韩恩希 | 朴诗炯 | 李东民 | 李尚浩 | 金相元 | 金东奎
韩国首尔忠앙大学机械工程学院，邮编06974
**摘要**
本研究通过考虑内部水分布情况，探讨了短路单元（SCU）和 purge 控制对开放式阳极燃料电池性能及燃料效率的影响。首先，在低电流密度范围内研究了 SCU 控制对燃料电池性能的影响。SCU 控制能够有效向薄膜供应额外的水分，从而在电流密度为 0.1 A/cm² 时将欧姆过电势降低约 0.024 V，增强了电池电压。接下来，在高电流密度条件下考察了 purge 控制对阳极通道中液态水积累的影响。Purge 控制成功缓解了水淹现象，并在电流密度为 0.7 A/cm² 时将电池电压提高了高达 0.034 V；然而，过度使用 SCU 和 purge 控制会导致氢气损失增加，从而降低燃料效率。最后，提出了一种根据运行条件协调 SCU 和 purge 控制的优化水管理策略。该策略在高电流密度下将燃料效率提高了约 5.7%，同时保持了相当的电池电压，为开放式阳极燃料电池的高效稳定运行提供了实用指导。
**1. 引言**
随着环境问题的日益严重，氢能源因零排放潜力、高能量转换效率和环保特性而受到广泛关注[[1], [2]]。氢通常用于燃料电池系统，其中氢与氧之间的电化学反应产生电能，特别是应用于交通运输领域[[3]]。尽管燃料电池技术主要应用于公交车和卡车等重型车辆，但最新研究表明，由于其高能量密度和长续航能力，该技术已扩展到无人机和无人驾驶飞行器[[4], [5]]。2026 年 FIFA 世界杯期间宣布了无人机出租车示范项目，这反映了人们对基于无人机的交通系统的日益关注[[6]]。因此，研究兴趣逐渐转向了适用于无人机的燃料电池技术。最近的研究还指出，开放式阳极 PEM 燃料电池是一种有前景的轻量化系统，但其性能受环境条件影响显著[[7], [8]]。
在无人机应用中，开放式阳极燃料电池因使用简单的风扇系统向阴极供应环境空气而被广泛采用，以减轻系统重量[[9]]。由于缺乏专用加湿系统，开放式阳极燃料电池对大气条件非常敏感，这可能导致性能下降。因此，以往的研究主要集中在了解开放式阳极燃料电池的运行特性上。一些研究人员通过与传统燃料电池系统的直接比较来评估其性能[[10], [11]]。由于氧气是被动供给的，无法主动控制化学计量比，导致其性能比传统燃料电池低约 24%。其他研究探讨了环境相对湿度对开放式阳极燃料电池性能的影响[[12], [13]]。研究发现，干燥大气空气导致薄膜加湿不足会在低负载条件下使性能损失高达 40%。然而，在高电流密度下，电化学反应产生的过量液态水会阻碍反应气体在开放式阳极燃料电池中的传输，进一步降低性能约 0.4 V。尽管这些研究为开放式阳极燃料电池的性能变化提供了宝贵见解，但控制电池内部水分传输和积累的机制仍不为人所充分理解。因此，需要详细研究开放式阳极燃料电池中的水分行为及其在不同运行条件下的影响。这表明，水分管理不仅对性能至关重要，也是重要的工程实践要求。由于无人机需要轻量化系统、高燃料效率以及在动态变化负载条件下的稳定运行，必须有效控制低电流密度下的膜脱水和高电流密度下的液态水积累，以确保可靠性运行和延长飞行时间。
开放式阳极燃料电池中的水分管理通常通过多种操作策略来实现。一些研究引入了短路单元（SCU）在运行过程中向薄膜供应额外水分[[14], [15]]。通过应用持续时间为 2 秒的 SCU，可以增强薄膜加湿，从而使性能提高约 16%。还有研究人员在开放式阳极燃料电池的出口处使用 purge 阀门去除积累在电池内的多余液态水[[16], [17]]。在 10 秒的 purge 间隔和 90 毫秒的 purge 持续时间下，报告称限制电压提高了 0.69 V。更近期的研究通过优化 purge 间隔和持续时间来考察开放式阳极或死端阳极 PEM 燃料电池的 purge 相关操作，同时考虑了堆栈稳定性、氢消耗和系统效率[[18], [19]]。