质子交换膜燃料电池低温停机吹扫目标含水状态的多指标评价体系研究

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)低温停机吹扫中传统单指标评价体系忽略水含量-冷启动性能-寿命间交互作用的问题，研究人员通过定义典型停机含水状态，结合-20°C冷启动实验和85次冻融(F-T)循环测试，建立多指标评价体系。研究发现State 3能平衡冷启动能力、F-T循环寿命、吹扫时间和初始1 kHz阻抗，为优化低温停机策略提供科学依据。

　　

在碳中和背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效环保特性成为交通能源领域的新宠。然而低温冷启动时，残留水分结冰会堵塞气体通道、覆盖催化位点；过度吹扫又会导致质子传导受阻——这个"水多了涝、水少了旱"的难题严重制约PEMFC商业化进程。更棘手的是，现有研究多采用单指标（如高频电阻HFR或吹扫时间）评价停机含水状态，忽视了水含量与冷启动性能、组件寿命间的复杂关联，导致策略制定如同"盲人摸象"。

为解决这一系统性难题，同济大学团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地构建了多指标评价体系。通过定义四种典型停机含水状态（State1-4），结合-20°C恒温冷启动实验和85次冻融循环测试，首次量化分析了含水状态对累计产水量、初始1 kHz阻抗及极化电阻增长率的影响。研究发现State 3能实现冷启动能力（累计产水量>1.2 g）、组件寿命（极化电阻增长率<15%）与能耗效率（吹扫时间<180s）的最佳平衡，为低温停机吹扫提供了精确的"水含量导航图"。

关键技术方法包括：1）基于水含量变化阈值划分停机状态三阶段模型；2）-20°C恒温冷启动实验监测累计产水量和阻抗变化；3）85次冻融循环加速老化测试；4）四参数（累计产水量/吹扫时间/初始1 kHz阻抗/极化电阻增长率）综合评价体系。

【Determination of typical shutdown water content states based on threshold values】
研究通过三阶段模型精确定义停机含水状态：Stage 1清除流道下方扩散层(DM)液态水；Stage 2同步清除肋板下方DM液态水并干燥流道下方催化剂层(CL)和质子交换膜(PEM)；Stage 3深度干燥CL和PEM。实验捕捉到State 3（对应Stage 2末期）时膜水含量λ≈5，兼具适度水合与防冻优势。

【Analysis of cold start related indicators for typical shutdown water content states】
-20°C冷启动实验显示，State 3的累计产水量达1.24 g（较State 4提升18%），初始1 kHz阻抗稳定在0.18 Ω·cm²
，膜水合时间缩短40%。而State 4因过度干燥导致启动初期质子传导受阻，State 1则因冰堵引发启动失败。

【Freeze-thaw cycling test for different shutdown water content states】
85次冻融循环后，State 3组极化电阻增长率仅为12.7%，显著低于State 4（21.3%）和State 1（34.5%）。显微分析证实State 3能有效抑制CL开裂和PEM离聚物降解。

研究结论揭示，State 3作为最优目标含水状态，其λ≈5的水含量既保证冷启动时快速质子传导（HFR<0.2 Ω·cm²
），又避免过量水引发冰晶损伤。该成果突破传统单指标局限，建立的"四维评价罗盘"为PEMFC低温运维提供标准化方案。实际应用中，建议采用三阶段闭环吹扫策略，在HFR升至18-22 mΩ·cm²
区间时终止吹扫，可同步提升冷启动成功率和组件耐久性。这项研究不仅填补了多指标协同评价的理论空白，更为燃料电池在寒区应用扫清技术障碍。