质子交换膜燃料电池多模块堆在选定负载工况下的性能退化实验研究学术报告

第一作者与研究机构

本研究的通讯作者为Caizhi Zhang（重庆大学机械与车辆工程学院、机械传动国家重点实验室、重庆汽车协同创新中心）与Kaiqing Zhang（招商局检测车辆技术研究院有限公司、重庆市电动汽车安全评测信息技术重点实验室）。第一作者Weifeng Huang和Tong Niu来自重庆大学同一研究团队，合作单位包括成都 SinoCAT 环境技术有限公司和哈尔滨工业大学（深圳）。研究发表于能源领域期刊 Energy 第270卷（2023年），文章标题为 *Experimental study of the performance degradation of proton exchange membrane fuel cell based on a multi-module stack under selected load profiles by clustering algorithm*。

学术背景

科学领域与动机
质子交换膜燃料电池（PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell）作为新能源汽车（NEVs）的核心技术，具有高功率密度、低温运行和快速启动等优势。然而，其商业化进程受限于耐久性问题。传统寿命测试多基于稳态条件（恒定电压/电流），但实际车辆运行中动态负载（如启停、怠速、高功率波动）会加速电池退化。现有研究缺乏对典型车用工况的系统性对比，且多堆实验结果常因环境条件不一致而难以直接比较。

研究目标
1. 通过聚类算法筛选代表性动态工况（城市与高速工况），设计对应的耐久性测试协议；
2. 利用新型四模块燃料电池堆在同一环境条件下同步测试不同工况的退化特性；
3. 量化动态负载对性能退化的影响，揭示退化阈值与电流依赖关系。

研究流程与方法

1. 基于聚类算法的工况筛选

• 数据来源：从ADVISOR数据库中提取35种标准驾驶循环（如NEDC、FTP75、JC08等），选取23项特征参数（如平均速度、加速度标准差、怠速时间占比等）。
  
• 算法应用：采用层级聚类（Hierarchical Clustering）结合Ward法计算类间距离，通过欧氏距离衡量相似性。数据经最小-最大归一化处理后，最终将工况划分为两类：城市驾驶循环（频繁启停、低功率占比高）与高速驾驶循环（持续高功率、低怠速）。
  
• 创新点：首次将无监督学习应用于PEMFC工况分类，避免了传统NEDC/WLTP等理想化循环的局限性。
  

2. 实验设计与实施

• 研究对象：定制化风冷四模块PEMFC堆（额定功率900W，48单电池分为4模块，每模块12电池），模块4因入口端退化较快未被使用。
  
• 测试协议：
  
  • Profile 1：城市工况（20%开路电压、13.3%过载状态）；
    
  • Profile 2：高速工况（持续高功率输出）；
    
  • Profile 3：稳态条件（15A恒定电流）作为对照组。
    
• 数据采集：
  
  • 电压监测：DAQ以10Hz采样三模块电压，持续200小时；
    
  • 电化学阻抗谱（EIS）：每周使用Gamry工作站测量Nyquist曲线（15A扰动，频率50mHz–10kHz）；
    
  • 极化曲线：记录不同电流密度下的电压损失。
    
• 环境控制：氢气压力0.5–0.7bar，温度阈值55°C，统一散热风扇与 purge周期（30秒/次）。
  

3. 数据分析方法

• 退化指标：
  
  • 欧姆电阻（Ohmic Resistance）与活化电阻（Activation Resistance）从EIS曲线提取；
    
  • 电压衰减率通过线性拟合计算，辅以皮尔逊相关系数验证线性关系；
    
  • 高电流（40A）与低电流（10A）下的电压衰减百分比对比。
    

主要结果

1. 电化学阻抗分析

• 时间阈值现象：城市工况（模块1）在50小时后欧姆电阻与活化电阻显著上升（分别增加21%和15%），高速工况（模块2）在50–100小时出现类似转折，而稳态组（模块3）阈值延迟至100小时后。表明动态负载加速了膜电极组件（MEA）的不可逆损伤。
  
• 微观机制：高频区欧姆电阻增长归因于质子交换膜变薄与接触电阻增加；低频区活化电阻上升反映催化剂Pt颗粒团聚与电化学活性面积（ECSA）损失。
  

2. 极化曲线与电压衰减

• 电流依赖性：高电流区（>30A）浓度极化损失占主导，模块1在40A时电压衰减率达14.61%，远超EOL（End of Life）阈值（10%）。稳态组在15A时仅衰减4.76%。
  
• 动态工况影响：城市工况（模块1）因频繁负载变化导致电压波动幅度达4V，皮尔逊系数仅为-0.10（线性关系弱），而稳态组（模块3）为-0.72。
  

3. 电压恢复现象

测试间歇期观察到的电压短暂回升（如模块1的147小时数据）归因于：
- 停机时电极水分减少，缓解浓差极化；
- 极化曲线测试过程中Pt氧化物还原暂时恢复催化剂活性。

结论与价值

科学意义：
1. 揭示了动态工况下PEMFC退化的非线性阈值特性，为寿命预测模型提供理论依据；
2. 证实城市工况对耐久性的影响最显著，提出需优化功率分配策略以减少频繁负载变化的冲击。

应用价值：
1. 多模块堆设计可同步比较不同工况，大幅降低实验成本与条件偏差；
2. 聚类算法筛选工况的方法可扩展至其他燃料电池应用场景（如固定式发电）。

研究亮点

1. 方法创新：首次结合层级聚类与多模块堆实验，实现工况分类-退化关联的一体化研究。
   
2. 技术突破：定制化堆栈设计解决了传统多堆实验中湿度、压力同步控制的难题。
   
3. 发现阈值效应：明确了动态负载会提前触发性能“拐点”，为车载PEMFC的预警系统开发提供关键参数。
   

局限性展望

1. 未通过SEM等微观手段验证组件形貌变化；
   
2. 未来可结合健康管理系统（PHM）实现剩余寿命预测。