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西南交通大学张雪霞、黄平 等：动态机车工况下质子交换膜燃料电池电堆衰退性能分析
阅读提示：本文约 1600 字
作为氢能燃料电池机车主动力源，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)电堆性能衰退受牵引／制动、变载、惰行等运行工况影响，且电堆内部各单片电池性能不一致性也会加速其衰退。因此，掌握动态机车工况下PEMFC的衰退特性，可以为PEMFC健康管理提供理论指导。
团队介绍
张雪霞
西南交通大学电气工程学院，副教授，博士生导师，研究方向为电力系统及其自动化、燃料电池技术与应用、锂电池技术与应用。围绕机车用大功率燃料电池健康状态评估、故障诊断、故障预测、寿命预测、耐久性分析及老化机理建模、容错控制、流场设计、催化剂制备等方面开展了系统研究，本文工作是其中的一部分。
黄平
西南交通大学电气工程学院，硕士研究生，研究方向为燃料电池技术及应用。
蒋宇
西南交通大学电气工程学院，博士研究生，研究方向为燃料电池健康管理技术及应用。
陈维荣
西南交通大学电气工程学院，教授，博士生导师，研究方向为电力系统及其自动化、燃料电池技术及应用。
研究背景
在“双碳”目标的推动下，轨道交通作为用能大户，PEMFC机车的推广应用成为绿色、低碳轨道交通发展的重要方向。然而，主动力源PEMFC耐久性低是制约PEMFC机车商业推广的最具挑战的卡脖子问题。当前，延长机车用大功率PEMFC使用寿命，提高系统的耐久性是推动中国氢能绿色轨道交通应用的亟需。
本文以提升机车用大功率 PEMFC 的耐久性为研究背景，尝试探索动态机车工况下PEMFC电堆衰退特性，从电堆内各单片不一致性视角厘清各极化过程受衰退影响的变化趋势，为PEMFC健康管理领域研究提供借鉴。
论文所解决的问题及意义
PEMFC寿命受运行工况影响，如相同的PEMFC运行在恒流的稳态工况下，其寿命能达到上万小时，而在动态工况下的寿命仅有上千小时。考虑到机车用PEMFC在牵引／制动、高功率运行、惰行等周期性动态运行的工况特点，同时电堆内不同位置处各单片电池的性能不一致性对PEMFC的寿命产生影响，有必要探究动态机车工况下PEMFC电堆的衰退性能。
针对动态机车工况下PEMFC电堆内部衰退性能分析难的问题，利用弛豫时间分布(Distribution of Relaxation Time，DRT)分析5kW PEMFC电堆内部不同单片电池的衰退特性。该方法能够有效分析电堆内不同单片电池各极化过程随老化时间的变化趋势，并通过极化曲线、电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)、等效电路模型(Equivalent Circuit Model，ECM)等手段验证了该方法的有效性。
论文方法及创新点
本文利用极化曲线、ECM、DRT方法实现对PEMFC电堆由外特性到内特性的衰退分析。
由极化曲线分析可知，PEMFC电堆不同单片电池的衰退外特性趋势不一致。电池1(电堆前端)在110-220h期间的性能衰退最严重；电池20(电堆中间)性能衰退逐渐加重；电池40(电堆末端)在220-330h期间衰退最严重，且由于所处位置，0h未完全活化，导致110h输出性能优于110h。
图1 不同时间下电池1(a)、电池20(b)和电池40(c)的极化曲线
由等效电路模型分析可知，3片电池的氧气还原反应极化过程占据主导，且随时间逐渐增加。且220h后，质子传输极化过程阻碍逐渐增加，导致EIS高频段出现明显的小圆弧。
图2 不同时间下电池1(a)、电池20(b)和电池40(c)的EIS及其拟合曲线
由弛豫时间分布分析可知，3片电池的DRT曲线主要由4个波峰(P1、P2、P3和P4)组成。P2表征氧气还原反应极化过程，占据主导且随时间逐渐增加。P1表征质量传输极化过程，受气体扩散层影响。P3、P4表征质子传输极化过程，受质子交换膜影响。
图3 不同时间下电池1(a)、电池20(b)和电池40(c)的DRT
结论
本文结合极化曲线、ECM和DRT方法，对动态机车工况下PEMFC电堆第1、20、40片电池在0h、110h、220h及330h的衰退性能进行分析。
结果表明，电堆各单片电池的阴极极化过程占主导，但电堆不同位置电池的衰退趋势呈现明显的不一致性。电堆入口的电池1在110-220h期间衰退速率最快，电堆中部的电池20衰退速率逐渐加快，电堆出口电池40在220-330h期间衰退速率最快。特别地，由于电堆出口可能的供气不足，导致电池40在初始时未完全活化，活化损耗较大。从极化曲线可以看到，该电池在欧姆区110h的输出性能好于220h的性能。
通过三种方法对PEMFC电堆的衰退性能分析能全面地分析其衰退趋势，为PEMFC的健康状态管理及寿命预测提供依据。
以上研究成果发表在《电工技术学报》，中国知网网络首发。本课题得到了国家自然科学基金青年科学基金项目、四川省重点研究开发计划、四川省科技计划项目应用基础研究、磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室2018年度开放课题项目资助项目的支持。
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