《Processes》：Investigation of Anode Water Transport in PEMFC Using Pressure Drop and Visualization Techniques
编辑推荐：
本研究提出一种原位实验方法，通过分析双极板流道多段测量的压降数据，考察质子交换膜燃料电池（PEMFC）阳极侧水动力学。研究人员首先建立理论模型，预测平行多相流道中的压降分布与液态水分布；基于该模型设计集成多点压力传感器的双极板，实现气液动力学的实时空间分辨监测
本研究提出一种原位实验方法，通过分析双极板流道多段测量的压降数据，考察质子交换膜燃料电池（PEMFC）阳极侧水动力学。研究人员首先建立理论模型，预测平行多相流道中的压降分布与液态水分布；基于该模型设计集成多点压力传感器的双极板，实现气液动力学的实时空间分辨监测与先进诊断。系统在活性面积282 cm2的单电池上成功实施，可准确识别运行期间水淹事件的时机与位置。结果表明，稳态条件下水管理不当可致水淹，启动与降载过程水积累更显著；反应物流速、湿度与循环水温对通道内水分布的影响被系统评估。基于此，研究人员提出闭环诊断与控制框架，依据压降特征动态调节操作参数，实时优化水管理并提升电池性能。
研究背景与问题提出
质子交换膜燃料电池（PEMFC）因高效清洁备受关注，但平面内水管理直接影响性能与寿命。阴极氧还原反应（ORR）与电渗拖曳生成气态水，部分经催化层（CL）、微孔层（MPL）、气体扩散层（GDL）排出，部分经质子交换膜（PEM）反扩散至阳极。阳极侧水蒸气分压接近饱和压时发生冷凝，管理不当引发阳极水淹、氢饥饿与性能衰减；阴极电位超1 V还会触发析氧反应（OER）致碳腐蚀。传统电化学阻抗谱（EIS）与单片电压监测缺乏平面内空间分辨率，中子成像与磁共振成像（MRI）成本高且多为离位，透明夹具可视化为非原位，整体压降法无法定位局部水淹。因此，PEMFC运行期双极板内平面内水分布的实时在线监测仍是水管理关键难题。
研究开展与总体结论
研究人员以阳极侧为对象，建立平行多相流道压降-水分布理论模型，将水淹分为标准态、入口分配段、前反应区、后反应区、出口分配段五类并给出压降签名；据此设计集成12个测压口（覆盖4条阳极流道）的石墨双极板，在282 cm2单电池上构建在线水分布监测系统，结合离位可视化夹具验证模型。稳态、启动、降载三类工况实验表明：稳态亦可出现局部水淹；启动与降载因残水多、流速低更易水淹；提高流速、升温循环水、降湿度、延长氮气吹扫可消除水淹。研究人员进一步提出基于分段压降特征的闭环诊断控制框架。该研究填补了实验室可视化与实用在线监测间的空白，以非侵入、低成本、高定位精度支持下一代智能燃料电池控制。
主要关键技术方法
研究人员采用两阶段方法学：其一为离位可视化实验，构建含8条平行流道夹具，在测压点间及下游注水模拟水淹，高速相机记录、两端传感器取压；其二为原位实验，在定制双极板4条阳极流道（编号1、20、40、60）布置12个预充液压力传感器（STG02，0–5 bar，精度0.1 kPa，1 Hz采样加信号平均滤波），配套电子负载（IT8904E）、供气系统（ZK-GS200）、循环水控温（DCW-3010）构成在线水分布监测系统，在稳态（56.4/282/535.8 A）、启动（28.2 A）、降载（338.4→28.2 A）工况下采集分段压降。
研究结果
2.1 理论模型
基于Darcy–Weisbach方程离散五类水淹态，给出各段入口/中点/出口压力关系。标准态压降略高于未运行态；入口段水柱使反应区总压降近零、摩擦因子升致P11降；前反应区水堵致前段ΔP升、后段ΔP趋零；后反应区反之；出口段水堵致反应区总ΔP零、出口压P43升。多类共存时可增加测点提升分辨率。
2.2 实验系统设计
2.2.1 离位可视化：8流道夹具注水实验验证“测点间水堵→局阻升→ΔP峰值（文献观测达基线231%）→剪切排液→ΔP回落”；测点下游水堵则上游两点压差近0 bar。
2.2.2 原位系统：282 cm2单电池、石墨波型流道、Toray-GDL与Pt-C的MEA（膜电极组件），阳极板钻孔接12传感器，液压传压管抑制气体可压缩性误差，离线均压标定补偿±0.1 kPa不确定度。
3.1 离位结果
干态ΔP 0.004–0.006 bar；第3、7流道测点间注10 mL水致ΔP峰值后回落；第8流道下游注水致测点间ΔP近0 bar，证实位置依赖的压降签名。
3.2 原位结果
3.2.1 稳态：56.4 A时Channel 1前段、Channel 20后段先后水淹（分段ΔP一升一零），循环水50→60 ℃消除不稳；282 A时Channel 60前段水淹，氢过量比1.4→1.6（动能密度升约32%）排液恢复；535.8 A时Channel 20/60反应区总ΔP零、出口压反升，阳极湿度80%→10%使液态水减约87.5%，ΔP回归正常。
3.2.2 启动：28.2 A怠速下Channel 20出口分配段水淹（总ΔP近0 kPa持续140 s），循环水29→55 ℃或氮气吹扫15→45 s均可消除。
3.2.3 降载：338.4→28.2 A时Channel 20/60出口段ΔP零，高电流产水量为怠速9.5倍、流速降72%致残水滞留；维持高流速50 s或循环水升至65 ℃恢复ΔP。
讨论与结论翻译
结论部分指出：本研究提出耦合理论与原位的PEMFC阳极水管理框架，模型按五类水淹态关联分段压降与液态水分布，多点传感实现水淹时刻与位置识别。离位验证位置依赖性签名，原位在稳态/启动/降载证实分布式压降监测价值。水淹对电流密度、过量比、阳极湿度、冷却液温极敏感；提流速、降湿度、升水温、优吹扫可抑两相流不稳。分段压降分析法较EIS/电压法具更高空间灵敏度，较中子/MRI低成本可在线，构成的闭环框架支持依据压降特征动态调参，是面向实用燃料电池健康管理的有效诊断工具，具备接入下一代智能控制系统的潜力；后续可将系统级闭环控制工业化优化。
（全文约1520汉字）