此外，仅有少数研究探讨了 SCU 和 purge 阀门结合使用进行开放式阳极燃料电池水分管理[[20]]。在综合控制策略下，实现了在 15 A 电流下的最大功率输出为 21 W。一些最新的系统级研究在面向无人机的开放式阳极 PEM 燃料电池模型中同时考虑了 purge 阀门和 SCU 逻辑[[21]]，但它们主要集中在系统级实现上，而非建立依赖于负载的条件。尽管这些研究提高了性能，但现有的控制方法大多基于经验，缺乏对内部水分行为的定量理解。此外，尽管水分控制对无人机的可靠高效运行至关重要，但公开文献中很少披露详细的控制逻辑。
从系统层面来看，SCU 运行不可避免地会增加氢气消耗，而 purge 过程可能导致氢气损失[[22]]。因此，最佳控制策略必须在不同负载条件下平衡燃料电池性能和燃料效率，并结合 SCU 和 purge 阀门操作的定量标准。然而，内部水分行为与 SCU 和 purge 控制的协调运行之间的关系尚未在定量基础上建立。特别是，针对协调 SCU 和 purge 运行的明确负载依赖性标准在文献中仍然有限，对燃料效率和电池性能的同时考虑重视不足。这一限制阻碍了在可变负载条件下开放式阳极燃料电池的水分管理策略的系统设计。
本研究开发了一种开放式阳极燃料电池的最佳控制策略，通过有效的水分平衡管理来提升性能和燃料效率。分析了内部水分行为对燃料电池性能的影响，并建立了控制策略设计的明确定量标准。具体而言，研究了 SCU 运行在低电流密度条件下的对燃料电池性能和燃料效率的影响。此外，还考察了 purge 运行在高电流密度区域对性能特性的影响。基于这些分析，根据负载条件提出了开放式阳极燃料电池的最佳控制策略。本研究的结果为开发高效稳定的无人机应用用开放式阳极燃料电池控制策略提供了有用指导。
**2. 方法论**
本节介绍了用于设计和优化水分管理控制策略的瞬态开放式阳极燃料电池模型的开发过程。描述了燃料电池内部水分的瞬态行为，包括薄膜水化和流动通道中的液态水积累，以捕捉高电流密度下的性能下降机制。所开发的模型通过实验数据进行验证，以确保其准确性和适用性。该模型是在 MATLAB/SIMULINK 软件环境中开发的。
**2.1. 建模**
开放式阳极燃料电池的示意图如图 1 所示。在阴极侧，通过风扇将环境空气供给阴极通道；氢气则通过供给阀从储气瓶供给堆栈。在阳极通道的出口处安装了 purge 阀门，以控制通道内液态水的积累。此外，还加入了短路单元以生成额外的水分来加湿薄膜。基于这种系统配置，开发了燃料电池模型。模型采用的假设如下：
(1) 燃料电池被划分为五个集总控制体积：两个流动通道、两个气体扩散层（GDL）和一个膜-电极组件（MEA）。每个控制体积内的空间梯度被忽略。
(2) 所有气体物种均视为理想气体。
(3) 假设所有控制体积的温度均等于堆栈温度。
(4) 堆栈中的每个单电池都假设以相同方式运行。通过电渗透拖拽和反向扩散作用，蒸汽穿过膜的摩尔通量表示为：
$$
N_{v,membr} = \frac{n_{dj}F - Dw\rho_{membr,dry}}{M_{membr,dry}\lambda_{ca}GDL - \lambda_{an}GDL}\delta_{membr}
$$
其中 $n_{dj}$ 是电渗透拖拽系数，$Dw$ 是水蒸气在膜中的质量扩散系数，$\rho_{membr,dry}$ 是干燥膜的密度，$M_{membr,dry}$ 是干燥膜的分子量，$\delta_{membr}$ 是膜的厚度。水含量 $\lambda$ [25] 可以通过以下公式计算：
$$
\lambda = \left\{
\begin{array}{ll}
0.043 + 17.81a - 39.85a^2 + 36.0a^3 & 0 \leq a < 1 \\
1.4(a - 1) & 1 < a \leq 3
\end{array}
\right.
