海上运行环境下PEMFC单电池性能衰减的实验研究

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Experimental study on performance degradation of PEMFC single cells in maritime operating environment

　　

- 基于航线开发了反映海上运行条件的动态负载循环。
- 在10%和20%负载幅度下进行了动态负载循环测试。
- 利用极化曲线的电压损失评估了退化速率。
- 与稳态运行相比，20%幅度使平均退化速率提高了57.0%。

## 引言

海运行业，尤其是国际航运，仍然依赖化石燃料推进，导致持续的CO?排放。2018年，温室气体排放量约为9.19亿吨 [1]，尽管其单位运输能耗较高，但温室气体排放仍占相当大的份额。国际海事组织（IMO）通过海洋环境保护委员会第80次会议（MEPC 80）[2]，通过了一项修订的温室气体战略，目标是到2050年或2050年左右实现国际航运温室气体净零排放。基于这一战略方向，IMO进一步在2025年4月海洋环境保护委员会第83次会议（MEPC 83）[3]上推进了其法规框架，通过制定净零框架的实施措施，采纳了关于船用燃料全生命周期温室气体强度的指南。这些进展建立了基于全生命周期的温室气体减排目标及相关船用燃料措施。实现这一目标需要部署低碳和零碳推进及能量转换技术，以满足船舶的运行要求。氢基推进和发电已获得广泛关注，因为它们仅排放水作为副产物，是实现净零排放的有前景的解决方案 [[4], [5], [6], [7]]。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其低工作温度和优越的运行特性，作为海事应用的技术而受到极大关注。与固体氧化物燃料电池（SOFC）相比，PEMFC的工作温度较低（60–80 °C）[8]，具有较高功率密度 [9] 和快速负荷跟踪能力，适合经历连续且不规则负载变化的船舶。这些特性对于中小型船舶尤其有利，其机舱空间有限且负载波动较大，从而增加了对其应用的研究兴趣 [8, [10], [11], [12]]。在众多研究主题中，耐久性已被公认为一个关键问题，特别是在海事应用中，船舶通常具有超过20年的使用寿命，这比汽车应用显著更长。据Borup等人 [13] 报道，PEMFC的寿命通常比SOFC等高温燃料电池短，主要原因是催化剂降解、膜减薄和碳腐蚀。解决这些耐久性挑战既需要在运行中减缓降解的策略，也需要了解电池组件的结构变化。Liu等人 [14] 开发了一种混合电压控制策略，结合模糊线性二次高斯控制与比例补偿器，以减轻低负载条件下的过电压运行。Ma等人 [15] 研究了承受循环装配压力的气体扩散层的微观结构演变和电化学性能。这些研究强调了运行条件和组件结构稳定性对PEMFC耐久性的重要性。因此，评估长期性能退化对于PEMFC系统在船舶发电中的应用至关重要。

要将PEMFC系统用于船舶发电，船级社提出了涉及船上燃料电池系统安装、运行和安全的规则和指南；然而，这些法规并未涉及性能评估，尤其是在海上运行条件下的长期退化 [[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]]。在汽车领域，已基于标准化驾驶循环（如新欧洲驾驶循环（NEDC）和世界统一轻型车辆测试循环（WLTC））建立了耐久性评估协议，从而能够在代表性运行条件下对燃料电池耐久性进行系统评估 [[24], [25], [26], [27], [28]]。对于固定式应用，耐久性测试通常使用DOE稳态协议 [29]、FCTESTNET稳态模块 [30] 和STACKTEST协议 [31] 等协议进行，这些协议在长期运行中维持恒定输出。

已有几项研究评估了PEMFC在船舶运行条件下的退化情况。Lee等人 [32] 研究了PEMFC在船舶应用中恒电流和恒电压运行下的燃料电池退化，报告称在相同运行电压下恒电压运行导致显著更高的退化速率。这一发现强调了选择适当运行策略的重要性。Kim等人 [33] 将实际船舶的运行负载剖面简化为装卸、操纵和航行阶段，开发了一个船舶运行剖面并评估了性能退化。在这种情况下，退化速率比静态负载条件下高出高达21%。然而，这种方法的一个局限性是没有考虑反映海洋环境的负载波动。Choi等人 [34] 将基于小型研究船实际沿海运行剖面的加速耐久性测试协议与DOE和IEC协议进行了比较。所开发的协议比DOE协议更严苛，但比IEC协议不那么严苛。所提出的方法更真实地反映了沿海船舶应用燃料电池的运行负载特性。然而，它难以应用于沿海船舶以外的中小型船舶。此外，它也不充分地考虑海洋环境条件。McCay等人 [35] 利用基于德国汉堡氢燃料电池客运船FCS Alsterwasser（在易北河和汉堡内河水道运行）的实际运行数据开发的功率需求剖面，评估了燃料电池系统在动态负载条件下的性能，该数据由Bassam等人 [36] 开发。结果表明动态运行加速了性能退化。然而，应用的负载剖面仅限于河流运行条件而非海洋环境，且不考虑波浪诱导负载波动等环境因素。尽管这些研究纳入了船舶运行剖面，但并未明确考虑由海洋环境条件引起的负载波动。

