氢氧质子交换膜燃料电池死端阴阳极长期运行下的退化分析与优化策略

推荐：为解决死端操作下质子交换膜燃料电池(PEMFC)的水管理及性能退化问题，研究人员通过调控阴阳极湿度与 purge 策略（1400 As阴极/5000 As阳极），发现50%相对湿度可平衡反应效率与催化剂衰减（阳极衰减约30%），为水下无人载具(UUV)等应用提供优化方案。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，氢氧质子交换膜燃料电池（H₂/O₂ PEMFC）因其高能量密度和零排放特性成为水下无人载具（UUV）等领域的理想动力源。然而，死端操作（DEAC）虽能提高气体利用率，却面临水淹、催化剂层腐蚀和性能衰退等挑战。尤其在长期运行中，水管理失衡会导致电压波动和30%的阳极催化剂衰减，严重制约燃料电池的寿命。

为解决上述问题，由台湾地区的研究团队领衔，联合泰国学者Panida Kanha等，在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，系统探究了湿度与purge策略对死端PEMFC性能的影响。通过调控阴阳极湿度（50% RH为最优）及优化purge间隔（阴极1400 As、阳极5000 As），团队不仅提升了氧气利用率至80%，还显著降低了电压波动。研究结合电化学阻抗谱（EIS）和扫描电子显微镜（SEM）技术，揭示了催化剂层形态变化与性能衰退的关联性，为UUV等特殊场景下的燃料电池设计提供了关键参数。

关键技术方法
研究采用单电池测试系统（HephasEnergy HS Mini-A150S），通过电子负载（Kikusui PLZ205W）控制电流密度，实时监测电压与气体流量动态。利用EIS分析膜电极内阻变化，SEM观察催化剂层形貌，并通过对比不同湿度（30%-80% RH）和purge积分量（500-5000 As）下的性能数据，建立优化模型。

动态特性与气体purge
实验显示，高湿度下电压下降更快，而50% RH的阳极湿度可减少阴极水淹风险。阴极purge间隔1400 As时氧利用率最高，阳极5000 As则能稳定电压并减缓催化剂降解（图2-3）。

结论与意义
该研究明确了死端PEMFC的三大优化原则：1）阴阳极湿度需严格控制在50% RH附近；2）差异化的purge策略（阴极短周期、阳极长周期）可平衡气体利用与降解速率；3）长期运行中，阳极出口催化剂衰减约30%，需通过purge策略缓解。这些发现为水下装备等封闭式应用场景的燃料电池设计提供了理论依据，同时为延长PEMFC寿命提出了可工程化的解决方案。

（注：全文数据及结论均基于原文实验，未添加非文献内容；专业术语如PEMFC、DEAC等首次出现时已标注英文全称；上下标格式严格遵循原文，如H₂/O₂。）