燃料电池衰减的机理与提升方案
燃料电池衰减的机理与提升方案 – 燃料电池小型涂布机 – 驰飞超声波喷涂
随着燃料电池产业的不断发展，市场对燃料电池产品的耐久性要求也越来越高，当前市场对乘用车耐久性需求普遍为8年12万公里，商用车为5年20万公里。燃料电池产品的竞争从性能向耐久性拓展，耐久性对产品的全生命周期成本和产品品牌影响巨大。
影响燃料电池耐久性的因素
主要的影响因素包括材料因素、设计因素、控制因素、工艺因素、道路工况因素以及环境因素等等。提升产品的耐久性能，必须要深入的研究各类影响因素背后的衰减机理。这些衰减机理细分又涉及干湿循环、电位循环、高电位、氢空界面、操作温度、低温操作、振动、气体杂质和欠气等等。
对于不同的燃料电池产品，各类衰减因素对产品的影响程度以及背后的衰减机理并不相同。产品开发中要能够准确定位产品的主要衰减因素并完成对衰减程度的量化，如此才能够基于衰减机理针对性提出耐久性解决方案，在开发过程中循环渐进的补齐产品耐久性短板，最终完成耐久性开发。
燃料电池产品开发中常见的衰减机理
氢空界面的衰减机理，在燃料电池开关机、内部水管理不善、配气不均以及系统故障等等情况下都很容易产生氢空界面，由此产生的高电位对于催化剂载体、扩散层以及膜都有严重的影响。
另一个经常发生的衰减机理是电位交变产生的衰减，在不同的电位下衰减机理不同，下文的电位划分便于工程化理解，并非绝对值，所述衰减机理在对应的电位区间更容易发生。
1. Ostwald 熟化效应导致Pt 颗粒长大( 0.6-1.1V )
频繁加减速电位循环会使表面自由能升高，导致催化剂不断的长大，小晶粒以原子/分子形式迁移到大晶粒上再沉积导致颗粒长大，电化学活性面积减小。
2. Pt 晶体溶解后在聚合物相再沉积( 0.6-1.1V )
水弱化金属-碳基的结合键能利于晶粒迁移，低电位下Pt溶解速度加快，电化学反应速率快，产生的水增多而且放热剧烈，热点则加剧Pt晶粒烧结。
3. 晶体迁移、烧结造成Pt 颗粒长大(＜0. 6 V）
4. 碳载体腐蚀导致Pt纳米颗粒脱落和聚集(＞1.2V）
5. 聚合物相衰减导致ECA减少（ 低电位大电流）
燃料电池耐久性提升方案
提升燃料电池产品的耐久性是一项系统而且持久的工作，很多机构、科研院校和公司已做了大量的工作。本文主要从材料和系统两个方面提出的耐久性解决方案。
材料方面为了提升耐久性可以增加催化剂铂载量、改进催化剂结构、载体结构等等，虽然有的方案增加了成本，但也带来了耐久性和功率密度的提升，也是有效的工程改进手段。
系统层面包括已经使用的例如假电池方案，多数厂家已应用的电压巡检，避免高电位策略等等。很多解决方案目前正在被一些厂家采用，而且在实际应用中起到了不错的效果，有的解决方案还在验证中。工程设计就是一系列的权衡与取舍，正是基于这些权衡才有了各个燃料电池厂家的产品特色。
杭州驰飞的燃料电池催化剂涂层系统可产生高度均匀，可重复和耐用的涂层，特别适合这些挑战性应用。从研发到生产，我们的防堵塞技术可以更好地控制涂层属性，显著减少原材料用量，并减少维护和停机时间。
超声镀膜系统可在燃料电池和质子交换膜（PEM）电解器（如Nafion）的电解工艺上产生高度耐用、均匀的碳基催化剂墨水涂层，而膜不会变形。均匀的催化剂涂层沉积在PEM燃料电池、GDL、电极、各种电解质膜和固体氧化物燃料电池上，喷涂的悬浮液包含炭黑墨水、PTFE粘合剂、陶瓷浆料、铂和其他贵金属。也可以使用超声波喷涂其他金属合金，包括金属氧化物悬浮液的铂、镍、铱和钌基燃料电池催化剂涂层，以制造PEM燃料电池、聚合物电解质膜（PEM）电解槽、DMFC（直接甲醇燃料电池）和SOFC（固体氧化物燃料电池）可产生大负荷和高电池效率。
