團隊介紹

張雪霞，西南交通大學電氣工程學院，副教授，博士生導師，研究方向為電力系統及其自動化、燃料電池技術與應用、鋰電池技術與應用。圍繞機車用大功率燃料電池健康狀態評估、故障診斷、故障預測、壽命預測、耐久性分析及老化機理建模、容錯控制、流場設計、催化劑制備等方面開展了系統研究，本文工作是其中的一部分。

黃平，西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，研究方向為燃料電池技術及應用。

蔣宇，西南交通大學電氣工程學院，博士研究生，研究方向為燃料電池健康管理技術及應用。

陳維榮，西南交通大學電氣工程學院，教授，博士生導師，研究方向為電力系統及其自動化、燃料電池技術及應用。

研究背景

在“雙碳”目標的推動下，軌道交通作為用能大戶，PEMFC機車的推廣應用成為綠色、低碳軌道交通發展的重要方向。然而，主動力源PEMFC耐久性低是制約PEMFC機車商業推廣的最具挑戰的卡脖子問題。當前，延長機車用大功率PEMFC使用壽命，提高系統的耐久性是推動中國氫能綠色軌道交通應用的亟需。

本文以提升機車用大功率 PEMFC 的耐久性為研究背景，嘗試探索動態機車工況下PEMFC電堆衰退特性，從電堆內各單片不一致性視角厘清各極化過程受衰退影響的變化趨勢，為PEMFC健康管理領域研究提供借鑒。

論文所解決的問題及意義

PEMFC壽命受運行工況影響，如相同的PEMFC運行在恒流的穩態工況下，其壽命能達到上萬小時，而在動態工況下的壽命僅有上千小時。考慮到機車用PEMFC在牽引／制動、高功率運行、惰行等周期性動態運行的工況特點，同時電堆內不同位置處各單片電池的性能不一致性對PEMFC的壽命產生影響，有必要探究動態機車工況下PEMFC電堆的衰退性能。

針對動態機車工況下PEMFC電堆內部衰退性能分析難的問題，利用弛豫時間分布(Distribution of Relaxation Time，DRT)分析5kW PEMFC電堆內部不同單片電池的衰退特性。

該方法能夠有效分析電堆內不同單片電池各極化過程隨老化時間的變化趨勢，并通過極化曲線、電化學阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)、等效電路模型(Equivalent Circuit Model，ECM)等手段驗證了該方法的有效性。

論文方法及創新點

本文利用極化曲線、ECM、DRT方法實現對PEMFC電堆由外特性到內特性的衰退分析。

1、極化曲線分析

由極化曲線分析可知，PEMFC電堆不同單片電池的衰退外特性趨勢不一致。電池1(電堆前端)在110-220h期間的性能衰退最嚴重；電池20(電堆中間)性能衰退逐漸加重；電池40(電堆末端)在220-330h期間衰退最嚴重，且由于所處位置，0h未完全活化，導致110h輸出性能優于110h。

圖1

2、等效電路模型分析

由等效電路模型分析可知，3片電池的氧氣還原反應極化過程占據主導，且隨時間逐漸增加。且220h后，質子傳輸極化過程阻礙逐漸增加，導致EIS高頻段出現明顯的小圓弧。

圖2

3、弛豫時間分布分析

由弛豫時間分布分析可知，3片電池的DRT曲線主要由4個波峰(P1、P2、P3和P4)組成。P2表征氧氣還原反應極化過程，占據主導且隨時間逐漸增加。P1表征質量傳輸極化過程，受氣體擴散層影響。P3、P4表征質子傳輸極化過程，受質子交換膜影響。

圖3

結論

本文結合極化曲線、ECM和DRT方法，對動態機車工況下PEMFC電堆第1、20、40片電池在0h、110h、220h及330h的衰退性能進行分析。

結果表明，電堆各單片電池的陰極極化過程占主導，但電堆不同位置電池的衰退趨勢呈現明顯的不一致性。電堆入口的電池1在110-220h期間衰退速率最快，電堆中部的電池20衰退速率逐漸加快，電堆出口電池40在220-330h期間衰退速率最快。特別地，由于電堆出口可能的供氣不足，導致電池40在初始時未完全活化，活化損耗較大。從極化曲線可以看到，該電池在歐姆區110h的輸出性能好于220h的性能。

通過三種方法對PEMFC電堆的衰退性能分析能全面地分析其衰退趨勢，為PEMFC的健康狀態管理及壽命預測提供依據。

以上研究成果發表在《電工技術學報》，中國知網網絡首發。本課題得到了國家自然科學基金青年科學基金項目、四川省重點研究開發計劃、四川省科技計劃項目應用基礎研究、磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室2018年度開放課題項目資助項目的支持。