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質子交換膜（PEM）燃料電池因其無污染和高效率特性而收到廣泛關注。然而，由于面內異質性造成的不均勻降解已經成為阻礙燃料電池汽車商業應用的主要障礙之一。在燃料電池的運行中，許多內部傳輸過程同時發生，如膜水化、質子傳輸、氣體供應和熱傳遞，并最終導致活性區域內組分的不均勻分布。而不均勻的組分分布是導致電流聚集和不均勻降解的一個關鍵因素。燃料電池堆中的面內異質性機制是由許多因素造成的，并表現出復雜的多維多參數耦合特征。因此，從開發長壽命燃料電池堆的角度出發，監測和研究商業尺寸燃料電池的面內異質性機制是非常必要的。具體思路如圖1所示。

圖1?面內異質性評估方法[1]

總的來說，面內異質性評估主要分為三步：

1、利用多點電壓監控方法對面內異質性進行快速評估；

2、建立電流再分布模型，對面內異質性進行定性評估；

3、利用多點阻抗測量方法，結合弛豫時間分布，對面內異質性進行定量分析；

第一步：快速評估

活化區域內不均勻組分分布導致了雙極板中的電流發生聚集。對于石墨雙極板來說，平面方向的電阻是垂直方向的20000倍，這意味著電池中電流密度分布的輕微差異所導致的跨板電流會導致雙極板上出現顯著的電勢差。這種分布差異可以通過在同一片電池的不同位置，布置電壓巡檢來監測多點電壓（如圖2所示），并能夠為燃料電池面內異質性提供快速的評估。

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圖2 多點電壓采集示意圖[1]

為此，進行了大面積燃料電池動態測試，如圖3所示，在前30分鐘，第一片電池中多點電壓差約為18毫伏，這對于燃料電池來說是一個顯著的差異。有時這種電壓差可能會誤導退化分析。

圖3 階躍拉載中單片電池多點電壓差異[2]

第二步：定性分析

為了描述燃料電池內部電流再分布過程，搭建了一種大面積燃料電池電流分布模型對面內異質性進行定性評估。其中電流分布模型由氣體動態模型和電壓模型構成，將一片電池假設是由兩個在氣路上串聯，而在電路上并聯的半電池組成，如圖4所示。

圖4 模型假設[1]

陰極入口腔體腔體1和陽極出口腔體腔體4共同組成一個半電池；

陰極出口腔體腔體2和陽極入口腔體腔體3共同組成另外一個半電池；

兩個燃料電池半電池并聯工作，但反應氣體流動是串聯的關系。陰極新鮮空氣先進入陽極出口半電池，在陽極出口半電池中發生反應后進入陽極入口半電池，之后再排出燃料電池；陽極新鮮氫氣先進入陽極入口半電池，在陽極入口半電池中發生反應后進入陽極出口半電池，之后再排出燃料電池；無論是陽極氣體濃度變化還是陰極氣體濃度變化，都會導致燃料電池內部電流和電壓的再分配。

圖5 顯示了在210A和450A下由電流分布模型計算的燃料電池中電流和電壓分布情況。電流分布模型解釋了正常操作下在相應區域獲得的電流和電壓之間的負相關關系。

圖5 模型結果[1]

第三步：定量分析

基于多點電壓結果，有強烈的動機懷疑依靠單點電壓數據計算的阻抗值能否準確描述燃料電池的狀態。為準確描述導致燃料電池產生面內差異的原因，在前兩步基礎上，提出基于多點阻抗和弛豫時間分布分析方法。在對各特征頻率阻抗損失進行定量分析后，對表征面內差異性的電壓差（?V）和各個阻抗損失差進行了相關性分析，如圖6所示。

圖6?相關性分析[1]

研究結果表明，面內電壓差?V（表征異質性）與面內歐姆電阻、傳質電阻和電荷傳輸電阻差之間存在正相關。燃料電池內部的局部電流密度分布與相應位置的電壓分布之間存在著負相關，相關系數為-0.9231。增加氣流方向的溫度梯度有利于減少陰極出口位置的濃度損失，改善面內異質性。

審核編輯：湯梓紅