一种基于退化特性的新型配置技术，用于最小化质子交换膜燃料电池堆的功率损耗

《International Journal of Hydrogen Energy》：Novel degradation-based configuration technique for power loss minimization of PEMFC stacks

　　•在静态和动态条件下，研究了退化速率和模式的影响。
•提出了一种重配置技术，作为传统串联和串并联连接方式的替代方案。
•在任何条件和状态下，所提出的方法比传统方法提供更高的功率输出。
•所提出的技术不受退化模式的影响，而其他策略则受到严重影响。
•与S和SP策略相比，MPL（失配功率损耗）分别恢复了高达52.9%和37.7%。

引言

世界能源需求随着人口快速增长而持续增加。当前能源需求大部分由不可再生能源提供[1]。然而，全球对可再生能源的关注正以可持续的速度显著增加[2],[3],[4],[5]。氢具有高能量密度，是一种丰富的潜在燃料，也是一种清洁能源载体[6]。燃料电池通常通过产生水和热量，利用燃料（主要是氢）中的电子来发电[7]。作为高效的能源转换技术，燃料电池符合并有助于限制碳足迹[8],[9]。尽管已开发出多种燃料电池类型，但质子交换膜或聚合物电解质膜（PEM）燃料电池是改进最多且最受青睐的[10]。快速启动和高功率密度特性是PEM燃料电池最独特和最吸引人的特点[11],[12]。由于其静音运行和快速响应特性，它们已广泛应用于多个领域[13]。固定式、发电厂、无人机、航空和便携式产业是这些技术的主要应用领域，此外还有汽车（交通）[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22]。

单个PEMFC的组件包括双极板、端板、集流板和膜电极组件（MEA）。端板提供压缩力并保持组件的刚性[23]。双极板由高导电材料（主要为金属基）制成，并通过其通道系统供应流体[24],[25]。MEA是一种聚合物基膜，在阳极和阴极两侧均具有催化剂和气体扩散层[26]。当燃料到达催化剂层时，膜不允许电子转移到阴极侧；相反，电子通过外部电路输送。因此，燃料电池系统产生电能，并持续到燃料耗尽。

PEMFC的商业化受到关键问题的阻碍，例如高铂催化剂成本、阴极水淹和耐久性差[27],[28]。运行寿命要求和技术性能预期是指导进一步商业化的基准。然而，在长期运行中，电堆在多种不可逆条件下退化，降低了整体性能。这种退化源于燃料电池的运行原理，并以不同程度影响每个电堆组件[29],[30]。影响退化的各种内部和外部因素已在文献中报道。内部因素包括组件本身，如膜、催化剂、气体扩散层和双极板[31],[32],[33]。外部原因可列为环境条件，如温度、湿度和杂质[34],[35],[36]。材料层面的增强有助于减少内部因素导致的退化。Agravante和Gostick[37]开发了一个瞬态孔隙尺度模型来研究铂退化。他们模拟了氧还原反应，包括铂溶解和氧化反应，并观察到铂离子浓度和表面积损失的变化。此外，还详细描述了由团聚收缩引起的局部退化以及铂损失与传输路径的相关性。在另一项研究中，退化机制根据基于人工智能的神经网络方法进行了分类。Schopen等人[38]在考虑空气化学计量比、空气湿度和电池温度的情况下，利用阻抗数据关注了与水管理相关的退化。他们提出了一种验证准确率为99.5%的神经网络策略，并报告该方法能够早期识别退化类别和影响。Golaghaei等人[39]研究了提高PEM燃料电池巴士催化剂层耐久性的方法。通过将驾驶循环转化为电压曲线来模拟退化机制。发现退化与驾驶循环的波动直接相关。通过实施的优化研究，实现了20%的寿命提升（约增加2000小时）。Hegde等人[40],[41]回顾了催化剂层退化机制。研究人员与退化内部因素并行地研究了膜退化[29],[31],[42]、气体扩散层退化[32]、双极板退化[24]和端板退化[33]。

另一方面，定义为上述外部因素的环境和运行参数，是状态设计无关且不受控制的条件。这些情况是非稳态的，可能对退化产生毁灭性影响，特别是在极端条件下，如过热、过湿，或反之[43]。Seo等人[44]研究了在启动-关停循环运行中湿度水平和MEA退化的综合效应。Stodel等人[26]检查了高频电流纹波对MEA退化的影响。Trogisch等人[19],[34]研究了汽车PEM燃料电池在高运行温度下的退化。外部因素强烈影响电堆组件。另一个影响机制是燃料杂质，如上所述。PEM燃料电池对燃料纯度非常敏感。污染物或杂质在催化剂表面形成化合物[45],[46]。随着表面化合物形成的持续，非化合物Pt离聚物减少。结果，反应速率减慢，活性电化学反应面积减小。这被称为催化剂中毒，也是一种退化形式。退化的MEA无法100%利用送到该区域的燃料。大量燃料未反应就离开活性区域[47]。因此，这导致燃料耗散和功率下降。燃料利用率是PEM燃料电池的另一个关键性能指标[48]。将未使用的氢气释放到大气中会增加排放并降低性能[49]。然而，由于氢气成本高昂且性能衰减，文献提供了许多提高利用率的方法[48],[50],[51],[52]。

