商用燃料电池堆阳极运行特性与性能异质性的综合研究

本文通过超声在线监测装置系统研究了质子交换膜燃料电池（PEMFC）在变工况下的氢气浓度、高频阻抗（HFR）、堆电压及单电池电压的演变规律，定量解析了氢气浓度与入口化学计量比对电堆性能异质性的影响，并对比了不同阳极循环模式（喷射器与氢循环风机HRB协同）的系统效率。研究发现：高温（62°C）会抑制氮渗透但加剧膜脱水，而氢气浓度低于45%时单电池电压呈锯齿型衰减；在0.9 A cm-2电流密度下喷射器循环率达52.3%，并联模式系统效率较单风机模式最高提升1.02%。研究为高功率PEMFC氢管理策略优化提供了实验依据。

　　

亮点

● 氢气浓度低于60%时单电池电压缓慢衰减，浓度<45%时出现显著锯齿型衰减

● 入口端单电池电压始终最低，因高气流速率导致氢气扩散不足

● 0.1–0.3 A cm^-2电流密度下喷射器发生二次回流，0.9 A cm^-2时循环率达52.3%

● 并联模式系统效率始终优于单风机模式，1.4 A cm^-2时效率最大提升1.02%

温度对氮渗透的影响

图6显示，当工作温度从50°C升至56°C时氮渗透率基本不变，但升至62°C时显著抑制氮渗透（阳极氮浓度下降12.7%）。高温促进膜脱水收缩，减少水相体积并缩窄传输通道，从而降低氮气跨膜速率。值得注意的是，干燥膜条件会使电堆对氢气浓度波动更敏感，导致输出电压稳定性下降。

结论

本研究揭示了高功率PEMFC堆在变工况下氢气浓度、阻抗特性与电压行为的关联机制：温度升高虽增强气体扩散性，但会引发膜脱水（HFR上升17.3%）和催化层局部热点；氢气饥饿（浓度<45%）导致电压锯齿振荡，而喷射器-HRB混合循环模式在动态负载下展现最优稳定性。

（注：翻译部分已按生命科学领域专业表达优化，如"锯齿型衰减"对应"sawtooth-type decay"，"膜脱水"对应"membrane dehydration"，并保留原文技术符号如A cm^-2）