PEMFC在0 ℃以下環(huán)境啟動的研究
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
當燃料電池(PEMFC)在0℃以上環(huán)境中工作時，電池中水的產(chǎn)生、流動、分布都有了許多研究，且制備工藝條件、材料特性對電池性能的影響也得到了深入研究。但是關(guān)于PEMFC在0℃以下低溫啟動及保存的研究卻很少，僅僅在最近幾年才剛剛起步。作為燃料電池汽車(FCV)應(yīng)用的一個重要的要求，是必須保持電池在0℃以下的完整性和足夠長的壽命。由于PEM-FC工作后含有大量的水，當環(huán)境溫度低于0℃時，就會對電池系統(tǒng)材料及部件造成很大的傷害。目前，許多文獻只對0℃以下自啟動進行了討論，但卻沒有考察多次啟動后的PEMFC性能的變化情況[1]，而有關(guān)PEMFC冷凍/解凍循環(huán)的研究也僅有幾個循環(huán)[2-3]，這遠低于車用電池數(shù)百次以上的要求。
針對目前研究情況，我們在-5℃和-10℃啟動研究的基礎(chǔ)上，進一步分析了低溫啟動后電池結(jié)構(gòu)的變化，為研制新型抗冰凍電池材料奠定了基礎(chǔ)。
1實驗
1.1材料及儀器
0℃以下啟動實驗在燃料電池低溫測試平臺上進行，MEA組件由加壓電極和Nafion 112膜制備，反應(yīng)氣為H2和O2。-5℃啟動及物性分析采用4 cm2的小電池，而-10℃保存及啟動采用的電極活性面積為128 cm2，雙極板為金屬復(fù)合板。
1.2冷凍循環(huán)方法
電池運行后，將氫腔、氧腔和水腔用反應(yīng)氣吹掃1 min，然后將氫和氧腔一端密閉，另一端抽真空4 min，使電池內(nèi)部相對濕度(RH)維持在3.8%左右。將電池在冷凍箱中以-10℃恒溫4 h，再室溫解凍后，在優(yōu)化條件下對電池進行評價，以上為一個循環(huán)。其實驗?zāi)康氖强疾炖鋬霰４娴挠绊憽?/P>
1.3啟動方法
在每次啟動降溫前，都要按上述方法使電池內(nèi)部維持相對濕度在3.8%左右，然后降到設(shè)定溫度恒定2 h，最后常壓啟動，測溫點在陰極側(cè)。
1.4 表征
電池在-5℃啟動前后的循環(huán)伏安(CV)和滲氫電流(hy-drogen crossover)變化，由天津市中環(huán)電子儀器公司的TD3691型恒電位儀測定，而電化學(xué)阻抗(EIS)的大小，則由日本菊水(ⅪKUSUI)電子公司的FC IMPEDANCE METER KFM 2030來表征。
1.5 0℃以下啟動實驗平臺
圖1左邊的裝置為燃料電池評價臺，而右邊的為低溫實驗箱。將兩個裝置組合在一起就構(gòu)成了0℃以下啟動的實驗平臺。
2 結(jié)果與討論
2.1 50次冷凍/解凍循環(huán)后的性能變化
圖2為PEMFC在-10℃經(jīng)過50次冷凍/解凍循環(huán)后的性能變化。由圖2可見，在電流密度(J)分別為500 mA/cm2和800 mA/cm2時，電壓變化趨勢大致相同，都是在一定的電壓下小幅度波動，最后逐漸趨于平緩。由計算得，在500mA/cm2和800 mA/cm2的衰減率分別為-0.18 mV/次和0mv/次，即電池性能沒有發(fā)生變化。這說明，當電池相對濕度控制在3.8%左右時，可以有效地保護電池關(guān)鍵組件的完整性，能夠滿足：PEMFC在-10℃保存的要求。
2.2 -5℃自啟動
圖3給出了電池在-5℃自啟動時的伏安及溫度變化曲線，恒電壓0.4 V啟動。如圖3所示，隨著反應(yīng)進行，電流密度逐漸增加，電池溫度也隨之升高，當溫度接近0℃時，提高電壓，使電池穩(wěn)定運行?？梢钥闯?，電池在-5℃能夠順利啟動。
2.3 -10℃自啟動
如圖4所示，在-10℃恒電壓0.3 V啟動時，J瞬間達到330 mA/cm2，然后又立刻降低到280 mA/cm2。隨著電池生成水的增加，性能也逐漸變好。啟動過程中電池溫度一直在升高，最后達到0℃。由圖4發(fā)現(xiàn)，電池啟動瞬間，電流突然降低，這是由于電池溫度開始很低，生成的水在MEA催化層和擴散層的一部分微孔中結(jié)冰，占據(jù)了部分氣體通道，阻塞反應(yīng)氣進入催化劑活性位，使電池處于暫時"饑餓"狀態(tài)，圖10中的-10℃孔結(jié)構(gòu)增大正好驗證了這一點。隨著電池溫度的升高，電化學(xué)反應(yīng)速度增加，冰逐漸融化且水量也增多，電池性能逐漸變好。
2.4 -5℃啟動后電池物性的變化
為考察-5℃啟動對電池各方面性能的影響，如電極的活性面積、膜電極(MEA)各層間接觸電阻及Nafion膜滲透率的變化，分別在-5℃啟動前后，對電池進行循環(huán)伏安(CV)、電化學(xué)阻抗譜(EIS)以及滲氫電流的表征。
2.4.1對極化曲線的影響
圖5給出了電池-5℃啟動前后的極化曲線。如圖5所示，前幾次啟動電池性能變化很小，但第5次和第7次性能卻衰減了約50%。由于第5次和第7次在啟動時，電池漏氣，使電池吹掃時間過長，使得電池開路高頻電阻(HFR)較高，第5次約為1Ω
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