强化道路振动谱影响下的燃料电池电性能与气密性衰减规律

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0362

储能科学与技术 ›› 2021, Vol. 10 ›› Issue (2): 714-721.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0362

强化道路振动谱影响下的燃料电池电性能与气密性衰减规律

裴冯来(), 欧阳云瀚

上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805

收稿日期:2020-11-09 修回日期:2020-11-13 出版日期:2021-03-05 发布日期:2021-03-05
通讯作者: 裴冯来 E-mail:fenglaip@smvic.com.cn
作者简介:裴冯来（1983—），男，高级工程师，主要研究方向为新型车辆动力系统、氢燃料电池系统测评及故障诊断方法研究、数字信号处理、传感器与电子仪器、BMS测试评价研究，E-mail：fenglaip@smvic.com.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目子课题(2018YFB0105304);上海科委科研计划项目(17DZ1200700)

Fuel cell electric performance and gas tightness attenuation under influence of enhanced road vibration spectrum

Fenglai PEI(), Yunhan OUYANG

Shanghai Motor Vehicle Inspection Certification & Tech Innovation Center Co. Ltd. , Shanghai 201805, China

Received:2020-11-09 Revised:2020-11-13 Online:2021-03-05 Published:2021-03-05
Contact: Fenglai PEI E-mail:fenglaip@smvic.com.cn

摘要/Abstract

摘要：

车用燃料电池的耐久可靠性是制约商用燃料电池发展的关键问题之一。当前的燃料电池振动试验多借鉴动力电池振动谱，对燃料电池影响研究不匹配，需要分析燃料电池影响机理及设计新的试验方案。本文通过平滑及劣化处理，将典型的整车行驶工况转化振动台架加载功率密度谱。选取典型商用燃料电池电堆，进行强化振动测试。选取影响显著方向，通过270 h耐久测试模拟30000 km实车运行工况影响。试验中，通过噪声仪确认了减振器对台架振动加速度的放大作用。试验后，通过极化曲线测试、气密性测试等性能表征方法，分析了燃料电池电性能及密封性变化规律。研究表明长时间的耐久性振动使得燃料电池堆的电性能出现明显的下降，且会导致燃料电池堆内部的质子交换膜及外部的壳体封装出现不同程度的衰减。

关键词: 燃料电池, 强化振动谱, 性能衰减, 气密性衰减

Abstract:

The durability and reliability of vehicle fuel cells are key problems restricting the development of commercial fuel cells. Mostly, current fuel cell vibration tests refer to the vibrational spectrum of power batteries, which does not match those of fuel cell influence studies. Its influence mechanism is analyzed, and a novel testing program is designed. In this paper, the power density spectrum of a vibration bench is converted from a typical vehicle driving cycle through smoothing and degradation treatment. An intensified vibration test proceeded using a typical fuel cell stack. By choosing the remarkable influence direction, a 270 h endurance test is done to simulate the impact of a 30000 km actual drive cycle. During the test, an acoustic meter is used to confirm the amplifying effect of the shock absorber on vibration acceleration. After the test, the variation law of fuel cell electrical performance and the sealing property were analyzed through a polarization curve test, airtightness test, and other performance characterization methods. The research shows that long-term durability vibration attenuates fuel cell electrical performance. The inside proton exchange membrane and outer shell package of fuel cell decay to different degrees as well.

Key words: fuel cell, intensive vibrational spectrum, performance attenuation, gas tightness attenuation

中图分类号:

TM 911.42

裴冯来, 欧阳云瀚. 强化道路振动谱影响下的燃料电池电性能与气密性衰减规律[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(2): 714-721.

Fenglai PEI, Yunhan OUYANG. Fuel cell electric performance and gas tightness attenuation under influence of enhanced road vibration spectrum[J]. Energy Storage Science and Technology, 2021, 10(2): 714-721.

