燃料电池衰减机理及寿命快速提升评价研究

High cost and poor durability of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) are the major barriers of being accepted as a commercially viable product. PEMFC must use low platinum loading (such as 0.1~0.2gPt/kW) to reduce the cost of fuel cells, but lower platinum will affect the durability of fuel cells. However, the dynamic behaviors and degradation mechanisms of low platinum loading PEMFC are the lack of adequate research. This research group has studied the degradation mechanisms of high platinum loading single cell under startup and shutdown conditions in the past years, and proposed a discharge strategy in shutdown process to mitigate performance degradation substantially. Based on the previous work, this project will build fuel cell online evaluation system to research the dynamic behaviors and distribution characteristics of the cell and the stack. The effect of electrode platinum content on fuel cell lifetime will be investigated and the degradation mechanisms of low platinum content fuel cells under dynamic conditions will be analyzed. A multi-scale and multi-factor fuel cell life prediction model will be established, and the accelerated stress test protocols for fuel cell lifetime will be developed. This project will provide the theoretical foundation and technological support of prolonging lifetime of the PEMFC with the low platinum content.

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的寿命与成本已成为制约其商业化的主要瓶颈。为了降低成本，PEMFC必须使用低铂担量催化剂（如0.1~0.2gPt/kW），但铂担量的减少同时也会降低电池寿命，目前，对低铂担量的PEMFC动态工况下的寿命衰减机理还缺乏充分研究。项目组前期初步研究了高铂担量的单电池在启动、停车时的衰减机理，提出的停车放电策略可大幅减缓频繁停车造成的性能衰减。本项目将在前期工作的基础上，通过建立燃料电池的在线评价体系，研究PEMFC单池、电堆的动态行为与分布特性，剖析低铂担量对电池寿命的影响机制，揭示低铂电池与电堆在动态工况下的性能衰减机理；通过建立多尺度、多因素影响的寿命预测模型，探索电池寿命的快速评价方法，为开发具有长寿命的低铂PEMFC提供理论指导和技术支撑。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的寿命与成本已成为制约其商业化的主要瓶颈。为了降低成本，PEMFC必须降低催化剂铂用量（如0.1~0.2gPt/kW），但铂用量的减少同时也会降低电池寿命，目前，对低铂担量的PEMFC动态工况下的寿命衰减机理还缺乏充分研究。本项目在团队（中科院大连化物所、南京大学、北京科学大学）已有的工作基础上，建立了燃料电池单电池温度、电压、电流、催化剂等方面分布特性的在线评价体系，开展了不同排水方式下PEMFC动态特性研究，剖析了排水方式对动态工况衰减过程的影响机理；探明了动态工况下PEMFC 单电池内部以及电堆各节之间的电场分布、气体分布、液体分布情况，分析了动态工况下的分布特性对电堆一致性的影响以及给关键材料与部件结构带来的损伤；开展了低Pt催化剂衰减机理研究，低铂膜电极研究衰减机理，动态工况下铂催化剂担量对电池性能衰减的影响研究;从材料、部件到电池不同层面揭示了低铂燃料电池在动态工况下的衰减机理以及电堆衰减的分布特性，针对电堆衰减过程提出有效的控制策略，进而建立了电池寿命的预测模型及快速评价方法。基于上述衰减机理研究，进一步对膜电极和电堆进行了寿命测试，所开发的氢空膜电极寿命超过1万小时，5kW级氢氧电堆寿命超过5000小时。基于膜电极制备工艺开发了膜电极中试线和卷对卷工艺。通过技术转化建成了国内首套自主知识产权的金属双极板燃料电池电堆自动化生产线，产品成功下线，电堆比功率3.0 kW/L，达到国际先进水平，实现在氢能公交、物流车等的商业化应用。