在冻融循环中，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的多参数退化：组装力及初始膜含水量对运输应用中冷启动耐久性的影响

《eTransportation》：Multi-parameter degradation of PEMFCs in freeze/thaw cycles: Impacts of assembly force and initial membrane water content on cold start durability for transportation applications

燃料电池在冻融循环下的性能退化机制及影响因素研究。摘要：分析不同初始膜水分含量和装配力下燃料电池冻融循环的降解机理，发现高装配力加剧气扩散层损伤导致质量传输阻力增加202%，高初始水分使催化剂层活性面积减少29%。结论为提升低温环境可靠性提供理论支撑。

　　本研究聚焦于质子交换膜燃料电池（PEMFCs）在极端低温环境下的适应性问题，特别是其在频繁经历冻融循环（Freeze/Thaw, F/T）过程中所面临的性能退化与结构损伤挑战。随着全球对清洁能源和零碳排放交通工具的需求日益增长，燃料电池因其高功率密度、低运行噪音以及零碳排放等优势，被视为实现交通能源结构转型和推动“双碳”目标的关键技术路径。然而，燃料电池在低温地区的广泛应用仍受到耐久性瓶颈的限制，尤其是在寒冷启动和反复冻融循环条件下，其性能稳定性与使用寿命面临严峻考验。

在寒冷启动过程中，水分的冻结会导致膜电极组件（MEA）中的孔隙结构发生不可逆膨胀，这种现象不仅影响燃料电池的输出性能，还可能引发结构损伤，如催化剂层（CL）的微孔或裂纹，以及气体扩散层（GDL）的弯曲或断裂。这些结构损伤会显著降低电化学活性表面积（ECSA），进而影响燃料电池的电化学反应效率。同时，反复的冻融循环会加剧GDL、CL和膜的累积性损伤，导致质量传输阻力增加，从而降低燃料电池的整体性能。

为了更深入地理解这些退化机制，研究团队设计了一套综合性的实验方案，包括初步实验、加速应力测试以及微观形态观察。初步实验主要涉及膜水分含量的校准、冻结时间的校准以及GDL和CL的微观结构分析。通过这些实验，研究人员能够更准确地确定实验条件，并为后续的加速应力测试提供科学依据。加速应力测试则模拟了实际使用环境中可能遇到的冻融循环，通过改变初始膜水分含量和装配力，评估不同条件下燃料电池的性能退化情况。测试过程中采用了电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）等手段，以全面分析燃料电池在冻融循环中的退化过程。

实验结果显示，装配力对GDL的损伤具有显著影响，而初始膜水分含量则对CL的损伤具有更强的作用。具体而言，在装配力较高的情况下，GDL的退化更加严重，导致质量传输阻力增加，从而降低燃料电池的输出性能。例如，在13 N·m的装配力条件下，经过5次冻融循环后，GDL的低频峰分布增加了202%。另一方面，初始膜水分含量较高时，虽然对GDL的退化影响较小，但对CL的退化具有显著促进作用，这在实验中得到了验证：在初始膜水分含量为100%的情况下，经过5次冻融循环后，CL的电化学活性表面积减少了29%。

这些发现表明，装配力和初始膜水分含量是影响燃料电池在冻融循环中性能退化的关键因素。装配力对GDL的损伤更为直接和显著，而初始膜水分含量则对CL的退化具有更深远的影响。因此，在设计燃料电池时，需要综合考虑这些因素，以优化其低温性能和使用寿命。此外，研究还指出，不同材料在冻融循环中的退化特性存在差异，例如膜厚度、材料种类等都会影响燃料电池的整体性能表现。因此，未来的研究应进一步探索不同材料在冻融循环中的退化机制，以找到更有效的解决方案。