图/表 17

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参考文献 13

1	WANG Y, CHEN K S, MISHLER J, et al. A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research[J]. Applied Energy, 2011, 88(4): 981-1007.
2	U S Department of Energy. Fuel cell technologies office multi-year research, development, and demonstration plan [EB/OL]. https: //www.energy.gov/sites/prod/files/2017/05/f34/fcto_myrdd_fuel_cells.pdf.
3	BÉTOURNAY M C, BONNELL G, EDWARDSON E, et al. The effects of mine conditions on the performance of a PEM fuel cell[J]. Journal of Power Sources, 2004, 134(1): 80-87.
4	ROUSS V, LESAGE P, BÉGOT S, et al. Mechanical behaviour of a fuel cell stack under vibrating conditions linked to aircraft applications (I): Experimental[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(22): 6755-6765.
5	RAJALAKSHMI N, PANDIAN S, DHATHATHREYAN K S. Vibration tests on a PEM fuel cell stack usable in transportation application[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(9): 3833-3837.
6	BREZINER L, STRAHS P, HUTAPEA P. Effect of vibration on the liquid water transport of PEM fuel cells[C]//ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2009.
7	HOU Yongping, HAO Dong, SHEN Caoyuan, et al. Experimental investigation of the steady-state efficiency of fuel cell stack under strengthened road vibrating condition[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(9): 3767-3772.
8	DILOYAN G, SOBEL M, DAS K, et al. Effect of mechanical vibration on platinum particle agglomeration and growth in polymer electrolyte membrane fuel cell catalyst layers[J]. Journal of Power Sources, 2012, 214: 59-67.
9	HOU Yongping, HAO Dong, SHEN Jianping, et al. Effect of strengthened road vibration on performance degradation of PEM fuel cell stack[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41(9): 5123-5134.
10	国家技术监督局. 载货汽车试验规程: GB/T 1332—91[S]. 北京: 中国标准出版社, 1991.
	State Administration of Technical Supervision. Specification for test of truck: GB/T 1332—91[S]. Beijing: China Standard Press, 1991.
11	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 客车定型试验规程: GB/T 13043—2006[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.
	General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of China Specification for type test of passenger Cars: GB/T 13043—2006[S]. Beijing: China Standard Press, 2006.
12	李平, 童晓敏, 郝冬, 等. PEMFC极化曲线半经验模型的改进[J]. 电池, 2015, 45(4): 179-181.
	LI Ping, TONG Xiaomin, HAO Dong, et al. Semi-empirical model improving for polarization curve of PEMFC[J]. Battery Bimonthly, 2015, 45(4): 170-181.
13	国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会. 车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命耐久性测试评价方法: GB/T 38914—2020[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
	State Administration for Market Regulation, Standardization Administration of China. Test and Evaluation Method for service life and durability of automotive PROTON exchange membrane fuel cell reactors: GB/T 38914—2020[S]. Beijing: China Standard Press, 2020.

性能测试试验	性能表征试验时间安排/h
气密性试验	0,30,60,90,120,150,180,210,240,270
极化曲线试验	0,30,60,90,120,150,180,210,240,270

名称	条件
氢气相对湿度/%	45～50
空气相对湿度/%	60
氢气计量数	1.8
空气计量数	2.5
氢气入口压力/kPa	80
空气入口压力/kPa	70
冷却水出口温度/℃	65～70

电流密度/ mA·cm^-2	运行时间/s
0	20
100	90
200	90
300	90
400	90
500	90
600	90
700	90
…
步进100 mA·cm^-2	90
…
Max	90

[1]	刘长洋, 卞刘振, 郜建全, 彭继华, 彭军, 安胜利. 固体氧化物燃料电池La_0.7Sr_0.3Fe_0.9Ni_0.1O_3-_δ 对称电极的电化学性能[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2059-2065.
[2]	田辉, 华栋, 曼茂立, 刘春哲, 李国君, 张兄文. 板式固体氧化物燃料电池积碳特性实验[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(5): 1314-1321.
[3]	胡冶州, 王双, 申涛, 朱叶, 王得丽. 限域型贵金属氧还原反应电催化剂研究进展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(4): 1264-1277.
[4]	谢林翰, 李万忠, 张倩倩, 曹高萍, 邱景义, 明海, 封伟. 植物发供电技术的研究进展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(2): 442-466.
[5]	田辉, 华栋, 曼茂立, 刘春哲, 李国君, 张兄文. 板式固体氧化物燃料电池积碳特性的数值研究[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(1): 291-296.
[6]	于旺, 孙超, 齐冀, 卞刘振, 彭继华, 彭军, 安胜利. 固体氧化物电池Sr_2-_xFe_1.5Mo_0.5O_6-_δ氧电极材料的电化学性能[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 2020-2027.
[7]	李萍萍, 陈姗姗, 赵璐璐, 史明亮, 黄岩, 李初福. 整体煤气化固体氧化物燃料电池并网测试系统设计[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 2039-2045.
[8]	李志浩, 彭浩, 陈亚琴. 质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的神经网络预测模型[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 2053-2059.
[9]	韩婷婷, 吴玉玺, 解子恒, 孟秀霞, 张津津, 解玉姣, 于方永, 杨乃涛. 固体氧化物燃料电池镍基阳极积碳机理及性能提升策略研究进展[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 1931-1942.
[10]	韦守李, 李希超, 常修亮, 陈兵, 许卓, 张涛, 郑莉莉, 戴作强. 固体氧化物燃料电池双极板材料发展综述[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 1943-1951.
[11]	刘偲艳, 胡毕华. 氢燃料汽车双向DC-DC变换器改进模型预测控制[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 2046-2052.
[12]	练文超, 雷励斌, 梁波, 王超, 魏磊, 田志鹏, 刘建平, 杨华政, 梁家健, 施涛. 质子导体固体氧化物电化学装置中氨的利用与合成[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 1998-2007.
[13]	吴玉玺, 韩婷婷, 解子恒, 李琳, 宋艳雯, 梁加仓, 张津津, 于方永, 杨乃涛. 直接碳固体氧化物燃料电池研究进展：碳燃料和逆向Boudouard反应催化剂[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 1977-1986.
[14]	张博雅, 刘柏鸿, 黎远航, 刘欣, 陈乾风, 侯三英. 二元氧化物修饰催化剂的制备及其自增湿性能[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 2013-2019.
[15]	郑丽娜, 王文中, 贾凯杰, 邱少峰, 朱浩源, 于方永, 孟秀霞, 张津津, 杨乃涛. 3D打印技术在固体氧化物燃料电池领域的研究进展[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 1952-1962.

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Fuel cell electric performance and gas tightness attenuation under influence of enhanced road vibration spectrum

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