在海洋运行期间，船舶在保持目标巡航速度的同时经历动态推进负载波动，这是由于波浪引起的运动、附加阻力、螺旋桨浸没变化及其他环境效应所致。这些推力负载波动导致燃料电池中的电化学运行条件不断变化，并可能加速在稳态或简化负载条件下未充分捕捉的退化机制。基于船舶海洋运行条件的动态负载循环对于评估燃料电池在负载波动下的长期退化是必要的。

可靠评估船用燃料电池需要适当且统一的分析方法，能够解释动态负载条件下的性能退化。燃料电池性能可通过直接观察从长期性能测试中测得的时间序列数据的电压下降、极化曲线测量、电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）等技术进行评估 [37]。在这些方法中，时间序列分析和极化曲线因能够观察随时间的电压退化，并可在长期运行中重复测量而无需复杂的信号解释，被广泛用于耐久性评估。此外，极化曲线提供了捕捉全电流密度范围内电压变化的优势。已有几种方法被提出用于量化随时间的电压退化。Cleghorn等人 [38] 通过将时间序列中初始电压与最终电压之间的差值除以总运行时间来估算平均退化速率。Cheng等人 [39] 通过对时间序列电压数据应用线性回归计算单位时间的电压衰减率。尽管基于时间序列的方法能够在运行期间无需额外测量的情况下估算电压退化，但可能会因包含可逆电压损失而高估退化。Chung等人 [40] 对从实验中测得的极化曲线按电流密度分类的时间序列电压数据应用线性回归，以推导电压退化的斜率。因此，量化电压退化的方法尚未标准化，需要建立标准化的评估准则。

本研究评估了与海洋环境相关的负载波动对PEMFC退化的影响，作为海事运行条件的一个方面。为开发负载剖面，选择了代表性航线，并分析了沿该航线的海洋环境条件，包括波高和波浪周期。基于所选船型，开发了一个动态负载循环来模拟所分析条件下的船舶负载波动。进行了耐久性测试以评估PEMFC单电池在开发循环下的长期性能，并纳入稳态运行以评估动态负载波动对燃料电池退化的影响。在耐久性测试期间，定期测量极化曲线，并比较各电流密度下的电压下降。量化极化曲线中的电压下降以确定退化速率。比较了各案例随时间的退化速率，并比较了稳态和动态情况下500 h耐久性测试后各电流密度下的退化速率以及平均退化速率。耐久性测试后，使用扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM-EDS）对膜电极组件（MEA）进行横截面分析，以研究动态负载条件引起的退化机制。

### PEMFC测试台架

实验使用Lee等人 [32] 描述的相同单电池测试台架进行。该台架设计用于控制与监测反应物流量、运行温度和电负载，主要由加湿器、质量流量控制器和电子负载组成。本研究使用的运行条件总结于表1中。

### PEMFC单电池

PEMFC单电池由CNL Energy提供。每个电池由膜电极组件（MEA）、气体……

### 反映海洋环境条件的动态负载循环开发

开发了一个动态负载循环以研究负载波动对PEMFC长期性能退化的影响。循环周期选择使用所选航线上的气象海洋统计数据。标称负载等级参考海洋推进中的引擎裕度实践进行规定，并应用两种波动幅度以比较它们对退化的影响。开发过程如图1所示。

#### 8400 TEU集装箱船

### 结论

使用8400 TEU集装箱船的运行航线和沿该航线收集的气象海洋数据，开发了一个反映海洋环境条件的基于航线的动态负载循环。选择10 s的循环周期和10%和20%的负载波动幅度以代表主要的波浪诱导运行条件。

结果清楚地表明，动态负载运行对PEMFC退化的影响强烈依赖于负载波动幅度。在……

### CRediT作者贡献声明

Jae Heon Kwon：原始草稿撰写、方法论、调查、概念构思。Hyun Park：审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。Kwang Hyo Jung：审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。Jae Hong Kim：审阅与编辑、调查。Seon Hyeong Lee：审阅与编辑、调查。Sanghoon Lee：审阅与编辑。

### 利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

### 致谢

本研究由釜山国立大学（PNU-Fellowship项目）资助的2024 BK21 FOUR研究生院创新支持、大韩民国气候变化、能源与环境部（MCEE）以及韩国能源技术评价与规划院（KETEP）（编号：RS-2026-25537760）以及大韩民国海洋水产部资助的韩国海洋科学技术振兴院（KIMST）（RS-2025-02219107）共同支持。

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