基于多物理场分区测量的质子交换膜燃料电池（PEMFC）中水管理缺陷的演化与局部特性研究

《Renewable Energy》：The evolution and local characteristics study of water management faults in PEMFC based on multi-physics zonal measurements

质子交换膜燃料电池（PEMFC）水管理故障演化规律及多物理场耦合机理研究，开发基于25区PCB的阴极侧多物理场同步在线监测系统，通过实验探究不同背压下水管理故障演化规律及机理，结合电化学阻抗谱分析发现：淹水时质量传输阻抗显著升高，干燥时欧姆阻抗和电荷转移阻抗明显增加，电流密度呈现非均匀分布，温湿度梯度与故障演化趋势一致。

　　在当前全球推动环境可持续发展的背景下，绿色增长和可再生能源的推广成为实现长期环境目标的重要手段。经济的增长、全球化以及可再生能源的利用对环境结果产生了不对称的影响，进一步凸显了开发清洁、高效能源技术的紧迫性。氢能源作为未来低碳能源系统中最具前景的能量载体之一，可以通过风能和太阳能等可再生能源驱动的水电解过程进行清洁高效的生产。因此，氢能源被视为实现可再生能源高效转换和储存的关键路径。在各种氢能利用方式中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高能量转换效率、低工作温度和零排放等优势，成为核心的技术之一。近年来，PEMFC在多个领域得到了广泛应用，包括交通运输、电动汽车供电以及便携式和固定式发电等。然而，在实际运行过程中，PEMFC可能会面临性能下降或故障风险，其中水管理问题尤为突出。水管理失衡可能导致燃料电池内部出现淹水或干燥等故障，这些故障会直接影响燃料电池的运行效率和寿命。

淹水故障会导致反应区域的堵塞，减少电化学活性表面积，从而影响反应物在流道、气体扩散层（GDL）和电解质之间的传输，最终导致电池性能的下降。干燥故障则会导致质子交换膜的水分不足，降低质子导电性，进而影响电池的输出性能。因此，研究PEMFC内部的淹水和干燥演化过程及其影响机制，有助于预测或避免水管理故障的发生，对提升燃料电池的性能和稳定性具有重要意义。

PEMFC是一种复杂的多物理场系统，涉及多个耦合过程，如质子传导、电化学反应、水分传输、气体扩散、热传导和相变等。对这些过程的建模和求解需要高度精确且复杂的计算，难以模拟实际工作条件下的PEMFC运行状态。因此，研究人员尝试使用可视化技术来观察燃料电池内部的液态水分布情况，例如透明电池、中子成像、X射线成像和磁测等方法。尽管这些技术能够提供对电池内部水分分布的直观观察，但它们受限于空间和时间分辨率，难以准确跟踪气液两相界面的运动，尤其是在微观层面的分析和研究中。一些研究人员通过压力降和电化学阻抗谱（EIS）测量来监控PEMFC内部的水分含量，从而实现对水管理的调节和对淹水故障的诊断。其中，通道内的水分含量是影响气体压力降变化的关键因素。例如，Li等人通过阴极压力降来研究PEMFC的水分管理，通过调整电池温度、气体压力和湿度来维持适当的水分含量，以避免发生淹水现象。EIS作为一种非侵入性技术，通过在电化学系统中施加低幅值的交流信号，并捕捉其谱响应，以反映实时的运行动态和界面电荷转移机制。已有研究表明，随着液态水的增加，零相阻抗会逐渐降低，而随着液态水含量的减少，零相阻抗则会波动上升。然而，这种方法无法反映局部水分含量状态，使得难以识别如局部淹水或干燥等非均匀分布的故障，从而限制了其在精细水管理诊断中的应用。

在PEMFC的水管理实时监测领域，一些非破坏性的成像技术如中子成像、X射线成像和核磁共振（NMR）已被用于研究液态水的生成、迁移和积聚行为。Kato等人利用时间分辨的原位同步X射线成像技术，研究了温度和相对湿度对PEMFC内部水凝结和传输行为的影响。Martinez等人结合双中子成像和高分辨率小角中子散射技术，定量分析了PEMFC通道内液态水的分布情况以及聚合物膜的膨胀行为，研究了PEMFC内部水的原位分布情况。Jiménez-García等人通过分子动力学模拟和核磁共振实验，研究了碳材料结构和膜厚度对PEMFC三相界面处水扩散行为的影响。尽管上述成像和表征技术在揭示PEMFC内部复杂的水行为方面具有重要价值，但它们往往依赖于大型实验平台，成本较高，且在实时性和系统集成方面存在局限。这些技术更适合用于实验验证和理论建模支持，但难以满足工程中对动态、多点原位监测的需求。

