本文旨在向中文读者介绍一份关于质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能衰减机理研究的最新学术成果。该项研究发表于《Energy》期刊，投稿时间为2026年3月12日。主要作者包括哈尔滨工业大学的孙传宇、孟萱、吴航宇、梅健、宋凯、姜金海，以及来自斯普利特大学的Ivan Tolj、香港理工大学的安亮和吉林大学的汤兴望。
研究背景与目的
该研究聚焦于质子交换膜燃料电池（PEMFC）这一清洁高效的能量转换技术。PEMFC在交通电动化领域前景广阔，但其在实际车辆动态运行条件下的耐久性问题（如性能衰减）是制约其大规模应用的关键瓶颈。因此，对燃料电池进行准确的健康状态评估与预测性维护至关重要。现有的健康状态估计方法主要分为两类：基于传感器信号（如输出电压）的方法和基于电化学表征的方法。前者虽易于在线实施，但信号易受负载波动耦合影响，难以区分内部多种耦合的衰减机制；后者（如线性扫描伏安法LSV、循环伏安法CV）精度高但通常需离线进行。电化学阻抗谱（EIS）作为一种非侵入式的原位表征技术，能够解析燃料电池内部多尺度的极化过程，具备在线应用的潜力，但其谱图解释是一大挑战。
传统的EIS分析多采用等效电路模型（ECM），存在模型非唯一、参数识别不确定性高等局限。相比之下，弛豫时间分布（Distribution of Relaxation Times, DRT）方法作为一种无模型解析技术，能够直接依据时间常数对EIS谱图进行反卷积，分离重叠的极化过程，提供更高的分辨率和定量能力。然而，基于DRT-EIS对PEMFC性能衰减，特别是可逆衰减与不可逆衰减进行系统性的定量机理研究仍处于起步阶段。
基于此，本研究旨在通过结合极化曲线分析和DRT解析的EIS技术，系统地研究PEMFC在长期运行中的可逆与不可逆性能衰减过程。核心目标是：（1）定量阐明不同极化过程对不可逆性能衰减的贡献；（2）揭示可逆性能衰减的内在机理，特别是与内部水管理和状态再分布相关的瞬态变化。这为车用燃料电池系统的性能恢复和寿命延长策略提供理论指导和诊断方法。
详细研究流程与方法
本研究采用的数据集源自IEEE PHM 2014数据挑战赛，由法国FCLab研究联盟提供。研究对象为两个PEMFC电堆（FC1和FC2），每个电堆由5节单电池组成，活性面积为100 cm²。在耐久性实验中，FC1在接近额定参数的稳态条件下运行，作为参照系统；FC2则被施加了带有高频电流纹波的动态电流曲线，以模拟真实波动的运行环境。整个耐久性测试持续了约1000小时。除了持续记录运行数据外，研究还每周对两个电堆在不同直流负载下同步进行极化曲线和EIS测试，以监控其渐进衰减。
具体实验方案如下： 对于FC1，在每次极化曲线测量前，额外在额定电流（70 A）下进行一次EIS测试。极化曲线测量采用从0 A到100 A的斜坡扫描（耗时1000秒）。极化曲线测量后，分别在70 A、45 A和20 A电流下进行EIS测试。 对于FC2，则直接进行极化曲线测量，之后在70 A、45 A和20 A电流下进行EIS测试。这一设计使得研究者能够对比FC1在极化曲线测量前后的EIS变化，专门用于分析可逆性能衰减的恢复机制。
数据分析方法的核心是结合极化曲线与DRT-EIS的定量评估框架： 1. 不可逆衰减量化：定义极化曲线测得的额定电压衰减主要反映不可逆性能衰减，而实际运行电压与额定电压之差则对应可逆性能衰减的贡献。 2. EIS-DRT反卷积：对所有EIS数据进行DRT分析。首先使用Lin-KK工具验证EIS数据的可靠性。随后，采用高斯径向基函数进行离散化，并应用二阶正则化（参数λ=10⁻⁶）来抑制噪声干扰。DRT将谱图分解为对应于不同时间常数的峰，主要识别出三个过程：催化剂层内的质子传输、电荷转移（氧还原反应，ORR）以及质量传输（氧扩散）。通过积分每个特征峰下的面积（公式3），可以定量计算出对应的极化电阻：质子传输电阻（R_pt）、电荷转移电阻（R_ct）和质量传输电阻（R_mt）。高频区实轴截距对应欧姆电阻（R_ohm）。 3. 过电位贡献计算：EIS得到的是微分极化电阻。为了评估各极化过程在工作负载下对过电位（电压损失）的贡献，需要将不同电流密度下提取的极化电阻沿电流进行积分（公式4和5），得到对应的过电位增量。同时，开路电压（OCV）的衰减直接从极化曲线中提取，并根据其与电化学活性表面积（ECSA）的对数关系（公式11），用于评估ECSA损失对电压衰减的贡献（假设氢渗透电流恒定）。 4. 可逆衰减机理分析：对于FC1，通过比较每次极化曲线测量前后（均在70 A电流下）的EIS及其DRT结果，分析R_ct和R_mt等参数的变化，并将其与观察到的电压恢复行为相关联，从而定性推断可逆衰减的机理。根据假设，利用额定电流下极化电阻的变化来近似估算过电位的变化（公式12）。
