世博巴士車燃料電池的耐久性研究和電氣連接器可靠性研究

高軼鳴

同濟大學汽車學院，上海 200082

1 研究背景

1.1 巴士車質子交換膜燃料電池PEMFC 概述

質子交換膜燃料電池為酸性電解質電池。當燃料電池以純氫為燃料時，它的化學反應產物僅為水.氫氣通過陽極極板通道流入擴散層，再通過擴散層進入陽極催化層。在陽極催化劑的作用下氫氣在陽極催化層的作用下解離為氫離子和電子。陽極催化層上生成的氫離子透過質子交換膜到達陰極，電子通過外電路到達陰極。氧氣則由陰極極板通道流入擴散層，再通過擴散層進入陰極催化層。在陰極催化劑的作用下陰極氧離子和與進入陰極的氫離子反應生成水。電子通過外部負載形成了電流。

1.2 電池組電壓衰減原理

引起質子交換膜燃料電池的性能衰減有以下直接原因：電池關鍵材料，包括電解質膜、電極以及催化劑等等在運行過程中發生的污染、老化和降解過程，產生了電解質膜的質子傳導能力下降、電極結構變化以及電催化劑的凝聚和老化現象，因此引起了電池組性能衰減。

PEMFC 采用了全氟質子交換膜，隨著電池的運轉使用，空氣中的金屬離子、電池系統以及電池內部金屬材料腐蝕而產生的金屬離子取代磺酸根基團上的質子形成磺酸鹽結構，導致質子交換膜的含水量降低、水分子擴散系數的下降以及電遷移系數升高等副作用，電池性能產生衰減。空氣內的SOx、氮氧化合物、烴類會使催化劑中毒，導致電池性能大幅下降。

1.3 巴士車電氣連接器潛在失效模式與故障

巴士車所采用的電氣連接器相對于傳統發動機有所不同，這是由于巴士車的驅動形式為燃料電池和蓄電池聯合驅動(FC+B)，多組燃料電池串聯形成的直流工作電壓高達500 至600 伏，需要特別耐高壓抗電磁干擾的電氣連接器來保證車輛的穩定運行。常見的電氣連接器失效模式按照電氣失效性質來分可分為電氣故障、機械性能故障、環境情況下造成的故障、嚴苛狀況下的故障；按照失效部位可分為塑料連接器缺陷、端子導線壓接缺陷、絕緣導線缺陷、金屬端子缺陷、裝配不良缺陷。這些電氣失效模式嚴重的將造成車輛的無法啟動甚至電氣線路短路過熱引發燃燒火災。

2 巴士車燃料電池耐久性的研究方法和運行數據采集方式

2.1 巴士車燃料電池耐久性的研究方法

國內外的研究者目前主要是通過實驗和實車運行等方法對燃料電池的性能衰減來進行分析，研究可能影響燃料電池性能的種種因素，并提出相應的耐久性解決方案。

按實驗加載方式的不同實驗可分為穩態加載實驗、動態加載實驗、加速強化實驗。

針對實車運行的耐久性研究報道比較少，對于電池的壽命考察和試驗的消耗也是非常巨大。然而2010 年舉辦的上海世博會為燃料電池巴士車的實際運行提供了非常難得的機會，提供了十分真實可靠的實驗數據。

2.2 巴士車燃料電池耐久性的關鍵因素

燃料電池耐久性的因素主要包括燃料雜質、燃料供應不足、溫度濕度、冰點以下的環境以及啟停循環等。提高環境溫度有利于提升電池的性能。隨著溫度的升高，電催化劑鉑的活性會提高，相同電流密度下的電壓增大，性能提高。燃料電池使用空氣中的氧氣做為氧化劑，空氣中的雜質氮氧化合物、SOx、粉塵也會同時進入燃料電池，影響電池耐久性。環境溫度和濕度等因素對質子交換膜燃料電池的性能有較大的影響， 相對濕度的升高， 燃料電池的最大輸出功率也會隨著顯著的提高。燃料電池耐久性不足的主要原因也有車輛工況對燃料電池的影響，頻繁的起停等會導致燃料電池加速衰減。

2.3 巴士車數據采集方式，單位里程性能變化研究

世博期間燃料電池巴士車運行路線主要為國展路，通過遠程監控系統GPRS 無線通信技術無線傳遞數據到數據庫服務器。所測得的燃料電池各項參數值（主要包括FCE 電堆輸出電壓，FCE 電堆輸出電流等）進行數據處理，選取數據繪制每輛車FCE 電堆分別在30A，50A 和70A 電流條件下的輸出電壓隨運行里程的變化曲線，并對數據進行一元線性回歸得到電壓衰減率，得出燃料電池巴士車的壽命衰減規律。車的載重質量，燃料電池使用時間，氫氣燃料容量，天氣等環境因素都對燃料電池的電壓衰減有著顯著的相關性。

3 巴士車燃料電池車電氣連接器可靠性研究

3.1 燃料電池巴士車連接器故障的分析方法

分析燃料電池巴士車的電路故障，必須具備一定的電工學和電氣連接器知識并了解燃料電池的動力系統。一般常見的故障類型有短路、斷路、電阻抗過高、間歇性導通、電磁干擾。檢查時必須在點火鎖關閉的情況下進行，否則將燒壞相關零件。拆下導線連接器檢查時，要注意松開鎖緊彈簧及鎖扣，不可硬拽，復裝時將連接器裝到位并鎖止。在檢查36 伏以上的高壓線路時需身穿電工服，現將電容內的剩余電量釋放方可使用萬用表等儀器檢查。表棒檢測端子時不能用力過大壓彎端子，防止端子彎曲引發的接觸不良。

3.2 燃料電池車電氣連接器的使用環境因素

燃料電池巴士車連接器對產品的性能、穩定性和耐久性的要求比較嚴格。使用環境惡劣，包括溫度、震動、氧化腐蝕以及摩擦腐蝕。因此巴士的耐久性將受到多方面的考驗，傳統的機械電氣性能、較大的溫差、較高的濕度、高低溫循環、密封性測試、鹽霧腐蝕測試。燃料電池所處的電氣環境也相當嚴苛持續工作在500 到600 伏的高壓、100 安培以上的電流，連接器、端子、導線及壓接的方式必須滿足高壓高電流并且能夠長時間穩定運行。

[1]衣寶廉.燃料電池—原理·技術·應用[M].北京:化學工業出版，2003.

[2]侯中軍，衣寶廉.質子交換膜燃料電池性能衰減研究進展[J].電源技術，2005，29(7)：482-486.