二维Janus结构β-PdXO（X=S/Se）光催化分解水的潜力与机制研究

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)在动态负载下内部状态变化机制不明确的问题，研究人员通过高时空分辨率电流密度分布测量技术，揭示了不同湿度与负载幅度下PEMFC的瞬态响应特性。研究发现阴极入口区域存在显著的氧重分布波动，并通过Simulink建模实现了电压动态响应的参数化预测，为燃料电池控制策略优化提供了理论依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零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)在动态工况下的性能波动问题长期制约其商业化应用。尤其当负载电流发生阶跃变化时，电化学反应与气体传质过程的不同步性会导致电压剧烈波动，但传统研究方法难以捕捉毫秒级的内部状态变化。这一科学瓶颈使得PEMFC在车载等动态应用场景中的控制策略缺乏理论支撑。

上海交通大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新成果，采用时间分辨率达毫秒级的分段电流密度测量技术，对350 cm²工业级活性面积的PEMFC开展系统性研究。通过同步监测38个区域的电流密度分布，结合电化学阻抗谱(EIS)和Simulink动态建模，首次定量揭示了湿度与负载幅度对瞬态响应的影响机制。

关键技术包括：1）高采样频率（毫秒级）的局部电流密度(LCD)测量系统；2）保持恒定化学计量比的自动化测试平台；3）基于电压响应曲线的Simulink参数化建模。研究选取不同相对湿度(30%-90%)和电流阶跃幅度(0.4-1.2 A/cm²)作为变量，所有实验均在80℃电池温度下进行。

结果与讨论
电压响应特性
在600 mA/cm²以上电流密度区观察到线性电压下降，表明稳态运行时未发生明显传质限制。但阶跃加载后100ms内出现电压"下冲"现象，幅度随湿度降低而加剧，这与膜脱水导致的质子传导阻力增加直接相关。

电流密度时空演化
通过归一化处理发现，阴极入口区域在加载初期呈现剧烈波动，电流密度变化幅度达基准值的±25%。这种空间异质性源于气体流道内氧气再分配过程的延迟，在中等湿度(60%)条件下最为显著。

Simulink模型参数解析
双指数函数拟合成功分离出快响应（τ₁≈50ms，对应双电层充电）和慢响应（τ₂≈3s，反映气体传质）两个特征时间尺度。关键发现是τ₂与湿度呈负相关，证实水管理对动态性能的核心影响。

结论与展望
该研究通过创新实验方法实现了PEMFC内部状态的"CT式"解析，建立了工况参数与动态响应的定量关系。特别重要的是发现中等湿度区域存在最优响应特性，这为车载燃料电池系统的湿度控制提供了精确调控区间。所开发的Simulink预测模型可直接嵌入电池管理系统(BMS)，对实现PEMFC在变速工况下的稳定输出具有重要工程价值。未来研究可结合X射线成像等技术，进一步揭示微孔道内的两相流动态过程。