$$
其中 $a$ 是 GDL 中蒸汽的相对湿度。
2.1.2. 电化学方程
PEM 燃料的电池电压是可逆电压与三种类型过电位之和的差值 [26]：
$$
V_{fc} = V_{Nernst} - V_{act} - V_{ohmic} - V_{conc}
$$
其中 $V_{fc}$ 是单电池电压。可逆电压 $V_{Nernst}$ 可以根据能斯特方程计算为：
$$
V_{Nernst} = 1.23 + RT\frac{2F}{\ln(\frac{PH_2}{PO_2})
$$
其中 $F$ 是法拉第常数。活化过电位 $V_{act}$ 基于 Butler-Volmer 方程计算为：
$$
V_{act} = RT\frac{\alpha}{2F}\ln(j_0)
$$
其中 $\alpha$ 是传递系数，$j_0$ 是交换电流密度。欧姆过电位 $V_{ohmic}$ 可以通过以下公式计算为：
$$
V_{ohmic} = j_{Rohmic}
$$
$$
R_{ohmic} = \delta_{membr}\sigma_{membr}
$$
$$
\sigma_{membr} = (0.005139\lambda_{membr} - 0.00326)\exp\left(\frac{1268}{(1303.15 - 1T_{st})}
$$
其中 $\sigma_{membr}$ 是膜的离子电导率，$\lambda_{membr}$ 是膜的水含量，$R_{ohmic}$ 是膜的电阻。浓度过电位计算为：
$$
V_{conc} = RT\frac{2F}{\ln(1 - j_L)
$$
其中 $j_L$ 是代表反应物传输所能维持的最大电流密度的极限电流密度。在本研究中，$j_L$ 通过以下公式针对气体物种对计算 [27]：
$$
j_L = 4FD_i - j_{effcr}_0\delta_{GDL}
$$
其中 $D_i - j_{eff}$ 是气体混合物在多孔介质中的有效扩散系数，$c_r_0$ 是通道进口处的反应物浓度。有效扩散率与非多孔介质中的二元扩散率 $D_i - j$ 之间的关系如下 [28]：
$$
D_i - j_{eff} = D_i - j\exp\left(\epsilon\left(\frac{T_c^i}{T_c,j}\right)^{\frac{2}{3}\left(\frac{M_i}{M_j}\right)^{\frac{5}{12}}\right)
$$
其中 $T_c$ 是临界温度，$P_c$ 是临界压力，$M_i$ 和 $M_j$ 是组分 i 和 j 的分子量。在本研究中，i 和 j 分别选择为氧和氮，因为开阳极 PEM 燃料的阴极由环境空气供应。在这种情况下，氧是反应物种，氮是主要的惰性背景气体；因此，$O_2 - N_2$ 对合理地代表了简化极限电流密度公式中使用的阴极侧扩散过程。
2.1.3. 热方程
PEMFC 堆模型考虑了运行过程中的温度效应。堆的操作温度计算公式为：
$$
m_{st}\frac{dT}{dt} = H^\circ_{react} - P_{elec} - Q_{conv,amb} - Q_{conv,fan}
$$
其中 $m_{st}$ 是堆的质量，$C_{st}$ 是堆的热容量，$H^\circ_{react}$ 是通过电化学反应的焓流量，$P_{elec}$ 是电功率输出，$Q_{conv,amb}$ 是通过自然对流的热损失率，$Q_{conv,fan}$ 是通过风扇强制对流的热损失率。
2.1.4. 控制单元
在此开阳极 PEM 燃料电池堆模型中，使用了排放阀和 SCU 作为控制元件。假设排放阀的开启/关闭可以调节在阳极流动通道中积累的液态水的量，从而影响有效的电化学活性面积。随着有效反应面积的减小，局部电流密度增加，导致电池电压下降。由于我们使用的是开阳极燃料电池，液态水在阴极通道中连续被带走，因此没有显式考虑阴极流动通道。因此，由于 flooding 导致的活性面积减少在阳极侧得到考虑 [23]，有效反应面积 $A_{fc}$ 可以表示为：
