摘要
作为车载动力源，质子交换膜燃料电池是最具前景的新能源技术之一，耐久性制约了其大规模应用。质子交换膜燃料电池的耐久性是近些年研究的热点之一，采用加速工况进行加速应力测试是研究质子交换膜燃料电池耐久性的最常用且有效的方法之一。因此，本文着重基于工况设计对质子交换膜燃料电池堆耐久性进行了试验和建模仿真。 首先，基于质子交换膜燃料电池公交车运行数据，制定基准工况，对12片组成的3kW燃料电池堆进行了耐久性试验。150循环后，燃料电池堆的衰退百分比为1.42%，衰退率为6.45×10-4V/h。文中对燃料电池堆的运行条件变化、电压响应、极化曲线和均一性进行了详细分析，结果表明：燃料电池堆的性能和均一性在前50循环衰退较大，后100循环衰退减缓，部分单电池性能较差是均一性下降的主要原因。此外，根据电化学表征结果，膜电极的中间区域和氢气进口区域衰退较小，而氢气出口区域衰退明显。 其次，设计了不同加速工况进行燃料电池堆耐久性试验，探究不同加速工况对燃料电池堆衰退的影响。在1000个1号加速工况循环后，燃料电池堆的性能衰退百分比为2.71%，性能衰退率为1.79×10-4V/h。在150循环时，燃料电池堆在加速工况耐久性试验下的衰退程度要大于基准工况耐久性试验下的衰退程度。燃料电池堆在250循环前衰退较快，在250循环后衰退很小。通过对试验数据的分析，发现高湿度使得燃料电池堆在加载过程的电压降减小，有助于延缓燃料电池堆衰退。间断测试会使得燃料电池堆产生电压恢复现象。2号加速工况耐久性试验与3号加速工况耐久性试验分别进行了100h，对比1号加速工况900-1000h的性能衰退百分比和性能衰退率，2号加速工况和3号加速工况对燃料电池堆起到二次加速的作用。将燃料电池堆的升降载速率从25A/s升至50A/s能够加速燃料电池堆的衰退，但加速衰退的幅度并不大。 最后，将试验数据和仿真模拟相结合，建立了2D燃料电池堆衰退模型，该模型主要考虑了燃料电池堆铂粒子溶解衰退和质子交换膜衰退两种衰退机理。仿真结果与试验数据吻合较好，活性比表面积的减少是燃料电池堆衰退最重要的因素，燃料电池堆在4200个1号加速工况后失效。此外，利用2D燃料电池堆衰退模型堆模拟不同工况燃料电池堆的衰退后性能，结果表明，仿真结果能够与试验数据相吻合，证明了该衰退模型可以模拟燃料电池堆在不同工况后衰退的性能。
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