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研究背景
质子交换膜燃料电池（PEMFCs）高效环保，能快速启动，广泛应用于交通与能源领域。但在交通中，动态负载易致PEMFCs瞬时缺水和反应物不足，引发电压波动，影响性能和寿命。电压下冲是动态负载下的主要问题，负载突增时电压骤降后回升，其机制复杂多样，涉及湿度、水含量、反应物浓度等变量，尚未达成共识。现有研究多聚焦于输出电压，对电压下冲机制探索不足，且解耦内部电压变化原因面临挑战。此外，PEMFCs活性面积扩大加剧了面内异质性，使电压下冲问题更复杂。商业PEMFCs活性面积大，局部故障易引发整体故障，但大活性面积PEMFCs实时信息获取难，关于面内异质性对电压下冲影响的研究尚缺。
文章亮点
本研究采用原位监测与电压损失解耦法，深入探讨了320 cm² PEMFC的电压下冲机制及面内反应异质性。
研究发现，电压下冲主要由欧姆损耗（OL）和浓度极化（CP）过冲引起。OL过冲源于PEM瞬时缺水，受PEM初始水含量影响。负载突增时，PEM水分消耗剧增，但阴极产水至阳极补充缓慢，导致水含量骤降，离子电导率减弱，OL剧增。CP过冲则因催化剂处反应物瞬时短缺，对氧扩散系数变化敏感。负载突增，氧气反应速率激增，扩散速率不及，催化剂处氧气浓度骤降，形成CP过冲。
此外，OL与CP过冲在不良运行条件下均表现出显著面内异质性，特别是在高负载和低进气湿度时。PEM水分含量不均导致瞬时缺水不均，引发OL异质性。CP方面，空气出口附近及中心区域CP较高，因气体消耗致氧气浓度渐降，出口附近反应物短缺更严重，中心区域电流密度高，氧气消耗大，浓度梯度大。
研究还探讨了运行条件对电压下冲及面内异质性的影响，提出改善PEMFC动态性能建议：适度提高进气湿度（建议>60%），减小负载步，控制阴极化学计量比>1.5，提高背压，以减少平均电压损失并改善面内异质性。
图文解析
图4
（a）在不同进气空气相对湿度（RH，涵盖案例1至案例5）的条件下，图中呈现了所有区段局部RH与局部高频电阻变化量（ΔHFR）之间的关联关系；
（b）展示了燃料电池单元在不同负载变化步骤（案例6至案例11）下的平均高频电阻变化量（ΔHFR）及其分布情况；
（c）与（d）则分别描绘了在不同进气空气RH条件下，特定区段（段1与段2，以及段36与段37）的浓度极化变化量（ΔCP）与RH的变化趋势。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155772
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