一种间歇性阴极饥饿策略，用于抑制质子交换膜燃料电池怠速停车运行期间的高电位

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：An intermittent cathode starvation strategy for high-potential suppression during proton exchange membrane fuel cell idle-stop operation

　　

## 摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）在怠速运行期间的高阴极电位会加速性能衰减。本研究提出了一种适用于怠速停机运行的阈值触发间歇性阴极限氧策略。在电堆电流为零且无电输出时，外部补充氢气供应被切断，同时通过平均单电池电压阈值（700 mV和780 mV）控制短时间补氧脉冲。在阴极关闭阀（CSV）标称指令分别为5%、10%和15%的条件下进行了对比测试。标称5%指令（最低测试设置）产生了最低的稳态循环峰值电压，为780.66±0.20 mV，并在大多数稳态循环期间将平均单电池电压保持在800 mV以下。标称10%和15%指令下的峰值电压分别为839.26±1.60 mV和879.96±2.26 mV。在一个同步的代表性5%记录中，监管目标到位置反馈的启动延迟为0.73±0.06秒，旁通流量响应滞后于压缩机流量响应0.23±0.05秒。电压响应反映了阀体、气流和电化学动态的耦合特性。标称5%的结果具有硬件特定性，不能定义一个普适的最优阀门开度。总体而言，研究结果提供了短期的、面向控制的证据，表明间歇性阴极限氧能够在没有电堆电输出或外部补充氢气流动的情况下，减少平均单电池的高电位暴露。

## 引言

随着燃料电池转换材料、氢载体合成以及车载氢储存技术的进步，基于氢的动力系统正在积极开发中[1-3]。在这些方案中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高功率密度和相对较低的工作温度而在交通运输领域具有吸引力，但稳定的车辆运行需要空气供应、氢气供应、热管理和电气子系统的协调配合[4-7]。这些子系统之间的相互作用不仅决定了PEMFC车辆的运行稳定性，也决定了其在实际驾驶条件下的长期耐久性。

尽管PEMFC技术取得了显著进步，但耐久性仍然是制约其更广泛车辆部署的障碍[8]。汽车PEMFC的耐久性通常以5000小时和8000小时驾驶循环周期作为评估标准[9]。碳载体腐蚀是高电位暴露期间的重要衰减途径[10]。其他机制，包括铂的溶解和再分配、离子交换体（ionomer）和膜的自由基侵蚀、机械损伤以及膜电极组件（MEA）内的界面分层，也可能产生影响；其相对重要性取决于材料、局部条件和运行历史[11,12]。在这些运行条件中，与怠速相关的高电位暴露尤为重要，因为燃料电池汽车在实际运行中频繁经历待机状态和停机转换。

本文中的怠速运行通过两种代表性模式实现：待机和怠速停机。在待机模式下，电堆为辅助负载或电池提供一小部分电流，维持运行准备状态的同时限制单电池电压上升。在怠速停机模式下，电堆电流$I_{\text{stack}}$降至0 A，但不执行完全停机，目的是减少电堆电输出和外部补充氢气用量，同时保持恢复运行的能力。这些模式在能量消耗、响应准备度和耐久性之间存在不同的权衡。因此，理解怠速停机运行期间的电压演化对于识别导致高电位暴露的机制至关重要。

开路电压（OCV）是零外部电流时的电池电位；由于电流驱动的活化损失和欧姆损失完全消失，电池电压接近其最高工作水平。对于使用寿命初期（BOL）的新PEMFC电堆，典型OCV一般在0.95-1.05 V范围内，具体取决于工作温度、反应物条件和电堆构型。长时间暴露于高阴极电位会加速碳载体腐蚀并促进催化层衰减[10]。停机和工作休止过程也在实验上与电堆性能衰减相关联[13]。

碳腐蚀并非恰好在0.8 V处有一个普遍且突发的起始点，相关风险随阴极电位增加而逐步增加[10]。因此，本文以0.8 V作为限制长时间高电位暴露的实用工程边界，而非作为机理阈值。一项阴极循环研究在其所述低电流条件下直接将单电池电压维持在0.8 V以下[14]，而其他低负载和阴极循环研究则侧重于减少怠速功率、氧分压控制或电压调节，未采用相同的0.8 V准则[14-16]。对于本文车辆系统下的待机运行，0.85 V被选为平均单电池电压的工程上限标准。这一较为宽松的待机限制旨在平衡高电位缓解与运行准备度，并避免在受测硬件下需要更大的连续待机电流或更频繁的控制干预。在待机期间强制0.8 V对于高电位暴露而言更为保守，但可能增加氢气和寄生功率消耗，并改变负载响应特性——这些权衡在本研究中未独立量化。待机标准不限制更严格的怠速停机目标。因此，这些电压标准被定义为不同运行模式下的工程控制边界，而非普适的电化学阈值。因此，明确怠速相关运行条件如何促成PEMFC衰减，对于开发有效的高电位缓解策略至关重要。

利用实际车辆测试数据，Shimoi等人[17]对启停运行、负载循环和高电位怠速相关的衰减贡献进行了分类，报告怠速相关运行可能占估计衰减影响的28%。启动动态和冷启动策略也已被研究[18,19]，而PEMFC在动态负载条件下的老化也在其他研究中得到了考察[20-22]。利用电堆硬件隔离了80°C和95°C下的静态负载衰减[23]。独立的负载循环研究识别了局部衰减[24]、高温低湿条件下的水分管理损失[25]，以及基于标准化汽车驾驶循环的真实加速应力测试程序[26]。这些研究涉及不同的耐久性机制和运行历史；它们共同确立了控制怠速和OCV暴露的重要性，同时并不将静态负载、动态循环、停机/工作休止[13]和加速应力测试视为可互换的证据。

