[01555983]基于多物理场分布特性的车用燃料电池衰减机理研究

该项目属于氢能领域。氢能燃料电池技术涉及国家的能源安全，能源体系的转型以及能源的清洁高效利用。质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、启动迅速、环境友好等优点，被广泛用于汽车的清洁动力源。然而国内燃料电池关键技术与国外仍有一定差距，并且对内部反应机理还需要进一步研究。燃料电池涉及多部件和多物理场耦合，其故障诊断和耐久性难度较大，常规研究方法难以探测其局部反应特性，并提出科学的改善措施。该项目依托国家自然科学基金、国家科技部项目等5项国家级课题，经过八年的产学研联合攻关，运用具有自主知识产权的在线分区测试技术，系统地研究了燃料电池内部多相耦合反应的电流密度分布情况及车用工况下膜电极性能的衰减特征，揭示了燃料电池内部多物理场分布环境下多相耦合反应的变化规律，实现了燃料电池性能及耐久性的提升。关键科学发现点如下： (1)局部反向电流与氢空界面移动相对应的理论通过系统的分区测试研究，解耦了燃料电池内部物理场分布规律，发现了局部反向电流出现与位置迁移现象，提出了局部反向电流与氢空界面移动相对应的理论。为燃料电池不同区域性能下降及不可逆性能衰减提供了支撑，为燃料电池性能提升与使用寿命延长提供了理论参考。 (2)燃料电池启停工况下不同区域性能衰退的机理针对燃料电池单电池与电堆进行启停研究，探索了燃料电池启停过程与多次启停后，燃料电池内部不同区域的性能分布情况，并揭示了启停过程中燃料电池性能衰退的机理。突破了传统启停研究衰减机制中只能对燃料电池整体衰减特性进行阐述的局限性，能够更好地解决燃料电池使用寿命与制造成本之间的平衡问题。 (3)冷启动成功关键因素与冻融循环衰减规律通过在线实时监测燃料电池冷启动过程的电流密度变化与温度分布变化，揭示了燃料电池冷启动成功的关键影响因素。同时使用在线监测与离线表征相结合的方法，并引入同步辐射X射线成像三维重构技术，揭示了冻融循环性能衰减的规律。 该项目研究成果SCI论文14篇，其中代表性5篇论文(他引120次)，EI论文1篇，中文核心论文3篇，出版专著1部。论文中，针对局部反向电流与氢空界面移动相对应的理论7篇，针对燃料电池启停工况下不同区域性能衰退的机理的论文4篇，针对冷启动成果关键因素与冻融循环衰减规律的论文4篇。授权发明专利7项。相关成果在国际属于先进，国内领先。 利用项目得出的相关科学性结论，已与国内上海汽车集团新能源部、新源动力股份有限公司等燃料电池整车与零部件主流企业展开项目合作，极大地提高了相关单位对燃料电池的开发效率，降低了燃料电池的开发成本，并曾获2019年中国汽车工业科技进步特等奖(燃料电池汽车关键技术研发及其产业化，15/20)。