“質(zhì)子交換膜的化學分解和機械疲勞損傷、催化劑降解/碳支持體的氧化和腐蝕、金屬雙極板的氧化和腐蝕是當前影響汽車燃料電池壽命的主要難題。針對電堆降解的主要因素和檢測結果，天能氫電開發(fā)出了包含物理的和化學的綜合降解因素短堆AST（Accelerated Stress Test，加速應力試驗）循環(huán)方案，從而對比得到更優(yōu)良的電堆設計。” 天能氫電首席氫能技術專家徐淳川博士在2022高工氫電年會上演講時表示。
更高效率、更長壽命及更低成本是當前燃料電池發(fā)展的終極目標。天能氫電依托天能集團在綠色能源系統(tǒng)解決方案領域三十多年的創(chuàng)新發(fā)展經(jīng)驗，正深入研究和解決關鍵材料失效，影響燃料電池壽命的主要難題。
針對質(zhì)子交換膜的化學分解及機械疲勞損傷方面，由于其主要材質(zhì)是全氟磺酸樹脂，骨架是四氟乙烯，在工作的時候有大量的雙氧水產(chǎn)生，因為有催化劑，在變化的時候會導雙氧水分解變成自由基，自由基有強烈的腐蝕作用，就像一把剪刀會把磺酸基氟的連接剪斷析出氟離子。
“我們通過多次的實驗分析，這個氟離子的降解導致膜的破損，膜因水合狀態(tài)而循環(huán)膨脹收縮引起機械應力，化學分解與機械應力的結合加速了膜裂紋的形成，造成了質(zhì)子交換膜的失效。”徐淳川解釋道。
催化劑降解/碳支持體的氧化和腐蝕方面，正常工作的陰極和陽極是氫氣在陽極空氣在陰極，還原反應發(fā)生在陰極，燃料電池在停機以后，氫氣和空氣兩邊會互相的擴散，如果有空氣在陽極，啟動的時候，空氣進來本身就在陽極形成了一個差，如果空氣仍然在陰極電位會提高高于OCV的情況1.2V以上，這個對催化劑的腐蝕和碳腐蝕嚴重，催化劑也會降解，這個就比較嚴重的破壞催化層。
金屬雙極板的氧化和腐蝕方面，主要來源于應力腐蝕，以及化學腐蝕與電化學腐蝕。應力腐蝕是指在沖壓生產(chǎn)過程中，導致的應力集中，從而產(chǎn)生位錯、空位、晶界等；化學腐蝕與電化學腐蝕主要有縫隙腐蝕與點腐蝕，主要發(fā)生場所是表面的顆粒、附著物、夾雜物及金屬間化合物。
面對上述問題，當前在電堆開發(fā)中主要從新材料的開發(fā)、保護性添加劑和防腐導電涂層、優(yōu)化結構設計和提高電堆的動態(tài)精確控制等解決方案進行優(yōu)化。
天能氫電針對多次實驗分析，得到的電堆主要失效模式，降解因素和檢測，可以看到失效最嚴重的原因是由于膜的破損，其次是催化劑，以及催化劑的支持體是控制因素導致降解的最主要的因素。
“為此我們設計一種比較好的檢查電堆壽命的測試方法——包含物理的和化學的綜合降解因素短堆AST循環(huán)方案，這個方法不是預測電堆壽命，而是比較在不同的設計和材料的情況下，哪一種電堆壽命更長一些，通過這樣的測試我們可以比較選出比較優(yōu)良的設計方案。”徐淳川表示。
本著對技術的極致追究和一絲不茍的研發(fā)態(tài)度，天能氫電在氫能行業(yè)已經(jīng)經(jīng)過了5年的發(fā)展，現(xiàn)已聯(lián)合國內(nèi)多家主流車企開發(fā)了多款各領域應用的氫燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，擁有T60（60kW）、T80（80kW）、T120（120kW）等多種型號的燃料電池系統(tǒng)，電壓范疇380C-750V，運行環(huán)境溫度-30℃-50℃，設計壽命15000h，具有耐用、耐低溫、高安全等級等優(yōu)勢，可應用于客車及重卡等場景。
天能氫電擁有全套氫燃料電池電堆、原材料試驗、檢測設備，引進日本、美國的氫燃料電池領軍人才與技術，目前已突破多項關鍵核心材料及電堆的核心技術，獲得專利30余項，并形成雙極板液態(tài)水分布、電流密度分布、流場氣體阻力、發(fā)熱分布、電池的IV特性等一套迭代設計流程；開發(fā)試制鉑碳催化劑超過國內(nèi)市場領先水平。
接下來，天能氫電將以電堆為核心，提升系統(tǒng)性價比；以系統(tǒng)為抓手，推動自產(chǎn)電堆商業(yè)化應用。
