通过电化学阻抗谱技术对PEM燃料电池性能进行模型优化和实验验证

等效电路模型验证

　　
### 中文解读：质子交换膜燃料电池等效电路模型的改进与验证

#### 研究背景与问题提出
质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高能量效率、低排放和适中的工作温度，被视为电动汽车和分布式发电的理想技术。然而，PEMFC的实际应用仍面临诸多挑战，包括膜降解、水管理效率不足以及多物理场耦合下的性能建模复杂性。当前，等效电路模型（ECM）是分析PEMFC阻抗特性的核心工具，但其高频响应的准确性常受限于测试台架和布线引入的干扰。

现有ECM模型在描述高频阻抗特性时存在显著误差，主要体现在相位和模值预测偏差较大。这种偏差不仅影响模型对电极反应动力学、质子传输过程的解释，还可能导致诊断策略的误判。例如，传统模型在1巴、3安的操作条件下，模值误差高达12.3%，相位误差达7.0%，难以准确捕捉高频电感特性。因此，开发一种能够有效修正高频误差的等效电路模型，成为优化PEMFC诊断与控制的关键。

#### 改进模型的核心创新
本研究提出了一种改进的等效电路模型，通过引入**紧凑电感项（LNET）**解决了传统模型在高频段的失配问题。该模型的核心创新点在于：
1. **去嵌入干扰项**：LNET被设计为上游去嵌入模块，专门吸收测试台架和布线在高频段的寄生电感效应，而非改变中低频参数的物理意义。
2. **参数稳定性**：LNET的拟合值在8种操作条件下高度稳定（均值24.6 μH），表明其能有效消除外部干扰，同时不影响中低频参数的准确性。
3. **误差抑制**：改进后模型的最大模值误差从12.3%降至<2%，相位误差从7.0%降至<1.5%，显著提升了高频响应的预测精度。

#### 实验设计与验证方法
实验采用FuelCon Evaluator-C测试平台，覆盖以下关键参数：
- **压力范围**：0.5–1.5巴，模拟不同工作压力下的气体分布和膜压缩效应。
- **电流密度**：1–5安，考察电极反应动力学与传质过程的动态耦合。
- **活性面积**：标准化为49 cm2，确保阻抗数据可重复比较。

EIS测试在20 kHz至0.05 Hz范围内进行，每个操作点重复三次实验后取平均值，以降低随机误差。模型参数通过非线性最小二乘法拟合，约束条件包括非负电阻/电感/电容值，以及膜电导率、电极孔隙率等物理量的合理范围。

#### 关键实验结果与分析
1. **高频误差修正**：引入LNET后，高频段模值误差从参考模型的12.3%降至<2%，相位误差从7.0%降至<1.5%。例如，在1巴、3安条件下，传统模型相位误差高达7%，而改进模型仅<1.5%。
2. **中低频参数一致性**：模型保留了中低频参数的物理意义，如阳极/阴极电阻（R_A、R_C）、扩散层电容（C_dl,C）和膜电容（C_M）的典型趋势。例如，膜电阻R₀与压力正相关（0.5巴时为12.14Ω，1.5巴时降至9.00Ω），符合膜厚度压缩与电导率变化的物理规律。
3. **操作条件敏感性**：
- **压力影响**：高压（1.5巴）下，扩散层电容C_dl,C显著降低（从1巴的57.86 μF降至37.70 μF），表明气体扩散层孔隙率因膜压缩而减小，导致高频电阻R₀下降（1.5巴时R₀为9.00Ω，较0.5巴时降低25.7%）。
- **电流密度影响**：高电流（5安）下，电荷转移电阻R_1,C和R_2,C分别降至4.53Ω和3.38Ω，显示电极表面反应受限于氧扩散层的水管理效率。

#### 模型优势与局限性
1. **优势**：
- **高频精度提升**：LNET通过去嵌入外部干扰，使高频模值和相位误差分别控制在±2%和±1.5%以内。
- **参数可解释性**：中低频参数（如R₀、C_dl,C）与物理结构（膜厚度、电极孔隙率）直接相关，便于诊断性能瓶颈（如膜电阻升高或催化剂失活）。
- **跨条件泛化性**：模型在8种不同操作条件下均表现稳健，验证了其跨工况的适用性。
2. **局限性**：
- **未覆盖全工况**：实验未系统研究温度、湿度、催化剂中毒等参数的影响。
- **工艺参数未优化**：GDL涂覆工艺（压力、转速、溶液比例）的优化仍需进一步研究。
- **长期稳定性验证不足**：未进行耐久性测试（如24小时连续运行），无法评估模型对膜降解或催化剂劣化的捕捉能力。

#### 工程应用与未来方向
1. **诊断优化**：改进模型可更精准识别膜电阻异常（如R₀突增）或电极催化剂失活（R_1,C升高），为实时监测提供工具。
2. **控制策略开发**：结合模型参数与操作条件（如压力、电流），可设计自适应控制算法。例如，高压下膜电阻降低，可优化气体扩散层孔隙率以提高功率密度。
3. **多物理场耦合建模**：未来研究可整合温度场、湿度场与电化学模型，构建三维多尺度仿真框架。
4. **工业化验证**：需与商业MEA对比，验证模型在规模化应用中的普适性。

#### 结论
本研究通过引入紧凑电感项LNET，有效解决了传统等效电路模型在高频段去嵌入干扰的问题，显著提升了模值和相位预测精度。实验验证表明，改进模型在压力（0.5–1.5巴）和电流（1–5安）变化下均保持高鲁棒性，为PEMFC性能诊断和优化提供了可靠工具。然而，模型仍需结合更多工况（如温度梯度、长期运行）进行扩展验证，并进一步结合工艺参数优化研究，以推动PEMFC技术的产业化应用。