$$
A_{fc} = A_{fc0}(1 - \alpha_{lml,anch})
$$
其中 $A_{fc0}$ 是实际电池面积，$\alpha_{l}$ 是反应面积减少系数，$m_{l,anch}$ 是在阳极通道中积累的液态水。SCU 是并联在主电气路径上的低电阻分支。当 SCU 被激活时，会有额外的旁路电流流动，导致过电流条件。这种增加的电化学电流增强了阴极的水产生，从而提供了膜的自湿润效果。由短路产生的电流 $I_{scu}$ 和通过堆的总电流 $I_{st}$ 可以通过以下公式计算：
$$
I_{scu} = V_{st}\frac{R_{scu}}{v_{scu}}
$$
$$
I_{st} = I_{st}' + I_{scu}
$$
其中 $V_{st}$ 是堆电压，$R_{scu}$ 是 SCU 电气路径的电阻，$v_{scu}$ 是 SCU 的操作因子，$I_{st}'$ 是负载电流。当 SCU 单元运行时，$v_{scu} = 1$；否则，$v_{scu} = 0$。电流密度可以表示如下：
$$
j = \frac{I_{st}}{A_{fc}}
$$
开阳极燃料电池的建模参数列在表 1 中。
表 1. 开阳极燃料电池模型的参数
| 参数 | 单位 | 值 |
|-----------------|------------|---------------------------|
| 电池数量 [31] | | -48 |
| 燃料电池面积 [30] | m^2 | 60 × 10^-4 |
| 气体扩散层厚度 [23] | m | 50 × 10^-4 |
| 膜厚度 [23] | m | 35 × 10^-6 |
| 气体扩散层体积 [23] | m^3 | 2.53 × 10^-4 |
| 蒸汽扩散系数 [24] | m^2/s | 4.5 × 10^-6 |
| 孔隙率 [24] | | -0.5 |
| 绝对渗透率 [23] | m^2 | 2.55 × 10^-13 |
| 体积凝结系数 [23] | | -0.9 × 10^3 |
| 液态水不动饱和度 [24] | | -0.1 |
| 干燥膜分子量 [23] | kg/mol | 1.1 |
| 干燥膜密度 [23] | kg/m^3 | 2 × 10^3 |
| 堆质量 [30] | kg | 2.49 |
| 堆比热容 [30] | J/(kg·K) | 1260 |
2.1.5. 流程图
开发的模型流程图如图 2 所示。首先，计算由 SCU 控制产生的水量，然后计算电池内反应物种的分布。基于这些分布，评估燃料电池的性能、产物分布和堆温度。随后，结合排放控制的效果，重新评估内部水和物种传输行为。通过重新计算考虑排放控制的燃料电池性能，获得最终的模型输出。
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图 2. 流程图
2.2. 实验
在本研究中，进行了实验来验证开发的模型。实验使用了 1 kW 级的开阳极聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池 (Horizon fuel cell technologies, H-1000)。燃料电池堆由 48 个单电池组成，每个电池的活性膜面积为 60 cm² [31]。环境空气通过附加的冷却风扇供给阴极侧，储存在加压气缸中的氢气通过供应阀供给阳极侧。燃料电池堆的温度使用安装在燃料电池堆中心的温度传感器进行测量。这些辅助组件与 PEM 燃料电池堆一起由制造商作为集成系统提供。燃料电池的性能使用电子负载 (GW Instek, PEL-5008C-150-800) 进行测量。实验装置的照片如图 3 所示。
