清洁能源与新能源质子交换膜燃料电池可靠性分析邵庆龙,曹广益,朱新坚(上海交通大学燃料电池研究所,上海200030摘要:可靠性是质子交换膜燃料电池(PEMFC的重要指标,文中定性分析了PEMFC组成元件、装配工艺和工作过程的可靠性。提出了提高PEMFC可靠性的措施和可靠性的设计原则。关键词:可靠性;质子交换膜燃料电池;设计原则中图分类号:TM911.4文献标识码:A文章编号:100527439(20030420145204ReliabilityAnalysisofProtonExchangeMembraneFuelCellsSHAOQing2long,CAOGuang2yi,ZHUXin2jian(InstituteoffuelcellinShanghaijiaotonguniversity,shanghai200030,ChinaAbstract:Reliabilityisaimportantcharacteristicofprotonexchangemembranefuelcells(PEMFC.ThispaperanalysesthereliabilityofPEMFCπscomponents,assemblytechnicsandoperatingprocessesindetailandintroducesthemethodsofimprovingPEMFCπsreliabilityandthecriterionofreliabilitydesignofprotonexchangemembranefuelcells.Keywords:Reliability;Protonexchangemembranefuelcells(PEMFC;Criterion随着研究的深入,对质子交换膜燃料电池(PEMFC的组成元件、结构、机理、性能、模型等在理论和应用上都取得了明显的突破,但要完全实用化,仍有许多课题有待研究,例如单电池和电堆的机理动态数学模型、电池的可靠性和寿命的提高以及电池成本的降低等。其中可靠性是PEMFC最重要指标之一,但目前有关研究文献还很少。可靠性是指产品或设备在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。产品的可靠性设计体现于它的设计、试制、生产和应用各个环节中。通常设备或产品的可靠性与其他性能是一致的,但有时也会发生冲突。可靠性设计要求在先满足可靠性的前提下尽可能提高其他性能。PEMFC系统由电堆本体、燃料循环系统、氧化剂循环系统、冷却系统、DC/DC或DC/AC转换装置及控制系统组成。本文的可靠性分析只涉及电堆本体和控制系统。1PEMFC各组成元件的可靠性电堆本体由若干个单电池组成,单电池再由双极板、阴阳电极、膜等主要元件组成。1.1膜膜在电池中充当固态电解质,起到质子交换、电子绝缘和隔离燃料气和氧化剂气体的作用。为了使膜可靠运行,其可靠性要求为:①具有良好的离子导电性,电流热损小;②水分子沿质子交换膜表面方向有足够大的扩散速度,膜的水合和脱水可逆性好,膜电阻低;③膜对氧化、还原和水解稳定,不易膨胀和收缩;④膜的表面性质适合于与催化剂结合,催化层和膜的结合牢固,接触电阻小;⑤有足够高的机械强度和结构强度;⑥具有一定的耐高温性和热稳定性。减小膜的厚度,可以降低膜电阻和提高电池性能,但会引起膜的机械强度降低、电池设计和制造困难、电池可靠性下降,可靠性要求与电池性能出现矛盾。因此在膜的可靠性设计时,应遵循在满足电池可靠性要求的条件下尽可能提高性能的原则。在PEMFC运行中,膜的主要失效形式有可恢复失效和永久性失效两种形式,前者包括膜的脱水或被淹、可恢复变形等,后者包括膜的永久性变形、开裂、粘结和机械损伤。提高膜的可靠性需采取的措施有:①进一步提?541?第24卷第4期2003年8月能源技术ENERGYTECHNOLOGYVol.24No.4Aug.2003高已有产品的可靠性[1],降低失效率;②开发性能更优、价格更低的新型质子交换膜[2];③保证膜在工作时充分满足以上可靠性要求。1.2电极阴阳电极分别由气体扩散层和催化层组成,而催化层由碳载铂PTFE和质子导体Nafion组成,它的可靠性要求为:①催化剂分布均匀且具有最大的比表面积,催化剂的利用率高,电化学反应和电流分布均匀;②催化剂有良好的长期稳定性;③催化层具有良好的导电性、疏水性和气体扩散性。催化层常见的失效原因之一是阴阳极Pt催化剂的CO中毒[3]和其他污染物的污染[4]。另一个原因是Pt催化剂稳定性的降低:由于高分散细小的Pt微粒具有较大的表面自由能,很不稳定,易于连接成片[5],电池工作中其比表面积缓慢下降,电催化性能随之降低。提高催化层可靠性可采取以下措施:①采用选择氧化的方法,降低燃料气中CO含量,或改用Pt2Ru作催化剂,或用非电化学方法处理[6],同时还要过滤其他污物;②改进催化层的结构和组成,提高Pt的稳定性;③研制性能更优,可靠性更高、价格适中的新型催化...
