随着国内燃料电池产业化发展逐步走入正轨，PEMFC的各项技术也随之不断成熟，但PEMFC的耐久性问题，仍然是全业内仍需解决的技术难题之一。
新源动力二十年来，针对解决燃料电池耐久性问题做了大量的研究工作。通过系统化的耐久性测试验证，确定了影响燃料电池耐久性的主要因素，针对这一技术问题，在这里跟大家做一个分享。
质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)能将氢燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能，是一种环保和高效的发电方式，特别是在零排放交通动力应用方面具有极其诱人的前景。
PEMFC的发展历史起源于20世纪60年代初美国的通用电气公司为美国宇航局（NASA）研制的空间电源，采用的是1kW的PEMFC作为双子星座宇宙飞船的辅助电源。尽管PEMFC 的性能表现良好, 但其在耐久性方面存在许多问题, 如聚苯乙烯磺酸膜的稳定性较差, 寿命仅为500h左右等。因此在以后的Apollo计划等空间应用中，NASA选用了当时技术比较成熟的碱性燃料电池, 使得PEMFC技术的研究开发工作一度处于低谷。
在随后的几十年中，经过全球持续不断的研发，PEMFC技术已取得重大进展，燃料电池汽车得以在世界各地示范运行。大规模的示范运行表明，燃料电池汽车的使用方式与传统燃油车相近，性能已经接近传统燃油车的水平，丰田、本田、现代等车企相继推出燃料电池汽车。
虽然通过全球燃料电池行业工作者的努力，车用PEMFC技术取得了很大成就，但仍然无法满足大规模商业化推广的需求，尤其在耐久性和成本方面与内燃机汽车仍存在较大差距。当前车用PEMFC技术指标与现状如表1所示。
为促进燃料电池汽车的大规模商业化，进一步提高燃料电池的耐久性是当务之急。车用燃料电池的寿命问题涉及面广，挑战大，是当前燃料电池汽车产业化的棘手问题，已经引起了广泛关注。
作为国内第一家致力于燃料电池产业化的股份制企业，新源动力在近20年的发展过程中针对解决燃料电池耐久性问题做了大量的研究工作。通过系统化的耐久性测试验证，我们确定了影响燃料电池耐久性的主要因素，包括电堆设计、运行条件和系统控制策略三个方面。
电堆设计主要包含关键零部件（膜电极组件和双极板等）设计和电堆结构设计两部分。
膜电极组件（MEA）是燃料电池的核心部件，是PEMFC的电化学反应场所，直接决定了PEMFC的发电性能。MEA主要由催化层（催化剂和离子聚合物）、质子交换膜和气体扩散层三部分组成。在PEMFC运行过程中，MEA中任何一种关键材料的衰减和次结构的变化都会直接导致燃料电池性能降低。
双极板是燃料电池的重要部件，主要起到分隔燃料、冷却剂与氧化剂，收集和传导电流，将气体均匀分配并传输到MEA表面进行电化学反应，排出电堆内部产生多余热量和水等作用。双极板结构或表面状态的改变必然导致燃料电池性能发生相应的变化。尤其需要特别指出的是，当双极板选用金属材料作为基材时，其耐腐蚀性对提升燃料电池耐久性显得尤为重要，因为金属双极板发生腐蚀后不仅会导致接触电阻升高，而且其析出的金属离子还会加速MEA的衰减。
电堆结构设计包括歧管、端板、集流板、密封件和紧固件等电堆结构辅助部件的设计和整体匹配设计。电堆结构设计的目的主要在于维持三腔流体分布、温度分布和组装力分布的均匀以及气密性的稳定，并尽量减小各单节之间的差异。如果各单节间流体分布、温度分布或组装力分布差异过大，则其在运行过程中衰减速率会表现出明显差异，而整个电堆的耐久性将受制于衰减速率最快的单节。
车辆运行环境的复杂性决定了PEMFC运行条件的多样性。
在长期的耐久性测试验证过程中，我们发现操作条件、运行工况、气体杂质和一些特殊的极端条件（如低温启动、氢气或空气欠气等）等均会对燃料电池耐久性产生影响。在PEMFC正常运行过程中，频繁变载和启停是导致燃料电池性能衰减的主要原因。
频繁变载对PEMFC耐久性的影响，一方面在于电流载荷的瞬态变化会引起反应气体压力、温度和湿度等的频繁波动，从而加速关键材料或部件结构的机械性能衰减；另一方面在于电流载荷的变化会引起电极电位变化，进而导致关键材料发生化学衰减，如催化剂Pt的溶解与团聚、碳的腐蚀和离子聚合物降解等。
启停过程对PEMFC耐久性的影响，主要在于在启动或停车瞬间阳极侧易形成氢空界面，导致阴极高电位的产生，瞬间局部电位可以达到1.5V以上，引起碳载体腐蚀。
PEMFC电堆无法单独输出电能，需要匹配相应的系统辅助部件（含燃料供给系统、空气供给系统、热管理系统、能量管理系统和动力控制系统等），此时系统控制策略显得尤为重要。良好的系统控制策略可以保证电堆运行在相对温和的条件下，从而有效提高燃料电池耐久性。现有系统控制策略主要包括水管理、热管理、能量管理和启停控制等方面。
PEMFC在输出电能的同时会产生热量和水，充足的水分是维持质子交换膜传导质子能力的关键，而过量的水分又会导致MEA发生“水淹”从而阻碍气体传质；适当提高温度可以缓解电堆“水淹”现象并提高性能，过高的温度又会加速PEMFC性能衰减且伴有一定的安全性问题。
PEMFC中水管理和热管理是紧密相关互相耦合的，优化系统控制策略从而通过系统零部件实现对PEMFC运行过程中产生的水和热的有效管理，对提高燃料电池性能和耐久性起着至关重要的作用。
PEMFC的能量管理系统主要包含动力电池、超级电容和DC/DC变换器等部件。由于频繁变载会加速PEMFC性能衰减，我们可以从能量管理系统方面进行系统控制策略优化，如降低变载频率、变载速率和变载幅度等，从而有效延长PEMFC耐久性。
启停过程形成的氢空界面会导致阴极催化剂发生大幅衰减。因此，采用合适的系统控制策略来防止PEMFC 催化剂的衰减是非常有必要的。这些策略主要包括控制反应气体湿度，控制气体供给与关闭顺序，限制高电位运行，关机后使用外接负载消耗残留气体以及优化系统关机吹扫策略等几种。
正是基于以上认识，有针对性地对燃料电池产品进行设计优化，新源动力研发的HYMOD®-36燃料电池电堆产品于2018年成功突破车用工况耐久性难关，经过7500h测试后性能衰减10%左右，成为我国首例自主研发的超越5000h耐久性的燃料电池产品。
新源动力面向汽车工业需求，不断研发性能更优异、耐久性更高、成本更低廉的新一代燃料电池产品。燃料电池产业化路漫漫其修远兮，新源动力希望携手燃料电池产业链上下游企业攻坚克难，为中国氢能燃料电池技术产业化应用引领新路径！
文案：李光伟
编辑：孙婷婷
原文始发于微信公众号（新源动力）：技术专题 | 说说PEMFC耐久性的那些事儿
艾邦氢能产业链通讯录，目前有2200人加入，如亿华通、清极能源、氢蓝时代、雄韬、氢牛、氢璞、爱德曼、氢晨、喜马拉雅、明天氢能、康明斯、新源动力、巴拉德、现代汽车、神力科技、中船712等等，可以按照标签筛选，请点击下方关键词试试
资料下载：