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图 3. 开阳极燃料电池的实验装置
表 2. 开阳极 PEM 燃料电池堆规格 [31]
| 特征 | 单位 | 值 |
|-----------------|------------|---------------------------|
| 额定功率 | W | 1000 |
| 过电流关闭电压 | V | 28.8/35 |
| 低电压关闭电压 | V | 24 |
| 阀门和鼓风机电压 | V | 12 |
| 堆重量（含风扇和外壳） | g | 5760 |
| 堆尺寸 | cm | 1.9 × 26.8 × 12.3 |
3. 结果与讨论
在本节中，通过分别检查低电流密度和高电流密度条件下的水传输行为，分析了 SCU 控制和排放控制对开阳极燃料电池性能和燃料效率的影响。随后，根据 SCU 控制和排放控制在不同负载条件下的影响，开发了开阳极燃料电池的性能图，并据此提出了最佳控制策略。首先，使用实验数据验证了开发的模型，如图 4 所示。在实验过程中，每 10 秒应用 SCU 100 毫秒，每 90 秒打开排放阀 0.15 秒。模拟结果与实验测量值吻合良好，总体准确率为 95.8%。特别是，在高电流密度区域，模型预测与实验数据非常吻合，表明模型正确捕捉了电池内液态水的行为。基于此验证，使用开发的模型分析了 SCU 控制和排放控制对开阳极燃料电池中水行为和相应性能特性的影响。
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图 4. 开发模型的验证
在比较开阳极燃料电池和传统燃料电池时，观察到两个显著差异。首先，在低电流密度区域，欧姆过电位的梯度相对较大。其次，开阳极燃料电池的极限电流密度明显低于传统燃料电池 [32]。为了阐明这些过电位特性的根本机制，详细分析了电池内水分分布的演变。图 5 展示了膜水含量的变化。在低电流密度条件下，膜的水合不足。例如，在 0.1 A/cm² 的电流密度下，膜的水含量保持较低，约为 9%。这种行为归因于入口空气的湿度低，不足以充分湿润膜。由于膜水合减少，在低电流密度区域观察到欧姆过电位的显著增加。随着电流密度的增加，由于电化学反应，电池内的水生成增强。当电流密度超过 0.35 A/cm² 时，膜完全湿润，水含量达到约 14%。在这些条件下，欧姆过电位随电流密度大致线性增加，表明一旦建立了足够的内部分水，膜水合不再主导欧姆损失。
此外，图 6 显示了每个电极上的水分分布。在高电流密度区域，阳极和阴极 GDL 中的水生成速率大致与电流密度成线性增加。阴极 GDL 中的水生成速率大约是阳极 GDL 的 11 倍，因为水主要是通过电化学反应在阴极产生的。因此，相对大量的液态水在阴极 GDL 中积累。相比之下，阳极 GDL 中的水生成主要由通过膜从阴极传输的水控制。结果，阳极 GDL 中的液态水量低于阴极 GDL。然而，在流动通道内的水分积累行为存在明显差异。在阳极侧，随着电流密度的增加，通道内的水分积累速率达到约 0.24 g/s（在 0.7 A/cm² 时）。这种行为归因于阳极通道的死端配置，其中出口是封闭的，液态水在通道内积累。阳极通道内的液态水积累速率的梯度在 0.3 A/cm² 时发生变化，因为它受到阴极通道中水含量和膜水含量的影响。特别是，膜水合的变化影响了从阴极到阳极的水传输，从而改变了阳极通道内液态水的积累速率。当电流密度超过约 0.7 A/cm² 时，阳极通道内积累的液态水量迅速增加，导致浓度过电位急剧上升。这种行为导致与传统燃料电池相比，极限电流密度显著降低。相比之下，阴极通道中的液态水量可以忽略不计，因为水通过开阳极通道配置有效去除。这些结果表明，在开阳极燃料电池中，浓度过电位主要由阳极通道中的液态水积累控制，而不是阴极通道中的水行为。
