综述：基于跨学科融合的质子交换膜燃料电池故障预测与健康管理综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Review of prognostics and health management for proton exchange membrane fuel cells based on interdisciplinary integration

　　

摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种具有高效率、零排放特性的有前景的清洁能源装置，但在车辆动态运行工况下，其性能退化和耐久性不足严重制约了其大规模商业化。预测与健康管理（PHM）是保障PEMFC可靠运行并延长其使用寿命的关键技术，该技术具有明显的跨学科特征，涉及材料科学、计算机科学、控制理论和电化学等多个领域。本文从跨学科融合的角度，系统总结了PEMFC PHM的研究进展。文中详细阐述了各学科在PEMFC退化机理分析、数据建模、智能诊断和主动控制方面的独立研究重点及协同工作机制。同时，本文从数据质量、模型泛化性、多物理场耦合机理和多目标优化决策四个维度，全面分析了当前PEMFC PHM所面临的关键技术挑战。在此基础上，展望了四个未来的核心发展方向，包括物理信息智能融合和闭环主动健康管理。本文阐明了PEMFC PHM的跨学科发展范式，为后续创新研究提供了系统的理论参考和技术指导，并推动了PEMFC的进一步商业化进程。

引言

在全球能源结构转型的大趋势下，氢能已成为构建新型能源体系的核心载体[1,2]。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借低温快速启动、高功率密度和环境友好等特点，在交通运输、分布式发电等领域展现了巨大的应用潜力，已成为氢能大规模商业化应用的关键技术支撑[3,4]。然而，PEMFC的商业化进程仍面临严峻挑战，其中关键瓶颈之一在于耐久性和使用寿命的不足。在车辆动态工况下，PEMFC反应堆的性能会因负载、温度、压力和反应气体湿度的频繁波动而衰减，甚至发生故障，严重影响其使用寿命和可靠性[5,6,7]。为应对这一挑战，预测与健康管理（PHM）技术应运而生，被认为是延长PEMFC使用寿命并确保其安全稳定运行的关键解决方案[8,9]。PEMFC的PHM旨在监测和分析系统运行状态数据，评估其健康状态（SOH），预测其剩余使用寿命（RUL），并据此制定相应的维护和调控策略。

PEMFC的性能退化是一个涉及多物理场耦合的复杂过程，涵盖电化学、材料科学、流体力学和热力学等多个学科。其失效机理跨越了从材料和组件到系统的多个尺度，表现出突出的复杂性和综合性[8,10]。这一特征使得单一学科的研究范式无法满足PEMFC高精度健康管理的全维度需求。材料科学专注于开发耐腐蚀、高活性的催化剂和质子交换膜；电化学致力于揭示潜在的退化机理；控制理论则集中于设计先进控制策略以减缓退化。各学科的研究框架相对独立，研究成果较为分散。缺乏有效的跨学科融合与协同互动机制，无法建立系统性的健康调控方案[11]。尽管该领域现有的综述论文已对PEMFC健康管理相关研究进展进行了总结，但大多局限于单一技术维度，主要讨论数据驱动的故障诊断算法、电化学退化机理或孤立的系统控制策略。虽然这些综述分别概述了PEMFC机理研究、智能建模和健康管理各阶段的进展，但它们通常从单一学科视角构建，忽略了多学科技术之间固有的关联性和协同耦合关系。同时，很少有文献系统阐述材料科学、计算机智能、控制工程和能源电化学在PEMFC-PHM系统中的融合逻辑。此外，对该领域技术瓶颈的系统性总结以及整体未来发展路线图仍然不足。与现有的单一视角综述论文不同，本文以跨学科协同创新为核心切入点，从多学科融合视角进行系统性综述。本文突破了传统单一维度综述的局限性，能够更加全面、深入地阐述PEMFC健康管理的研究框架、技术挑战和的发展趋势。

本综述旨在系统回顾和分析近年来跨学科融合背景下燃料电池PHM的研究进展。首先，本文将深入分析PEMFC核心性能的退化机理和退化过程，从关键材料、组件到系统层面揭示其退化规律，并介绍PHM；随后，论证跨学科融合在燃料电池健康管理中的必要性和必然性；在此基础上，详细阐述材料科学、计算机科学、控制理论和能源电化学的核心作用，并讨论不同学科之间的协同机制；接着，分层总结当前数据、模型、机理和决策层面的技术瓶颈，逐一分析前沿发展方向的技术路径和产业前景，并扩展相关微生物燃料电池健康监测的研究思路；最后，对全文进行总结，为该领域的后续研究和商业化提供有价值的参考。

章节摘要

系统层面

PEMFC系统的耐久性受多个子系统协同效应的影响。空气子系统、氢气子系统、水热管理系统和电子控制子系统的老化机理相互影响，共同决定系统的性能退化速率（图1）。深入分析各子系统的老化因素及其交互作用，对于优化燃料电池设计、延长使用寿命以及促进

材料性能研究对预测与健康管理研究的基础支撑

材料科学在PEMFC相关健康管理技术研究中发挥着基础支撑作用，主要聚焦于PEMFC中关键材料的性能与老化机理，如质子交换膜、催化剂、气体扩散层等，如图4所示。

PEMFC电堆层面的退化机理已在第2.2节中详细阐述，本节将予以总结，不再赘述。质子交换膜

挑战

当前的PEMFC-PHM技术在工程部署和理论建模两方面均面临多维耦合瓶颈。本文从数据、模型、多物理场耦合机理和闭环控制决策四个层级维度，系统总结了这些约束。

结论

PEMFC的预测与健康管理是实现长寿命、高可靠性和商业化的核心关键。本文首先深入分析了燃料电池系统和电堆层面的性能退化机理，并阐明了不当的系统控制策略与电堆内部材料退化之间的关联关系。由于燃料电池系统的复杂性以及单一学科方法的局限性，跨学科

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作受山东省重点研发计划（2025CXPT071）、国家自然科学基金（62403291）和山东省自然科学基金（ZR2023QF073、ZR2026QC1441）以及山东省高等学校青年创新团队发展计划（2023KJ094）资助。

Tong Niu|赵子亮|赵俊|王占国|张才志|Nataliya Ivanova|Vladislav Kudryashov|Sergey A. Grigoriev

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