通信用燃料电池备用电源系统衰减问题综述

柯　昊，马天才，姚　汛，孙泽昌

(1.同济大学 中德学院，上海 200092；2. 同济大学 汽车学院，上海 201802)



通信用燃料电池备用电源系统衰减问题综述

柯昊1，马天才2，姚汛2，孙泽昌2

(1.同济大学 中德学院，上海 200092；2. 同济大学 汽车学院，上海 201802)

摘要:质子交换膜燃料电池的耐久性是其广泛应用所面临的最大挑战之一，而目前对静态条件下运行的备用电源燃料电池系统的耐久性研究较少。文中对通信用燃料电池备用电源系统运行过程中的输出电压进行数据分析，得出了电堆运行时的衰减趋势,根据理论衰减机理对实际运行中的衰减原因予以解释。

关键词：质子交换膜燃料电池; 衰减; 衰减机理

0　引　言

质子交换膜燃料电池以能量密度高、环境友好以及能量转化效率高等优势成为未来移动电源及固定电站等领域的首选电源。当前燃料电池技术的商业化面临以下挑战：性能、成本与耐久性，而耐久性已经成为其中最大的挑战[1]。

燃料电池的耐久性是指电堆在运行过程中抵抗性能发生永久改变的能力。由于衰减对外主要表现为电堆输出电压的下降，因此输出电压衰减率，即单位时间内输出电压衰减率，也被用来评价燃料电池的耐久性。近年来，随着燃料电池商业化的迫切需求，对质子交换膜燃料电池衰减状况、原理与相应缓和措施的研究日趋增加[2]。

1　质子交换膜燃料电池的衰减机理综述

目前针对质子交换膜燃料电池耐久性与性能衰减研究的重点之一是电堆各个组成部件的衰减机理。

质子交换膜燃料电池主要由催化层、质子交换膜、多孔传输层、双极板以及密封装置构成。这些组件在燃料电池运行过程中均会出现衰减甚至失效，造成电堆整体性能的衰减。文献[2]总结了这些组件的衰减机理。

2　备用电源电堆性能衰减分析

基于实际运行系统中质子交换膜燃料电池的耐久性研究目前往往仅限于车用燃料电池系统[3,4]。本文拟分析备用电源系统的耐久性。

2.1　燃料电池备用电源系统简介

本备用电源系统采用质子交换膜燃料电池作为主要的供电单元，在外部市电中断的情况下自动启动，并通过DC/DC 变换器将产生的能量转换为适合于通信基站需求的电能。为保证市电中断瞬间对负载供电不间断以及燃料电池顺利启动，系统还加入了起动型铅酸蓄电池作为能量缓冲器。燃料电池备用电源系统基本结构如图1所示。

图1 燃料电池备用电源系统结构

2.2　燃料电池电堆的电压衰减

通过对运行期间电堆负载电流的统计，发现在备用电源系统中燃料电池运行工况较窄，集中于启动与稳定运行工况。系统稳定运行时，燃料电池的工作点较为集中(60～90 A)，且大都位于极化曲线的欧姆极化区。因此，针对车用燃料电池的耐久性分析方法不适用于本系统。

3　备用电源电堆衰减原因分析与缓和措施

由上述备用电源的运行原理可以总结出燃料电池的运行特点：即长时间处于待机状态且启动频率不大；考虑到通信基站的用电特性，燃料电池在运行过程中负载电流不会剧烈变化，但会在某一范围内波动。

3.1　质子交换膜燃料电池主要组件的衰减

3.1.1催化层衰减

本备用电源系统燃料电池仍采用传统的基于Pt的催化剂，在电堆运行过程中Pt催化剂经历着微小的结构变化，导致其性能的下降。这些变化主要包括：Pt颗粒聚集长大，Pt质量损失、重新分布以及Pt催化剂中毒。Pt颗粒聚集长大以及Pt质量损失直接降低了Pt催化剂的活性面积，从而降低了电化学反应速率。文献提出Pt溶解后形成的Pt离子(Ptz+)，也间接降低了电化学活性面积。当燃料气中存在CO、H2S时，它们会吸附在催化剂中的Pt表面。这一现象减少了H2氧化反应中可用催化剂活性表面的面积，从而降低了H2氧化反应速率，造成电池性能的衰减。实验证明，即使极微量的CO也会对燃料电池性能造成极大的影响，尤其是在长期运行过程中。H2S造成的衰减程度较CO更为严重，且不可恢复。

