discussions on 燃料电池电堆中各节单电池和电堆整体对操作条件变化的敏感性模式

电化学能源科学与技术 2022-08-23

燃料电池电池能源

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燃料电池一致性:是指统一规格的燃料电池单电池组成电堆后,每个单电池的电压及其衰退率、内阻及其变化率、受温度等外部环境影响等参数存在一定的差别。主要的来源表现在几个方面:

①在制造过程差异引起的单电池原始差异:由于工艺上的问题和材质的不均匀,使得电极质膜厚、电催化活性物质的活化程度和厚度、微孔率、双极板尺寸等存在微小的差别,同一批次出厂、不同批次出厂的同一规格的燃料电池单电池的极化性能、内阻等参数不完全一致。制造过程中存在诸多参数,哪些参数是关键控制参数,需要严格控制,哪些参数是非关键控制参数,需要识别和判断。如文献丰田第一代Mirai燃料电池电堆制造工程技术简介(精确控制间歇式狭缝涂布、电极无皱纹转移过程、极板表面处理与快拆测试工装)、丰田第二代Mirai燃料电池电堆制造工程技术简介(堆、催化层、膜电极、电池制造过程、异物检测、外观检测、缩短活化过程)、缺陷工程。

②在装车使用时的环境差异引起的单电池差异:由于燃料电池电堆中各个单电池的温度分布、应力分布、渗氢速率等差别的影响,在一定程度上逐渐增加了单电池的开路电压、活化极化、欧姆极化及传质极化等参数的不一致性。如文献电-电混合动力燃料电池公交车燃料电池系统衰减现象分析、燃料电池加速耐久测试失效分析:失效节位置、膜电极失效位置、内阻、催化剂粒径、电化学表面积、开路电压、亲疏水性规律[失效分析其四]、金属双极板燃料电池短堆2000hr耐久性测试和失效分析、250小时强化道路振动对燃料电池气密性、极化性能、OCV、均一性、阻抗状态的影响和失效位置规律所示,特异性位置失效需要密切关注,根据具体失效原因进行针对性改进。

③在一个燃料电池电堆中,各个单电池所处的位置不同,可能在初始性能测试时就表现出针对于特异性位置处的各节电压差异,如本日文章和电-电混合动力燃料电池公交车燃料电池系统衰减现象分析所示,在电堆的两侧性能高中间性能低,这个问题需要在进行单体设计时就通过设计进行避免。

需要区分哪些失效是质量问题,单独、少数无规则的失效,哪些失效是设计问题,批量、集中区域的失效。

本日文章的亮点是说明每个材料、设计不同会让燃料电池电堆与单电池的敏感性不同,有些操作条件会让均一性不变,但整体性能提升;有些操作条件会让均一性变差,整体性能提升;有些操作条件对均一性和整体性能无作用;有些操作条件对均一性和整体性能同步提升。但需要判断文献报道的内容是否具有通用性。

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