三核铁氧簇助催化剂协同二氧化钛-黑色氯氧化铋构建稳定光催化体系实现高效水分解制氢

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)在动态负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，系统研究了350 cm2工业级活性面积PEMFC在不同负载幅度和相对湿度下的瞬态响应特性，揭示了阴极入口区域氧重分布导致的性能波动规律，并建立Simulink电压动态响应模型，为燃料电池控制策略开发提供理论支撑。

　　

在全球能源转型的浪潮中，氢能因其零碳排放特性成为最具潜力的清洁能源载体。作为氢能利用的核心装置，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在车载动力系统等移动场景应用时，经常面临负载突变的严苛工况。这种"电流阶跃加载"过程会导致电池内部质量传递与电化学反应失配，引发电压剧烈波动甚至永久性损伤。然而，受限于传统检测手段的时空分辨率，学术界对这类瞬态过程中局部电流密度重分布规律的认识仍如雾里看花，严重制约了高性能控制策略的开发。

针对这一技术瓶颈，来自中国某高校的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新成果。研究人员搭建了具备毫秒级采样能力的38分区电流密度检测系统，结合电化学阻抗谱(EIS)和Simulink动态建模，首次完整揭示了工业级大活性面积(350 cm²)PEMFC在负载突变时的时空演化规律。研究突破传统稳态测试的局限，为理解燃料电池"黑箱"内部的动态过程提供了全新视角。

关键技术包括：1）开发高时空分辨率电流密度分布测量系统（采样频率达毫秒级）；2）构建包含湿度控制的自动化测试平台；3）采用分段电池技术实现38个区域的同步监测；4）通过Simulink建立电压动态响应模型。所有实验均在严格控制氢气/空气化学计量比的条件下进行，确保数据可靠性。

【Test bench】
创新设计的测试平台集成相对湿度、背压等多参数控制系统，配合Segcell设备实现38分区电流密度同步采集，时间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负载突变时出现剧烈性能波动，这是氧重分布过程的空间异质性所致；2）将局部电流密度归一化处理后，首次量化揭示了不同输出电流下各区域反应能力的动态演变规律；3）高频电阻分析表明相对湿度主要影响中低频阻抗，证实水管理在瞬态过程中的核心作用；4）建立的Simulink模型成功拟合电压响应曲线，关键参数与工况条件呈现明确相关性。

【Conclusions】
该研究突破性地实现了三大目标：1）阐明大活性面积PEMFC在毫秒尺度的内部状态演变机制；2）建立电压动态响应的预测模型；3）提出基于电流密度分布的评价新方法。这些发现不仅为燃料电池控制系统设计提供理论依据，更推动行业从"经验调参"向"模型预测"的范式转变。特别是提出的归一化分析方法，成功解决了传统等值线图难以反映动态反应能力的难题，为后续研究树立了新标准。

值得注意的是，研究揭示的氧重分布滞后效应与区域性能波动规律，直接解释了车载燃料电池在加速工况下"喘振"现象的物理本质。这些发现对延长电池寿命、优化流场设计具有重要指导价值。该成果获得国家重点研发计划等项目的支持，彰显其在国家氢能战略中的关键地位。