提出《质子交换膜燃料电池低温冷启动试验方法》国际标准提案。IEC 62282-7-1：2010《聚合物燃料电池单电池测试方法》将于2013年开始标准维护工作，可以考虑将提出的提案作为一部分内容，增加到IEC 62282-7-1中，届时该标准的范围将从现在的单电池扩展到电堆。

5 结语

目前欧美，包括日本、韩国都将燃料电池作为近期发展的重点，欧洲和日本已经将小型固定式燃料电池发电系统在家庭开展热电联产的应用，此外，在电动汽车领域也已经开展应用。燃料电池在应用过程中，避免不了低温的环境条件，因此，该低温标准的制定，可以对燃料电池进行低温条件下性能的好坏进行评估和判定，保证燃料电池的使用安全，对于推动燃料电池向实用化迈进具有重要的意义。

[1] 质子交换膜燃料电池技术，水雷战与舰船防护,2012年,第20卷,第2期.

[2] 质子交换膜燃料电池内部水传递的动态特性分析,化工进展,2012年第31卷,增刊二.

[3] 质子交换膜燃料电池水含量实验测量方法综述,仪器仪表学报,2012年,第33卷,第9期.

[4] 质子交换膜燃料电池研究现状,表面技术,2012年,第41卷,第3期.

[5] 质子交换膜燃料电池低温动态性能实验研究,北京交通大学,硕士论文,2011年6月.

[6] 浅谈我国燃料电池标准化现状,电器工业,2012年,第12期.