基于熵权一致性指数的高功率质子交换膜燃料电池堆性能均匀性评估新方法

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Consistency evaluation of high-power PEM fuel cell stacks using an entropy-weighted index

本文针对千瓦级质子交换膜燃料电池（PEMFC）堆的"短板效应"问题，创新性地提出了一种融合香农熵与加权电压偏差的熵权一致性指数（EWCI），实现了对5 kW燃料电池堆性能均匀性的系统评估。该指数能在不同工况（温度、湿度、化学计量比、背压）下可靠识别性能异常单电池并量化其电压不稳定性，为新一代燃料电池系统的性能优化与智能健康管理提供了量化依据。

　　

Highlight

PEMFC stack performance under different operating conditions

为评估所设计燃料电池堆的输出性能，图4展示了在不同运行条件下燃料电池堆的极化行为、峰值功率输出和高频电阻（HFR）。实验结果表明，这些运行参数的提高在不同程度上增强了电堆性能（图4(a)–(d)），这与先前的研究一致[20,36,56]。具体而言，在电流密度为2 A/cm²时，电堆电压从7.10 V升高至10.04 V，峰值功率从3.07 kW提升至4.35 kW，这得益于反应气体传质和电化学动力学的改善。然而，在极端或不利条件下，例如低温（45 °C，案例1）、低相对湿度（RH，20%，案例4）、低氢气供应（化学计量比SR为1.4，案例9）和低背压（50 kPa，案例8），电堆性能显著下降。这些条件加剧了电堆内部的不一致性，导致"短板效应"更加突出，限制了整体性能。

Conclusion

为解决质子交换膜燃料电池（PEMFC）堆内部不一致性评估的难题，本研究提出了一种新颖的熵权一致性指数（EWCI），用于系统分析电堆异质性并综合评估其输出性能。通过在稳态和动态负载条件下追踪单电池的电压变化，EWCI能够定量评估电池级不均匀性的演变过程以及电堆整体的一致性水平。该指数还在运行条件、性能输出和内部一致性之间建立了明确的关联。