假负载方法通过在停机或怠速转换期间维持受控电流来抑制高电压。Zhang等人[27]使用了线性递减的主负载后接一小部分固定辅助负载，并报告与恒定负载相比，局部缺氧和电流密度不均匀性更低。Yang等人[28]将固定辅助电流施加于五电池组电堆，表明受控电流抽吸使电池远离开路区域，并在反复启停循环中缓解了衰减。Lin等人[29]直接对比了恒负载和阶梯负载策略，发现在反应物消耗过程中适应性调节负载能提供更好的保护，防止停机引起的电压反转和碳腐蚀风险。这些研究支持了直接电压抑制和降低反转风险。其主要局限源于控制机制：维持非零电流会继续电化学氢气消耗，并产生必须被吸收或耗散的电能量。由于电堆构型、负载曲线、终端标准和氢气用量报告各不相同，本文不对跨研究进行定量排序。

阴极循环方法通过降低阴极氧气浓度或分压来降低电压，无需假电气负载。Zhang等人[14]在低电流条件下直接将单电池电压维持在0.8 V以下，并报告了自加湿效应。其后续的空气自循环设计利用排气动能和电子控制的三通阀来避免专用循环泵，但仍需要额外的流路和控制协调的阀门操作[30]。基于模型的氧分压控制在可变低负载条件下减少了响应时间、超调量和稳态误差[14]。后续研究量化了电流密度、循环比和新气化学计量比的耦合效应[31]，提出了阴极排气循环架构以减少怠速功率[15]，并通过仿真和硬件在环测试评估了低负载电压调节[16]。这些研究支持了可控的氧气可用性和更低的怠速电需求，同时也展示了其对循环流路、阀门、传感器、冷凝液管理、动态模型和控制协调的额外依赖性。

因此，假负载策略通过抽取电流来降低电压[27-29]，而阴极循环策略通过降低阴极氧气可用性来降低电压。前者需要持续的电化学反应及相关氢气消耗；后者避免了连续的外部电负载，但增加了循环硬件和控制复杂性。这一对比推动了本文提出的间歇性限氧策略。

一个剩余的工程差距是在$I_{\text{stack}}$ = 0 A时抑制怠速高电位，既不需要连续的电堆电输出到假负载，也无需安装连续的阴极排气循环回路。为解决这一差距，本文提出了一种适用于PEMFC怠速停机运行的阈值触发间歇性阴极限氧策略。控制器利用平均单电池电压协调阴极关闭阀（CSV）和压缩机：当达到较低阈值时，短时间补氧脉冲恢复阴极氧气储量；达到较高阈值后，新鲜空气通道随后被限制。因此，与假负载不同，该策略通过调节氧气可用性而非持续抽取电堆电流来降低电压；与阴极循环不同，它不需要阴极排气的连续回流通道。这三种方法的特点和局限性在表1中总结对比。

该策略在不同CSV指令下进行了实验评估，以检验其电压调节能力和怠速停机运行期间的阴极气路动态。结果提供了减少怠速高电位暴露的控制导向证据，并支持进一步优化阴极气路控制策略。

本文其余部分组织如下。第2节介绍实验方法。2.1节描述实验平台、电堆特性、硬件规格和电压指标。2.2节介绍阴极限氧的理论基础。2.3节介绍同步系统级运行序列并识别怠速停机控制挑战。2.4节表征阴极空气供应系统及其最低转速响应。2.5节定义运行条件和实验怠速停机控制程序。第3节介绍结果与讨论。3.1节正常和待机条件下的基线运行特性、3.2节怠速停机控制性能分别建立了正常运行和待机参考条件，而3.3节评估了怠速停机电压调节机制、CSV和阴极气路动态、阳极压力稳定性以及标称CSV指令的影响。

### 片段摘录

#### 实验方法

本节首先描述PEMFC实验平台、电堆规格、子系统配置以及解释后续测试数据所需的电压指标。随后介绍了阴极限氧的理论基础、同步系统级运行序列和怠速停机控制挑战、阴极空气供应表征，以及用于评估所提怠速停机策略的运行参数、测试程序和评估方法。

#### 结果与讨论

正常运行、待机运行和怠速停机运行在PEMFC系统运行中扮演不同角色。正常运行为电堆输出和电池间电压行为提供负载基线。待机运行旨在抑制过度电压上升，同时保持非零电化学活性以应对后续功率请求，但这以持续氢气消耗和非零电堆电输出为代价；系统级负载响应时间未进行测量。

#### 结论

本工作的主要贡献是开发了适用于PEMFC怠速停机运行的阈值触发间歇性阴极限氧策略。实验结果支持其在受测硬件下限制平均单电池高电位暴露的短期可行性。对初步瞬态的重新分析表明，表观电压下降和反弹是由分级负载到怠速停机的转换过程引起的，而不仅仅是压缩机转速动态所致。

#### CRediT作者贡献声明

刘成：写作—原始稿件、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念构思。邓旭东：写作—审阅与编辑、验证、调查、形式分析、数据管理。沈伟达：写作—审阅与编辑、验证、资源。袁金良：写作—审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。肖流生：写作—审阅与编辑、写作—原始稿件声明。

#### 利益冲突声明

作者声明，他们不知道可能影响本文所报告工作的任何竞争性经济利益或个人关系。

#### 致谢

本工作受浙江省引进领先创新与创业团队计划（2025R01010）、宁波大学"力学+"交叉学科顶尖创新青年基金项目（编号：GC2024004）以及"创新甬江2035"重点研发计划下宁波国际科技合作项目（编号：2025Z227）支持。

#### 作者信息

刘成|邓旭东|沈伟达|袁金良|肖流生

宁波大学交通与海洋学院，中国宁波，邮编：315211