每个PEM燃料电池由极化曲线表征，并从曲线确定峰值点。峰值点表示相对于其容量可以通过电堆达到的最大功率点（MPP）。电堆应达到并维持在该点运行以实现功率优化[53]。它允许在最优功率点范围内设置和控制输入参数。在最大功率点及以上运行是不切实际的，会降低电堆的效率和耐久性。另一方面，额定点表示电堆系统在最大功率点以下的安全运行范围。燃料电池在额定条件下运行以实现稳定、长期的运行。尽管多个电堆同步运行，系统由单一极化曲线表示。在PEM燃料电池运行中，退化不可避免，并且在不同电堆中以不同水平和机制发生。因此，极化曲线的凹结构受损，并因退化而出现局部峰值点[54]。可以实施最大功率点跟踪（MPPT）技术来执行最优功率提取[55]。Kebbab等人[53]旨在通过仿生MPPT在可变动态运行条件下（如电池温度和反应物与氧化剂气体的分压）提高PEMFC效率。Hai等人[56]考虑了温度和膜含水量的变化，并使用基于增量电导法的MPPT策略找到了MPP。使用一个7?kW的PEMFC电堆系统来研究所提出方法的效率。Wu和Lu[57]提出了一种基于级联前馈神经网络的数据驱动MPPT方法，作为传统MPPT方法的替代方案。所提出的CFNN-DGS方法被发现在效率上优于七种先进的元启发式算法。最后，?nci和Aydemir[58]回顾了最大功率的MPPT方法、参数和控制算法。此外，文献中报道了许多基于控制的MPPT方法来最大化功率跟踪[55],[59],[60],[61]。大多数基于控制的功率输出最大化研究提出了新颖算法，与经典算法结构相比更为突出。

然而，如果系统未确定正确的MPP，功率损耗会增加。此外，即使系统产生更多功率，它也以较低功率水平运行。这种情况常被忽视，并且是一个需要研究和改进的基本问题，因为它会导致功率损失。本研究清楚地阐明了PEMFC基MPPT方法中的问题。所处理的问题、所提出的解决方法以及主要贡献如下。

•在多个电堆运行中，退化不可避免地在不同水平发生，并在整个服役期间持续。由于退化，出现新的局部峰值点，全局最大功率点下降。此外，局部峰值点的接近增加了另一复杂性：确定原始全局峰值功率点。
•退化导致功率损失；然而，这些损失功率的很大一部分仍可被挽救，最大功率输出可以得到改善。局部峰值点可以通过理想的配置策略来缓解。因此，峰值点的差异可能减小，整体功率输出得到增强。
•本研究提供了一种策略来减少因局部峰值点形成而导致的功率损失，该损失可以被消除，称为失配功率损耗（MPL）。所提出的方法通过受控切换机制调节电堆的功率状态。PEM电堆通常以串联或串并联配置连接。然而，这些固定连接不允许重新排列电堆的功率输出。所提出策略的可重构、灵活结构是其多个电堆运行的主要特征。

为此，通过16个PEMFC电堆以4×4配置连接来研究失配功率损耗的影响。在各种退化模型和水平下研究电堆的总功率输出。由于PEMFC电堆在动态条件下面临运行限制，本研究在静态（离线）和动态（在线）运行下进行[62]。所提出的策略对所有退化模型都提供了响应。将获得的输出功率与传统连接策略进行比较，并强调所提出策略在功率恢复中的重要性。尽管本研究针对4×4配置系统，但相同的方法可以可靠地应用于多个电堆配置和退化水平。

章节摘录

材料与方法

研究问题、文献中的现有方法以及所提出的替代方案在以下小节中介绍。首先讨论失配功率损耗的起源、其原因及其带来的问题。然后，给出研究中使用的PEM燃料电池电堆、其规格和运行条件。最后，介绍PEM电堆的经典连接配置，并讨论所提出的配置策略。配置操作

结果与讨论

结果分两大组研究：在静态和动态条件下。在3.1节“所提出的配置技术在离线退化条件下的性能”中，4×4配置的16个PEMFC电堆以不同模式退化。一些电堆退化15%或30%，而其他则未退化。因此，在各种静态退化模型和水平下研究电堆的总功率输出。所提出策略的性能是结论

整体电堆功率损失源于不可避免且不可逆的退化。另一方面，基于退化的功率波动导致电气失配。本研究提供了一种关键策略来最小化MPL，从而最大化输出功率。所提出的策略通过按退化水平（从低到高）重新组织电堆来识别最优连接，并提供最大功率输出，无论退化模式如何。相同的功率输出结果是

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