为了解决上述问题，本文采用了一种新型的PCB设计，将电流密度检测层与温度和湿度检测层集成在同一个PCB板上，从而实现了对多个物理量的同时监测。这种设计通过在PCB板底部嵌入智能设计的单片微型温度和湿度传感器，将底部和顶部板合并为一个整体，实现了对同一区域的电流密度、温度和湿度的同步在线监测。该方法避免了复杂的夹具安装，能够同时满足实时性和精度要求，实现多物理量的同步测量。基于这一多物理量原位监测设备，本文进行了不同运行条件下的淹水和干燥实验，并通过对局部物理量和EIS测量的监测，研究了不同出口背压下淹水和干燥的演化过程及其影响规律。通过这些测量，可以深入了解PEMFC内部的水含量变化，以及EIS在反映PEMFC阻抗变化方面的作用。结合整体和局部测量结果，可以深入分析电压下降的瞬态机制，并揭示水管理故障的发生机制及其影响规律，从而有效指导流场结构的设计和运行条件的优化，防止水管理故障的发生，提高PEMFC的可靠性和耐久性。

在PEMFC的多物理量原位监测设计中，当前的研究普遍面临测量参数单一、时空分辨率受限等问题，使得无法实现多个物理量的同时在线监测，这限制了对多物理场耦合因素的深入研究。为了解决这些问题，本文采用了一种集成的PCB设计，将电流密度检测层与温度和湿度检测层结合在一起，从而实现了对多个物理量的同步监测。该设计通过在PCB板底部嵌入智能设计的单片微型温度和湿度传感器，将底部和顶部板整合为一个整体，实现了对同一区域的电流密度、温度和湿度的同步在线监测。这种方法避免了复杂的夹具安装，同时满足了实时性和精度要求，使得多物理量的同步测量成为可能。基于这一多物理量原位监测设备，本文进行了不同运行条件下的淹水和干燥实验，并通过对局部物理量和EIS测量的监测，研究了不同出口背压下淹水和干燥的演化过程及其影响规律。通过这些测量，可以深入了解PEMFC内部的水含量变化，以及EIS在反映PEMFC阻抗变化方面的作用。结合整体和局部测量结果，可以深入分析电压下降的瞬态机制，并揭示水管理故障的发生机制及其影响规律，从而有效指导流场结构的设计和运行条件的优化，防止水管理故障的发生，提高PEMFC的可靠性和耐久性。

在实验过程中，我们观察到随着淹水程度的加剧，欧姆阻抗略有下降，而电荷转移阻抗则有轻微的上升，而质量转移阻抗则显著增加。电流密度分布变得更加不均匀，中间区域的电流密度较高，而出口区域的电流密度较低。湿度在通道下方逐渐增加，而平均温度则有所下降。相反，在干燥程度加剧的情况下，欧姆阻抗和电荷转移阻抗均显著上升，而质量转移阻抗则变化不大。电流密度的峰值向通道底部转移，湿度呈现出入口低、出口高的梯度变化，温度分布也变得不均匀，最高温度逐渐向通道底部移动。此外，仅在阳极施加背压更容易导致严重的淹水，而仅在阴极施加背压则有助于缓解干燥现象。

这些实验结果揭示了PEMFC在不同水管理状态下的运行特性变化。通过同时监测电流密度、温度和湿度，我们可以更好地理解燃料电池内部的水分布情况，以及这些水分布如何影响电化学性能。同时，结合EIS测量，我们可以进一步分析阻抗的变化趋势，从而识别不同故障状态下的物理机制。例如，在淹水状态下，阻抗的变化可能与水分在通道中的积聚有关，而在干燥状态下，阻抗的变化则可能与水分的缺失和膜的脱水有关。这些信息对于优化燃料电池的运行条件和流场结构具有重要意义，有助于提高其性能和稳定性。

此外，本文的研究还表明，PEMFC的运行状态和水管理特性在不同背压条件下表现出显著的差异。通过调整出口背压，我们可以控制燃料电池内部的水分分布，从而影响其运行性能。例如，在较高的出口背压下，水分更容易在通道中积聚，导致淹水现象的发生；而在较低的出口背压下，水分则更容易从通道中排出，导致干燥现象的发生。因此，出口背压的调整可以作为一种有效的手段，用于控制PEMFC的水管理状态，避免故障的发生。

本文的研究还揭示了PEMFC内部的水管理特性与其电化学性能之间的密切关系。通过同时监测电流密度、温度和湿度，我们可以更全面地了解燃料电池内部的物理状态，以及这些状态如何影响电化学反应的进行。例如，在淹水状态下，由于水分的积聚，电化学反应的有效表面积减少，从而影响电流密度的分布；而在干燥状态下，由于水分的缺失，质子导电性下降，从而影响电池的输出性能。因此，水管理状态的监测对于优化燃料电池的运行条件和提高其性能具有重要意义。

本文的研究方法结合了多种先进的监测技术，包括EIS测量和分区测量，以实现对PEMFC内部水管理状态的全面分析。通过EIS测量，我们可以获取燃料电池阻抗的变化趋势，从而识别不同故障状态下的物理机制。通过分区测量，我们可以获取燃料电池内部电流密度、温度和湿度的分布情况，从而分析这些分布如何影响电化学性能。这种结合多种监测技术的方法，使得我们可以更深入地理解PEMFC内部的水管理特性，以及这些特性如何影响其运行性能。

