天能氫電徐淳川：PEM燃料電池降解的主要因素和AST測(cè)試探索

2022-12-17 來(lái)源：高工氫電 瀏覽數(shù)：507

“質(zhì)子交換膜的化學(xué)分解和機(jī)械疲勞損傷、催化劑降解/碳支持體的氧化和腐蝕、金屬雙極板的氧化和腐蝕是當(dāng)前影響汽車燃料電池壽命的主要難題。針對(duì)電堆降解的主要因素和檢測(cè)結(jié)果，天能氫電開(kāi)發(fā)出了包含物理的和化學(xué)的綜合降解因素短堆AST（Accelerated Stress Test，加速應(yīng)力試驗(yàn)）循環(huán)方案，從而對(duì)比得到更優(yōu)良的電堆設(shè)計(jì)。” 天能氫電首席氫能技術(shù)專家徐淳川博士在2022高工氫電年會(huì)上演講時(shí)表示。

  “質(zhì)子交換膜的化學(xué)分解和機(jī)械疲勞損傷、催化劑降解/碳支持體的氧化和腐蝕、金屬雙極板的氧化和腐蝕是當(dāng)前影響汽車燃料電池壽命的主要難題。針對(duì)電堆降解的主要因素和檢測(cè)結(jié)果，天能氫電開(kāi)發(fā)出了包含物理的和化學(xué)的綜合降解因素短堆AST（Accelerated Stress Test，加速應(yīng)力試驗(yàn)）循環(huán)方案，從而對(duì)比得到更優(yōu)良的電堆設(shè)計(jì)。” 天能氫電首席氫能技術(shù)專家徐淳川博士在2022高工氫電年會(huì)上演講時(shí)表示。

 

更高效率、更長(zhǎng)壽命及更低成本是當(dāng)前燃料電池發(fā)展的終極目標(biāo)。天能氫電依托天能集團(tuán)在綠色能源系統(tǒng)解決方案領(lǐng)域三十多年的創(chuàng)新發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，正深入研究和解決關(guān)鍵材料失效，影響燃料電池壽命的主要難題。

 

針對(duì)質(zhì)子交換膜的化學(xué)分解及機(jī)械疲勞損傷方面，由于其主要材質(zhì)是全氟磺酸樹(shù)脂，骨架是四氟乙烯，在工作的時(shí)候有大量的雙氧水產(chǎn)生，因?yàn)橛写呋瘎谧兓臅r(shí)候會(huì)導(dǎo)雙氧水分解變成自由基，自由基有強(qiáng)烈的腐蝕作用，就像一把剪刀會(huì)把磺酸基氟的連接剪斷析出氟離子。

 

“我們通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)分析，這個(gè)氟離子的降解導(dǎo)致膜的破損，膜因水合狀態(tài)而循環(huán)膨脹收縮引起機(jī)械應(yīng)力，化學(xué)分解與機(jī)械應(yīng)力的結(jié)合加速了膜裂紋的形成，造成了質(zhì)子交換膜的失效。”徐淳川解釋道。

 

催化劑降解/碳支持體的氧化和腐蝕方面，正常工作的陰極和陽(yáng)極是氫氣在陽(yáng)極空氣在陰極，還原反應(yīng)發(fā)生在陰極，燃料電池在停機(jī)以后，氫氣和空氣兩邊會(huì)互相的擴(kuò)散，如果有空氣在陽(yáng)極，啟動(dòng)的時(shí)候，空氣進(jìn)來(lái)本身就在陽(yáng)極形成了一個(gè)差，如果空氣仍然在陰極電位會(huì)提高高于OCV的情況1.2V以上，這個(gè)對(duì)催化劑的腐蝕和碳腐蝕嚴(yán)重，催化劑也會(huì)降解，這個(gè)就比較嚴(yán)重的破壞催化層。

 

金屬雙極板的氧化和腐蝕方面，主要來(lái)源于應(yīng)力腐蝕，以及化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕。應(yīng)力腐蝕是指在沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)致的應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生位錯(cuò)、空位、晶界等；化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕主要有縫隙腐蝕與點(diǎn)腐蝕，主要發(fā)生場(chǎng)所是表面的顆粒、附著物、夾雜物及金屬間化合物。

 

面對(duì)上述問(wèn)題，當(dāng)前在電堆開(kāi)發(fā)中主要從新材料的開(kāi)發(fā)、保護(hù)性添加劑和防腐導(dǎo)電涂層、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高電堆的動(dòng)態(tài)精確控制等解決方案進(jìn)行優(yōu)化。

 

 

天能氫電針對(duì)多次實(shí)驗(yàn)分析，得到的電堆主要失效模式，降解因素和檢測(cè)，可以看到失效最嚴(yán)重的原因是由于膜的破損，其次是催化劑，以及催化劑的支持體是控制因素導(dǎo)致降解的最主要的因素。

 

“為此我們?cè)O(shè)計(jì)一種比較好的檢查電堆壽命的測(cè)試方法——包含物理的和化學(xué)的綜合降解因素短堆AST循環(huán)方案，這個(gè)方法不是預(yù)測(cè)電堆壽命，而是比較在不同的設(shè)計(jì)和材料的情況下，哪一種電堆壽命更長(zhǎng)一些，通過(guò)這樣的測(cè)試我們可以比較選出比較優(yōu)良的設(shè)計(jì)方案。”徐淳川表示。

 

本著對(duì)技術(shù)的極致追究和一絲不茍的研發(fā)態(tài)度，天能氫電在氫能行業(yè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了5年的發(fā)展，現(xiàn)已聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家主流車企開(kāi)發(fā)了多款各領(lǐng)域應(yīng)用的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，擁有T60（60kW）、T80（80kW）、T120（120kW）等多種型號(hào)的燃料電池系統(tǒng)，電壓范疇380C-750V，運(yùn)行環(huán)境溫度-30℃-50℃，設(shè)計(jì)壽命15000h，具有耐用、耐低溫、高安全等級(jí)等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于客車及重卡等場(chǎng)景。

 

天能氫電擁有全套氫燃料電池電堆、原材料試驗(yàn)、檢測(cè)設(shè)備，引進(jìn)日本、美國(guó)的氫燃料電池領(lǐng)軍人才與技術(shù)，目前已突破多項(xiàng)關(guān)鍵核心材料及電堆的核心技術(shù)，獲得專利30余項(xiàng)，并形成雙極板液態(tài)水分布、電流密度分布、流場(chǎng)氣體阻力、發(fā)熱分布、電池的IV特性等一套迭代設(shè)計(jì)流程；開(kāi)發(fā)試制鉑碳催化劑超過(guò)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)領(lǐng)先水平。

 

接下來(lái)，天能氫電將以電堆為核心，提升系統(tǒng)性價(jià)比；以系統(tǒng)為抓手，推動(dòng)自產(chǎn)電堆商業(yè)化應(yīng)用。

 

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