本研究的意义在于，通过系统性的实验分析，揭示了燃料电池在冻融循环中的退化机制，为提升燃料电池在低温环境下的可靠性提供了理论支持。这一成果不仅有助于推动燃料电池在寒冷地区的应用，也为实现交通领域的“双碳”目标提供了重要的技术参考。此外，研究团队还强调了在设计冻融循环实验时，需更加关注加热和冷却时间的科学性和合理性，因为这些时间直接影响内部冰的形成，进而影响燃料电池的结构稳定性。因此，未来的研究应更加注重实验条件的优化，以确保实验结果的准确性和可靠性。

总体而言，本研究通过多方面的实验设计和数据分析，深入探讨了燃料电池在冻融循环中的性能退化问题。研究结果表明，装配力和初始膜水分含量是影响燃料电池结构损伤和性能退化的重要因素。在装配力较高的情况下，GDL的退化更为严重，导致质量传输阻力增加，从而降低燃料电池的输出性能。而在初始膜水分含量较高的情况下，虽然对GDL的退化影响较小，但对CL的退化具有显著促进作用，导致电化学活性表面积减少，进而影响燃料电池的电化学反应效率。这些发现为燃料电池在低温环境下的优化设计提供了重要的理论依据，也为推动其在寒冷地区的应用和商业化提供了科学支持。

此外，研究还指出，在设计冻融循环实验时，需更加关注加热和冷却时间的科学性和合理性。由于不同材料（如金属端板、石墨双极板等）在冻融循环中的热响应特性存在差异，单个燃料电池的温度滞后现象较为明显。这种温度滞后不仅影响实验的准确性，还可能对燃料电池的实际运行产生不利影响。因此，未来的研究应更加注重实验条件的优化，特别是温度关系的分析，以确保实验结果的科学性和实用性。

本研究的实验方法和数据分析手段为燃料电池在冻融循环中的性能评估提供了新的思路。通过采用高倍光学显微镜和扫描电子显微镜等手段，研究人员能够直观地观察GDL和CL在冻融循环后的微观结构变化，从而更准确地评估其损伤程度。这些微观结构分析不仅有助于理解燃料电池在冻融循环中的退化机制，还为优化燃料电池的结构设计提供了重要参考。同时，研究团队还强调了在冻融循环过程中，多因素影响的重要性，例如温度变化、循环频率以及初始水分含量等。这些因素共同作用，导致燃料电池在不同条件下表现出不同的退化特性。

综上所述，本研究通过系统性的实验设计和多维度的数据分析，揭示了燃料电池在冻融循环中的性能退化机制。研究结果表明，装配力和初始膜水分含量是影响燃料电池结构损伤和性能退化的关键因素。在装配力较高的情况下，GDL的退化更为严重，导致质量传输阻力增加，从而降低燃料电池的输出性能。而在初始膜水分含量较高的情况下，虽然对GDL的退化影响较小，但对CL的退化具有显著促进作用，导致电化学活性表面积减少，进而影响燃料电池的电化学反应效率。这些发现不仅为燃料电池在低温环境下的优化设计提供了理论支持，也为推动其在寒冷地区的应用和商业化提供了科学依据。

此外，本研究还强调了在设计冻融循环实验时，需更加关注加热和冷却时间的科学性和合理性。由于不同材料在冻融循环中的热响应特性存在差异，单个燃料电池的温度滞后现象较为明显。这种温度滞后不仅影响实验的准确性，还可能对燃料电池的实际运行产生不利影响。因此，未来的研究应更加注重实验条件的优化，特别是温度关系的分析，以确保实验结果的科学性和实用性。

通过本研究的实验方法和数据分析手段，研究人员能够更全面地评估燃料电池在冻融循环中的性能退化情况。这不仅有助于理解燃料电池在极端低温环境下的工作特性，还为优化其结构设计和提高其低温可靠性提供了重要参考。研究团队的成果表明，燃料电池在寒冷地区的应用需要综合考虑多种因素，包括装配力、初始膜水分含量以及材料特性等，以确保其在实际使用中的稳定性和耐久性。这些研究结果为未来燃料电池技术的发展提供了重要的科学支持，也为实现交通领域的“双碳”目标提供了关键的技术路径。