在实际应用中，PEMFC的水管理问题仍然具有挑战性。由于燃料电池内部的水分布复杂，且受多种因素的影响，如温度、湿度、气体压力和流场结构等，因此，如何有效监测和控制这些因素成为关键问题。本文提出的多物理量原位监测设备，通过集成电流密度、温度和湿度的监测功能，为解决这一问题提供了一种新的思路。该设备不仅能够实现对多个物理量的同时监测，还能够提供高精度的数据，从而为燃料电池的运行优化和故障诊断提供支持。

本文的研究还表明，PEMFC的水管理特性在不同运行条件下表现出显著的差异。例如，在稳定运行条件下，水管理相对平衡，而当系统处于非稳态或故障状态时，水管理特性则可能发生变化。因此，研究不同运行条件下的水管理特性，有助于理解PEMFC在实际运行中的行为，从而优化其运行条件和设计。此外，本文的研究还表明，水管理故障的发生机制与多个物理场的耦合有关，因此，需要综合考虑这些因素，以实现对水管理故障的全面分析和有效控制。

在本文的研究中，我们采用了多种实验方法，包括淹水和干燥实验，以及EIS测量，以研究PEMFC内部的水管理特性。这些实验方法能够提供详细的运行数据，有助于理解PEMFC在不同水管理状态下的行为。通过这些数据，我们可以分析PEMFC内部的水分布情况，以及这些分布如何影响电化学性能。同时，我们还可以分析不同背压条件下PEMFC的运行特性，从而优化其运行条件和设计。

本文的研究还表明，PEMFC的水管理特性与其运行性能之间存在密切的关系。通过同时监测电流密度、温度和湿度，我们可以更全面地了解燃料电池内部的物理状态，以及这些状态如何影响电化学性能。例如，在淹水状态下，由于水分的积聚，电化学反应的有效表面积减少，从而影响电流密度的分布；而在干燥状态下，由于水分的缺失，质子导电性下降，从而影响电池的输出性能。因此，水管理状态的监测对于优化燃料电池的运行条件和提高其性能具有重要意义。

本文的研究还表明，PEMFC的水管理特性在不同运行条件下表现出显著的差异。例如，在稳定运行条件下，水管理相对平衡，而当系统处于非稳态或故障状态时，水管理特性则可能发生变化。因此，研究不同运行条件下的水管理特性，有助于理解PEMFC在实际运行中的行为，从而优化其运行条件和设计。此外，本文的研究还表明，水管理故障的发生机制与多个物理场的耦合有关，因此，需要综合考虑这些因素，以实现对水管理故障的全面分析和有效控制。

本文的研究还表明，PEMFC的水管理特性与其运行性能之间存在密切的关系。通过同时监测电流密度、温度和湿度，我们可以更全面地了解燃料电池内部的物理状态，以及这些状态如何影响电化学性能。例如，在淹水状态下，由于水分的积聚，电化学反应的有效表面积减少，从而影响电流密度的分布；而在干燥状态下，由于水分的缺失，质子导电性下降，从而影响电池的输出性能。因此，水管理状态的监测对于优化燃料电池的运行条件和提高其性能具有重要意义。

通过本文的研究，我们不仅能够深入理解PEMFC内部的水管理特性，还能够揭示水管理故障的发生机制及其影响规律。这些信息对于优化燃料电池的运行条件和设计具有重要意义，有助于提高其性能和稳定性。此外，本文的研究还表明，PEMFC的水管理特性在不同运行条件下表现出显著的差异，因此，需要根据不同的运行条件进行相应的调整和优化，以确保燃料电池的稳定运行。

本文的研究还表明，PEMFC的水管理特性与其运行性能之间存在密切的关系。通过同时监测电流密度、温度和湿度，我们可以更全面地了解燃料电池内部的物理状态，以及这些状态如何影响电化学性能。例如，在淹水状态下，由于水分的积聚，电化学反应的有效表面积减少，从而影响电流密度的分布；而在干燥状态下，由于水分的缺失，质子导电性下降，从而影响电池的输出性能。因此，水管理状态的监测对于优化燃料电池的运行条件和提高其性能具有重要意义。

通过本文的研究，我们不仅能够深入理解PEMFC内部的水管理特性，还能够揭示水管理故障的发生机制及其影响规律。这些信息对于优化燃料电池的运行条件和设计具有重要意义，有助于提高其性能和稳定性。此外，本文的研究还表明，PEMFC的水管理特性在不同运行条件下表现出显著的差异，因此，需要根据不同的运行条件进行相应的调整和优化，以确保燃料电池的稳定运行。

综上所述，本文的研究为PEMFC的水管理问题提供了一种新的监测和分析方法。通过集成多物理量的监测功能，我们能够更全面地了解燃料电池内部的运行状态，并揭示水管理故障的发生机制及其影响规律。这些信息对于优化燃料电池的运行条件和设计具有重要意义，有助于提高其性能和稳定性。同时，本文的研究还表明，PEMFC的水管理特性在不同运行条件下表现出显著的差异，因此，需要根据不同的运行条件进行相应的调整和优化，以确保燃料电池的稳定运行。