为增加催化剂抗中毒能力，可以使用Pt合金催化剂，如PtRu/C与PtSn/C等。此外，采用诸如PtCo/C催化剂还可以有效提高耐久性。

3.1.2质子交换膜衰减

质子交换膜在燃料电池中起到传导质子，分隔阴、阳极的作用。全氟磺酸(PFSA)膜以其出色的化学与热稳定性、高离子传导性和良好的机械强度成为当前最常用的质子交换膜[1]。燃料电池运行过程中质子交换膜的衰减也是造成电池性能衰减的重要原因。它一方面降低了其质子传导能力与水管理能力，另一方面会导致窜气现象，即阴、阳极反应气的直接接触[6]。根据衰减原因的不同存在化学衰减、机械衰减与热衰减[6]。其中，由机械应力、不饱和增湿和气流冲击等因素造成的裂缝、撕裂、刺孔等物理因素引起的机械衰减主要造成电池运行初期的失效[7]，而由氢氧自由基(OH)与过氧自由基(OOH)攻击全氟磺酸膜造成的化学衰减主要在长期运行后体现。若要增强质子交换膜的机械耐久性，可采用拥有良好的尺寸稳定性、优异的机械性能与热稳定性增强的复合型聚合物电解质膜。为了缓和质子交换膜的化学衰减，一方面需要消除膜分子中不稳定的官能团，即开发出化学稳定性更高的膜材料，另一方面则是要减少燃料电池运行过程中自由基的生成。

3.2　备用电源运行条件对燃料电池性能衰减的影响

除了燃料电池各组件的自身特性外，备用电源的运行条件对于其性能衰减也有很大影响。以下重点分析燃料电池双极板与密封件出现衰减后产生的杂质及电流循环对燃料电池性能衰减的影响。

由于备用电源系统中DC/DC变换器采用PID控制，使得在燃料电池处于稳定工作状态时电堆的输出电流总是在控制目标值附近上下波动，由运行数据可看出电流波动范围超过10 A。因此，在稳定工况时燃料电池可看作工作在电流循环状态下。

虽然在较少的循环数内，电流循环对燃料电池的耐久性影响不大。但文献[10]对比了燃料电池在恒定电流与循环电流条件下运行1 000 h后的衰减状况，发现在循环电流条件下，随着运行时间延长质子交换膜的氢气窜气加剧，甚至会出现膜穿孔现象。这些现象加速了膜的机械衰减与热衰减，导致输出电压显著下降。

为了缓和电流循环对燃料电池性能造成的影响，除采用机械强度更高的膜之外，还需要改进DC/DC变换器的控制方式，以减小稳定工作状态下燃料电池电堆输出电流的波动。

4　总　结

本文首先总结了质子交换膜燃料电池运行过程中出现性能衰减的机理，包括各组件的衰减原因以及运行条件对衰减的影响；随后在对通信用燃料电池备用电源中燃料电池电堆进行耐久性分析的基础上，根据理论衰减机理提出了电堆运行过程中的衰减原因以及缓和措施。

参考文献：

[1]Wang H J, Li H, Yuan X Z. PEM Fuel Cell Failure Mode Analysis[M]. New York: CRC Press, 2011.

[2]Wu J F, Yuan X Z, Martin J J,etal. A review of PEM fuel cell durability: Degradation mechanisms and mitigation strategies[J]. Journal of Power Sources, 2008, 184: 104-119.

[3]Pei P, Chang Q, Tang T. A quick evaluating method for automotive fuel cell lifetime[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(14): 3829-3836.

[4]Folkesson A, Andersson C, Alvfors P,etal. Real life testing of a Hybrid PEM Fuel Cell Bus[J]. Journal of Power Sources, 2003, 118(1-2): 349-357.

[5]Bi W, Fuller T F. Modeling of PEM fuel cell Pt/C catalyst degradation[J]. Journal of Power Sources, 2008, 178(1): 188-196.

[6]Healy J, Hayden J, Xie T,etal. Aspects of the chemical degradation of PFSA ionomers used in PEM fuel cells[J]. Fuel Cells, 2005, 5(2): 302-308.

[7]Laconti A B，Hamdan M，McDonald R C，Fuel Cell Handbook[M]．New Jersey：Wiley, 2003：648-650.

[8]Inaba M, Kinumoto T, Kiriake M,etal. Gas crossover and membrane degradation in polymer electrolyte fuel cells[J]. Electrochimica Acta, 2006, 51(26): 5746-53.

[9]Li H, Tsay K, Wang H J,etal. Durability of PEM fuel cell cathode in the presence of Fe3+ and Al3+[J]. Journal of Power Sources, 2010, 195(24): 8089-8093.

[10]詹志刚, 吕志勇, 黄永.质子交换膜燃料电池冷启动及性能衰减研究[J]. 武汉理工大学学报, 2011, 33 (1): 151-155.

研制开发

Review of System Attenuation of Fuel Cell Backup Power for Communication Applications

KE Hao1, MA Tian-cai2, YAO Xun2, SUN Ze-chang2

(1.Chinesisch-Deutsche Hochschule for Angewandte Wissenschaften, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201802, China)

Abstract:Durability of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is one of the biggest challenges for its wide application, and currently there is little research on the durability of the fuel cell backup power system operating under static condition. Data analysis of output voltage of an operating fuel cell backup power system for communication applications is conducted in this article, from which the attenuation trend of operating battery stack is obtained.Then reasons for the practical attenuation are explained according to theoretical attenuation mechanism.

Key words:proton exchange membrane fuel cell (PEMFC); attenuation; attenuation mechanism

中图分类号：TN86,TM912

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0023-02

作者简介：柯昊(1989-)，男，安徽人，研究生在读，研究方向：燃料电池性能衰减。

收稿日期：2015-02-03 2014-11-24