水冷型质子交换膜燃料电池限制高电位策略研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有工作温度低、噪声小、功率密度高、启动速度快、能量效率高、动态性能优越、环境友好等优点,逐渐引起了人们的广泛关注,并且是未来新能源应用的重要方向。在PEMFC高速发展并逐步商业化的今天,PEMFC电堆的性能和使用寿命阻碍着其大规模应用,影响电堆性能和使用寿命的因素众多,其中电堆运行过程中出现的高电位是造成电堆性能衰减的主要因素。在高电位存在的条件下,碳载体材料容易被氧化腐蚀,生成C02、CO等气体,从而减弱Pt颗粒与碳载体的结合力,使得Pt颗粒脱落,最终导致Pt颗粒在电解质中溶解,严重影响膜电极的催化性能。因此,本文针对大功率水冷型燃料电池运行过程中出现的高电位进行研究对于延长电堆的使用寿命具有重要意义。本文首先基于大功率水冷型燃料电池稳定运行所需的辅机环境,设计和搭建了多功能PEMFC测试平台,详细介绍了平台系统的各个子结构并对关键设备进行了选型;根据燃料电池电堆启动、自动运行以及停机流程,以USB7635BD数据采集卡作为通信枢纽,基于LabVIEW编程语言设计了测试平台的控制软件,通过上位机实现测试所需各种操作参数的设置,以及实时监测电堆的运行状态。其次,对最容易出现高电位的启动和停机工况进行了详细研究,分析了启动和停机导致电堆性能衰减的根本原因,并且对本文所用的大功率水冷型燃料电池进行启动和停机实验研究,提出适合的启动和停机策略来限制出现的高电位,极大的减少启动和停机对电堆性能的损害。最后,针对大功率水冷型燃料电池系统在一系列完整工况运行时出现的高电位,以及停机时残余气体的均匀消耗等问题,创新性的提出将电热丝放置在冷却水支路水箱中,将此电热丝作为保护电阻。该控制策略可在启动时使电堆快速度过高电位阶段,停机时迅速均匀的消耗残余气体,并且在低负载输出时,可明显延长电堆的低载运行时间,减少不必要的启停次数。在车载燃料电池系统辅机环境已经非常冗余的情况下,该研究可以简单有效的解决电堆运行过程中出现的高电位问题,对于实际应用具有重要的指导意义。