主要研究结果
1. 不可逆性能衰减的特征与量化 对FC1和FC2在整个耐久性测试期间（7个测量点）的EIS进行DRT分析，成功分离了各极化过程。结果表明： * R_ohm在整个测试期间几乎保持不变。 * R_pt值很小（约0.001 Ω），且随时间变化不大，对性能衰减贡献可忽略。 * R_ct随电流密度增大而减小（符合活化极化特性），但随时间推移在所有电流密度下均逐渐增加，表明阴极催化剂层（CCL）的反应动力学发生退化。 * R_mt在低中电流下较稳定，但在70 A高电流下显著增加，且随时间呈单调上升趋势，表明PEMFC内部传质环境逐步恶化。FC2的R_mt增长比FC1更快，说明动态运行条件加速了传质退化。
通过将极化电阻积分并结合OCV衰减，定量评估了各过程对额定电压衰减的贡献。对于FC1： * 不可逆衰减导致额定电压总共下降0.142 V。 * ECSA损失（通过OCV衰减体现）和R_ct增加是主要原因，分别贡献了总过电位增量的37.3%和34.9%。 * R_pt贡献为负（-7.7%），意味着略有改善，可能归因于离聚物水合度增强。 * R_mt对应的过电位波动较大，但测试末期净值贡献很小（4.9%），暗示其可能包含可逆的衰减成分。 * 各过程贡献之和估计了87.3%的实验观测电压衰减，验证了方法的可靠性。
对于FC2，其衰减模式与FC1相似，但波动更大。ECSA和R_ct的贡献仍占主导（38.7%和43.6%）。R_ct导致的过电位增加（0.081 V）显著高于FC1（0.049 V），表明高频波动电流可能加速了CCL的降解。同时，FC2的R_ohm也出现明显增长，意味着动态条件也加剧了膜的退化。
2. 可逆性能衰减过程的表征与机理 耐久性测试数据显示，每次极化曲线测量后，FC1和FC2的性能都出现明显恢复，且恢复程度随测试进行而加剧，这证实了运行中同时存在可逆和不可逆衰减成分。
专门针对FC1的“前后对比”EIS-DRT分析揭示了关键机理： * R_ohm和R_p在测量前后基本无变化，说明它们不参与可逆过程。 * R_ct和R_mt在测量前和测量后的值存在显著差异，且这个差异从测试开始到823小时逐渐增大，与电压恢复现象越来越明显的趋势一致。 * 在991小时，测量前后R_ct和R_mt的差异明显缩小，表明运行后期可逆衰减的程度变得有限。
Nyquist图直观显示，测量前的质量传输弧远大于测量后，活化弧也略有减小。在额定电流下，质量传输过程主导阻抗响应。这些结果表明，可逆性能衰减主要受电荷转移电阻和质量传输电阻的瞬态变化所控制。这些变化与电池内部的局部水淹和水的再分布密切相关。例如，运行中水管理恶化（如亲水性增加）导致液态水积聚，阻碍了氧的传质（R_mt增加）并可能覆盖部分活性位点（影响R_ct），引起电压下降。极化曲线测量过程（从低到高的电流扫描）可能改变了电池内部的温度、压力和气流，促进了液态水的排出或再分布，从而暂时恢复了传质和反应条件，表现为R_mt和R_ct的减小以及电压恢复。
结论与价值
本研究通过极化曲线与EIS-DRT分析的定量协同，揭示了PEMFC可逆与不可逆性能衰减行为的机理。主要结论如下： 1. 不可逆衰减主要由ECSA损失和阴极催化剂层退化（表现为R_ct增加）驱动，两者贡献了超过70%的不可逆过电位增长。动态运行条件会加速这些退化过程。 2. 可逆衰减源于质量传输限制和部分可恢复的电荷转移电阻变化，其根本机理与内部水管理（局部水淹/再分布）密切相关。 3. 所提出的结合极化曲线与DRT-EIS的定量评估框架，能够有效区分和量化这两种衰减模式，估测结果与实验数据吻合良好。
研究的科学价值与应用意义： * 科学价值：提供了对PEMFC复杂衰减机理更深入、更定量的理解，特别是明晰了可逆与不可逆衰减的物理化学起源及其主导因素。证明了DRT方法在解耦重叠电化学过程和关联宏观性能与微观动力学方面的强大能力。 * 应用价值：建立了一个综合诊断框架，为燃料电池的原位健康状态评估提供了新途径。该框架能够识别可恢复的性能损失，区分由水管理引起的暂时性衰退和由材料老化导致的永久性衰退。这对于开发车用燃料电池系统的预测性维护策略、性能恢复协议和寿命延长方案具有重要指导意义。例如，通过在线EIS监测和DRT分析，可以判断电压下降是否由可逆的水淹引起，从而触发相应的吹扫或操作条件调整策略，避免不必要的停机或误判电池寿命。
研究亮点
这项研究代表了在理解和管理PEMFC耐久性方面的一个重要进展，为下一代燃料电池应用的智能自适应衰减管理奠定了方法论基础。作者指出，未来的工作将聚焦于将该方法扩展到实时车载实施，并探索其与数据驱动的预测模型相结合，以实现更智能的寿命管理。