基于电流阶跃（CS）与物理信息神经网络（PINN）的质子交换膜水电解（PEMWE）电化学参数快速辨识及过电位分解

《Energies》：Multi-Objective Optimal Scheduling of an Integrated PV–Energy Storage System Based on MOPSO

　　

电化学参数辨识对于评估质子交换膜水电解（PEMWE）中的电化学过程至关重要。传统表征技术——包括极化曲线拟合、电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）和电流中断法（CI）——在高电流动态工况下进行快速诊断时面临显著局限，这些局限源于仪器电流额定值、测量时间、零电流控制以及数值微分中噪声放大的约束。研究人员提出一种简单电流阶跃（CS）方法，利用带电流源的简化等效电路模型准确辨识关键电化学参数并进行过电位分解。为解决电压瞬态分析中采样噪声导致导数计算数值不稳定的问题，引入物理信息神经网络（PINN）以增强信号平滑性同时确保物理一致性。相比标准表征，所提CS-PINN方法表现出高精度：过电位分解误差小于2%，欧姆电阻误差小于5.3%，Tafel斜率误差为2.8%（在5 A/cm2下）。这些结果证实CS-PINN方法为PEMWE快速电化学参数辨识提供了一条快速、准确且对设备友好的途径。

研究背景方面，质子交换膜水电解（PEMWE）因高电流密度、快速动态响应和高产物纯度成为极具前景的制氢技术。电化学表征提供的欧姆电阻R_ohm、Tafel斜率b等参数，是评估性能、理解过程与判断衰减的核心。然而现有方法依赖电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）等复杂技术，EIS实用电流上限约100 A，难以覆盖大活性面积电解槽，且单次测量需数分钟，全扫描耗时数小时，无法满足在线或快速诊断需求。极化曲线拟合待估参数多、信息量少；电流中断法（CI）在电流归零时存在毫安级残余电流，严重干扰氧析出反应（OER）过电位，使既有方程假设失效。因此亟需一种简单、实用、可用于高电流快速诊断的参数辨识路线。

研究人员以PEMWE为对象，提出CS-PINN方法：即物理信息神经网络辅助的电流阶跃法。CS与CI的区别在于阶跃后电流设为有限非零值（数百毫安级），使毫安级偏差可忽略；PINN用于拟合电压瞬态并外推t=0时刻瞬时压降，同时借助自动微分获得平滑导数。论文发表于《Energies》。

关键技术方法上，研究人员搭建活性面积4 cm²的PEMWE单池，以Gamry电化学工作站（配30 A放大器）采集标准基准（极化曲线、EIS、CV）与两组CS实验（Tafel组i₁≈2000 mA/i₂≈300 mA；欧姆组i₁=1–20 A/i₂=300 mA）。PINN采用两隐藏层各20神经元，输入时间输出电压，归一化至[0,1]，在采样点间插入10个配位点，损失函数耦合数据拟合项与物理约束项（电压单调凸弛豫，即dV/dt>0、d²V/dt²<0），仅用于短时窗插值、求导与t=0近阶外推，不作长时间外推。

研究结果部分，标准测量结果显示电极在0.3 mg_Ir/cm²载量下达到4.20 A/cm²@2 V，Tafel斜率51.9 mV/dec，R_ohm≈19 mΩ（膜厚≈90 μm），5 A/cm²时活化与欧姆过电位各约350 mV、传质过电位约120 mV，作为基准。CS-PINN的R_ohm拟合中，直接套用阶跃公式得22.91 mΩ，偏高约4 mΩ；经PINN外推t=0电压修正后，偏差降至<1 mΩ，相对标准法误差<5.3%。Tafel斜率拟合选用i₁≈2000 mA/i₂≈300 mA短时窗，原始有限差分导数受量化噪声放大；高斯平滑破坏早期V-t线性，低通滤波仍振荡；PINN拟合MSE~10^-6，自动微分导数平滑，由归一化η_act-ln(i)与ln(i)-t关系回归得系数21.9 mV，换算Tafel斜率50.4 mV/dec，较基准偏差2.8%；有效集总电容C_eff识出0.168 F，高于CV法0.101 F，被解释为含阴极动力学与短时传质演化的等效集总值而非本征双电层电容。传质过电位拟合在已知b与R_ohm后由稳态电压反推交换电流密度i₀=1.48×10^-7 A/cm²，完整过电位分解总偏差<2%，5 A/cm²下欧姆过电位偏差16.8 mV、传质过电位偏差十余毫伏，活化过电位几乎重合；对比文献CI-Randles与CI-Randles-Warburg法，CS-PINN在η_act、η_ohm、η_mass上偏差仅-1.3/1.2/0.1 mV。

讨论与结论部分，研究人员指出精确捕捉阶跃后电压响应是精度核心，PINN外推逼近真值有效；CS-PINN在过电位分解误差<2%、欧姆电阻<5.3%、Tafel斜率2.8%（5 A/cm²）下验证快速准确性，且对设备友好、具备单池在线诊断潜力。但验证限于所测单池与工况，未跨电池、跨瞬态输入或电堆级推广，等效电路仅用单RC分支描述短时弛豫，C_eff不宜等同本征双电层电容，更广鲁棒性与转移性仍需后续验证。结论可译为：本研究针对PEMWE电化学参数辨识通用性不足与应用受限问题，建立基于带电流源降阶等效电路的CS-PINN框架，以有限非零电流阶跃抑制毫安级零控偏差，以PINN保障导数平滑与物理一致，并以PINN外推修正欧姆压降；相较标准表征，过电位分解误差<2%、欧姆电阻<5.3%、Tafel斜率误差2.8%（5 A/cm²），为PEMWE快速参数辨识提供快速、准确、设备友好路径，其单池在线潜力明确，但跨条件鲁棒性尚待拓展。