低温环境下PEM电池中水结晶动力学特征及相变诱发微结构破坏

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
21676207
项目类别：
面上项目
资助金额：
64.0万
负责人：
詹志刚
依托单位：
武汉理工大学
学科分类：
B0809.光化学与电化学工程
结题年份：
2020
批准年份：
2016
项目状态：
已结题
起止时间：
2017-01-01 至2020-12-31

项目参与者：
宛朝辉；陈奔；陈亚男；傅凯林；吴凡；冯军；帅露；何晓波；张洪凯；
关键词：
诱发时间过冷度结晶动力学膜电极燃料电池

项目摘要

The storage and cold start performance and duriability of PEMFC under subzero temperature has been a bottleneck blocking the industrial application of fuel cell technology. It has been shown by some researchers that water in MEA can exist in liquid state for a long time under subzero temperature, this will be significant for improving cold stard-up performance and duriability of PEMFC. This program focuses on following work: the ice-crystallization kinetics of liquid water in MEA, such as freezing point depression, induction time, etc. and their relationship with microstructure and material composition of MEA; the initiaton, growth and distribution of ice lens in MEA; the induction stress of ice and micro-pore structure damage in MEA; and the ice-crystallization kinetics measurement, the cold start performance test; and MEA characterization before and after test, so as to verify theoretical calculation results, Consequently an optimized control strategy for the storage and cold start of PEMFC to improve the cold start performance and duriability.

低温环境下PEM电池的储存/启动性能及耐久性成为制约其商业化应用的主要因素之一。MEA微观结构及材料特性可能使其中的水在低温环境下以液态形式较长时间存在，这对于提升PEM电池的低温储存/启动性能具有重要意义。本项目研究MEA中液态水结晶时水的过冷度、诱发时间等结晶动力学特征以及与MEA微结构及材料组份的关联关系，进而研究冰晶生长及分布、结冰诱发MEA微孔应力及微结构破坏，并进行低温存储与启动过程中水相变行为、电池性能及MEA微结构变化的实验观测，对理论研究进行验证，最终为PEM燃料电池低温存储/启动控制策略的优化提供理论依据，以降低启动能耗、缩短启动时间、提升耐久性。

结项摘要

低温环境下PEM电池的储存/启动性能及耐久性成为制约其商业化应用的主要因素之一。MEA微观结构及材料特性可能使其中的水在低温环境下以液态形式较长时间存在，这对于提升PEM电池的低温储存/启动性能具有重要意义。本项目计划研究MEA中液态水结晶时水的过冷度、诱发时间等结晶动力学特征以及与MEA微结构及材料组份的关联关系，进而研究冰晶生长及分布、结冰诱发MEA微孔应力及微结构破坏，并进行低温存储与启动过程中水相变行为、电池性能及MEA微结构变化的实验观测，对理论研究进行验证，最终为PEM燃料电池低温存储/启动控制策略的优化提供理论依据。.首先基于异相成核理论，对低温环境下MEA水的结晶动力学特征参数进行了理论计算，同时利用DSC测试了GDL、MPL以及CL水的结晶动力学参数的实验测试。获得了过冷液态水、过冷度、结晶诱发时间等相关参数数值，认为-20°C及以上温度启动时，水结晶的诱导时间如被有效利用，可以提升启动性能，而-30°C启动时，诱导时间可以被忽略。通过模拟仿真揭示了受过冷水结晶诱发时间控制下PEM电池低温储存/启动过程中MEA冰相饱和度分布规律、对MEA微结构和电池启动性能的影响；重构了真实催化层三维结构并模拟了其中孔尺度的传输现象及电化学过程；模拟了冷启动过程中MEA因结冰引发的机械应力并分析了其可能的破坏作用，-20°C低温启动失败时，如冰膨胀率为5％，CL中冰饱和度0.7，则范式应力为5MPa，冰饱和度0.9时应力达到15MPa，极可能造成MEA的破坏。基于这些研究结果，制定了优化的电池低温启动控制策略，并进行实验验证，成功实现了电堆-30℃冷启动和-40℃存储。.项目在国内外权威期刊发表论文13篇（其中SCI收录论文5篇，EI收录3篇，中文核心期刊5篇），申请国家发明专利9项（授权3项），培养博士研究生2名、硕士研究生10名。