质子交换膜燃料电池电流阶跃加载过程中局部动态响应的定量研究及其工业应用价值

针对移动应用中质子交换膜燃料电池(PEMFC)在电流阶跃加载工况下内部状态变化机制不明的问题，研究人员通过高时空分辨率电流密度分布测量技术，定量分析了350 cm2工业级活性面积电池在不同负载幅度和相对湿度下的瞬态响应特性，揭示了阴极入口区氧重分布导致的性能波动规律，并建立Simulink电压响应预测模型，为燃料电池控制策略开发提供重要理论支撑。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零排放特性成为应对气候变化的关键选项。作为氢能利用的核心装置，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在移动装备应用中常面临电流阶跃加载的严苛工况，这种瞬时负载变化会导致电池内部质量传递与电化学反应失配，引发电压波动甚至性能衰减。然而，传统研究受限于表征手段，难以定量解析毫秒级动态过程中局部区域的响应机制，更缺乏适用于大活性面积(350 cm²)工业电池的瞬态特性数据。

上海交通大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新成果，通过自主研发的高频采样分段电流密度测量系统（时间分辨率达百毫秒级），结合电化学阻抗谱(EIS)和Simulink建模仿真，首次实现了工业尺度PEMFC在电流阶跃加载过程中局部动态响应的时空定量解析。研究团队重点开发了电流密度归一化分析方法，突破性地揭示了不同输出电流下各区域真实反应能力的动态演变规律。

关键技术包括：1）350 cm²活性面积单电池的38分区电流密度同步监测；2）基于自动控制平台的精确阶跃加载实验（规避人工操作误差）；3）电压响应曲线的Simulink参数化建模；4）不同相对湿度(30%-90%)和负载幅度(0.2-1.0 A/cm²)的系统测试。

【Test bench】
实验采用集成化测试平台实现气体湿度、背压等参数的精准控制，通过Segcell设备以500Hz采样频率捕获瞬态电流密度分布，时空分辨率较传统方法提升两个数量级。

【Results and discussion】
研究发现：1）阴极入口和中部区域在加载后出现剧烈性能波动（电压波动幅度达15%），这与氧气重分布过程直接相关；2）高湿度(90%RH)条件下膜电极水合度改善使响应时间缩短40%；3）Simulink模型成功拟合出电压动态响应的三阶段特征，揭示负载幅度与等效电路参数的定量关系。

【Conclusions】
该研究首次建立工业级PEMFC局部动态响应与全局电压特征的关联模型，证实：1）归一化电流密度分布能有效反映不同工况下区域反应能力差异；2）氧传输延迟是导致阴极入口区性能波动的关键因素；3）膜水合状态显著影响动态响应速度。这项成果为燃料电池控制系统开发提供了重要的理论依据和预测工具，对推进燃料电池产业化进程具有重要实践价值。