浅谈氢燃料电池耐久性影响因素

周文增　唐磊

摘 要：随着国家对氢燃料电池汽车产业扶持政策力度的加大，越来越多的氢燃料汽车行驶在马路上，其中影响到氢燃料电池汽车行业大规模商业化、产业化应用主要因素之一就是氢燃料电池的耐久性，本文根据氢燃料电池行业当前的研究进展成果，浅谈影响氢燃料电池耐久性的因素。

关键词：氢燃料汽车;氢燃料电池;电池耐久性

0 引言

氢燃料电池（Hydrogen Fuel Cell）作为一种非燃料燃烧产生动力的机械装置，主要通过燃料氢气和空气中氧气以电化学反应形式直接转换成电能。以本公司使用的质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）为例，燃料（氢气）通过管路通入阳极（负极）在阳极催化剂的作用下被氧化成质子（氢离子）和电子，质子通过质子交换膜达到阴极（正极），在阴极催化剂的作用下与空气中的氧气反应结合成水。电子则通过外电路达到阴极，连续不断的产生电流，向整车输出电能。

其化学反应方程式如下：

氢燃料电池具有清洁、无有害排放、噪音低、能量转换效率高等特点，越来越多的车企搭载氢燃料汽车并投入运行，但氢燃料电池的耐久性仍制约着氢燃料汽车的发展。本文主要介绍影响氢燃料电池耐久性的因素。

1 燃料电池材料结构

1.1 水热管理

氢燃料电池在电化学反应过程中需要质子交换膜作为质子传递的载体，膜需要高水合度、适宜温度才能保证和提高质子的传导率，同时反应生成的水也需要经质子交换膜排出，来达到氢燃料反应电堆增湿、保温、排水的水热管理性能要求，当氢燃料电池水热管理设计不合理会造成电池性能下降和不稳定并造成质子交换膜的物理损伤及腐蚀。

氢燃料电池在水热管理方案设计过程中可以通过增强交换膜材料的稳定性、结构优化设计、燃料电池系统电堆内外增湿、系统脉冲排气等方式来增强水热管理。

1.2 金属离子

各种金属离子会导致质子交换膜内水含量较低、阻碍并降低质子传导率、金属离子还可以导致氢燃料电池电化学反应速率，最终导致化学衰减，而造成氢燃料电池中的金属离子污染来源较为广泛，主要来源自空气（氧气）、氢燃料电池的冷却循环水流经散热器及管路、双极板材料的离子析出、密封材料中的离子析出、离子交换膜材料中的离子析出等。

氢燃料电池在设计过程中选用优质适宜的材料来降低材料中金属离子的释放，通过增加多道净化器来过滤冷却循环水中的金属离子，同时增强质子交换膜的稳定性来降低金属离子的影响。

2 整车动态工况

2.1 启停工况

氢燃料电池启动前，由于空气的扩散或者质子交换膜电极的渗透使得燃料电池的阴阳极都存在空气。氢燃料电池启动时，氢气通过管路进入到燃料电池阳极侧，会在阳极形成氢气--空气界面。氢空界面造成质子交换膜出现反向电流（见图1），反向高电位会引起质子交换膜上的催化层腐衰减，造成氢燃料电池耐久性降低。

当前氢燃料电池解决延缓出现反向电流的措施主要有开发高稳定性的催化载体、氢燃料车辆停机启动过程中通过气体（H2或空气）对氢燃料电池的质子交换膜进行吹扫策略、氢燃料电池整车电气控制策略中将停机启动过程中多余的电量传递到整车负载中。

2.2 低载怠速

当氢燃料电池一直运行在低载怠速状态时：①氢燃料电池一直运行在高电位，造成质子交换膜上催化载体腐蚀;②氢燃料电池电堆内一直处于低湿度，造成质子交换膜机械性能衰减;③氢燃料电池质子交换膜中自由基增多，自由基不断攻击质子交换膜催化载体，降低膜的化学活性。

以上状况的出现造成氢燃料电池整体性能不断衰减。为解决氫燃料电池低载怠速引起的性能衰减，需不断开发高稳定性的替代材料、增加氢燃料电池运行中的空气循环量，提高电堆内部空气湿度、优化整车电气控制逻辑，将氢燃料电池多余电量转移至整车电池内。

2.3 超载放电

当氢燃料电池出现超载放电会造成：①电池电流分布不均，局部出现热量聚集点，引起质子交换膜材料的衰减;②超载放电引起电池内部反应气体量急剧降低，造成气体饥饿现象出现，致使燃料电池出现电池反极（见图2），最终造成质子交换膜的的材料衰减和氢燃料电池的失效。

解决超载放电的方案主要从以下两方面：①开发和优化抗反极催化剂;②燃料电池电控策略中增加电池电压保护，限制并防止燃料电池出现超载放电。

3 外部环境

3.1 气体杂质

空气中的硫化物、氮氧化物等杂质气体会造成氢燃料电池中催化剂的中毒，催化剂的活化面积大大减少，燃料电池性能明显减低。

当前车辆主要通过外部净化器的过滤功能降低进气中的杂质气体，后期正在开发抗毒化催化剂解决催化剂的中毒。

3.2 低温启动

氢燃料电池低温中由于残留水分的冻结会造成催化剂的分层以及质子交换膜电极裂纹（见图3），最终造成氢燃料电池质子交换膜电极物理结构永久性的破坏。

故解决氢燃料电池冷启动的因素就在于电堆中存留的水及如何提高电堆反应前的温度。当前解决方案主要通过：①氢燃料电池停机前需要通过吹扫策略，消除电堆中残留的水分;②通过电热丝加热、气体加热、冷却热加热、催化反应放热、保温材料等措施提高电堆反应场所温度;③通过优化氢燃料电池电控逻辑，增强电堆自启动能力。

4 总结

氢燃料电池耐久性是制约氢燃料汽车普及的主要瓶颈之一，目前增强氢燃料电池的耐久性需要设计人员从整车、系统、电堆三个方面去优化，而控制策略、材料科学、部件改进等是解决耐久性的最终解决方案。

参考文献：

[1]梁霄，许思传.车用燃料电池耐久性的研究进展[J].中国科技博览，2012（03）：36-38.

[2]侯明，衣宝廉.燃料电池技术发展现状[J].电源技术， 2008，32（10）：649-651.