基于对开阳极燃料电池操作特性的理解，分析了 SCU 控制和排放控制对燃料电池性能和燃料效率的影响。
3.1. SCU 控制对开阳极燃料电池性能的影响
SCU 控制通过暂时施加高电流来产生额外的水以湿润膜。因此，SCU 控制通常在干燥操作条件下实施，例如低电流密度区域。在本研究中，调查了在 25°C 和 50% 相对湿度的环境条件下，电流密度为 0.1 A/cm² 时 SCU 控制对燃料电池性能的影响。图 7 显示了有无 SCU 控制时电池电压的变化。当不应用 SCU 控制时，电池电压随时间逐渐下降，800 秒内电压下降约 0.006 V。虽然这种电压衰减在短时间内看起来很小，但在长时间运行过程中可能会变得显著。相比之下，当应用SCU控制时，电池电压增加了大约0.009伏。电池电压的提高归因于SCU控制带来的膜湿度增强，这降低了欧姆过电位至约0.03伏。因此，与不使用SCU控制的情况相比，电池电压增加了约1.2％。为了阐明降低欧姆过电位的潜在机制，详细分析了电池内的水分行为。
图7. SCU控制对开阳极燃料电池性能的影响
图8显示了SCU控制下开阳极燃料电池中的水分行为。在没有SCU控制的情况下，由于没有外部加湿，且低电流密度条件下的电化学反应产生的水量有限，膜中的水分含量逐渐减少至大约9.4。当应用SCU控制后，膜中的水分含量增加到约14，表明SCU运行期间产生的额外水分足以使膜保持湿润。结果，开阳极燃料电池的欧姆过电位降低，从而导致运行电池电压升高。然而，膜中的水分含量仍保持在14以下，因为多余的水分会转移到流道中，如图8(b)所示。在SCU运行期间，流道中积累的液态水量增加到约0.54克。然而，这个量不足以引起淹水或显著影响浓度过电位。因此，在低电流密度区域，SCU控制主要影响欧姆过电位，而对浓度过电位的影响可以忽略不计。
图8. SCU控制下水分行为的变化
尽管SCU控制通过增强膜湿度来改善燃料电池的运行，但它不可避免地会增加运行过程中的氢气消耗。因此，必须同时考虑燃料电池性能和燃料效率来优化SCU控制的操作。这里的燃料效率定义如下[33]：
(33) η = Qrxn,eff / (Qpurge + Qscu + Qrxn,eff)
图9展示了SCU控制参数（包括SCU间隔和持续时间）对性能的影响。在所有情况下，净化阀每200秒打开0.15秒。SCU控制参数的优化范围基于H-1000堆栈手册[31]，选择最大持续时间为100毫秒和最小间隔为10秒，以减轻由于电池退化导致的系统不稳定性。随着SCU持续时间的增加，所有条件下的电池电压都会升高。当SCU间隔为10秒时，从40毫秒增加到100毫秒，电池电压从0.804伏升高到0.808伏。在低电流密度下，电池容易脱水，较长的SCU持续时间可以提供更好的加湿，从而提高开阳极燃料电池的性能。对于固定的SCU持续时间，减少SCU间隔也会导致电池电压升高。当SCU间隔从30秒减少到10秒时，在100毫秒的SCU持续时间下，电池电压增加了大约0.005伏。较短的SCU间隔增加了加湿频率，从而改善了膜的水合状态，进而提高了电池性能。相比之下，燃料效率呈现出与电池电压相反的趋势。在最短的SCU间隔和最长的SCU持续时间下，燃料效率最低，根据SCU控制条件，最多可降低约20％。这种燃料效率的降低归因于频繁SCU运行期间额外的氢气消耗。这些结果表明，在SCU控制下的开阳极燃料电池中，性能提升与燃料效率之间存在明显的权衡。因此，需要仔细优化SCU控制参数，以实现高性能运行同时保持可接受的燃料效率。
图9. 不同SCU控制策略下的性能变化
3.2. 净化控制对开阳极燃料电池性能的影响
在高电流密度区域，电池内的现象与低电流密度时的情况不同。在高电流密度下，电化学反应会产生大量液态水，这可能导致阳极通道淹水。因此，需要对阳极通道进行净化控制以去除积累的液态水并维持稳定的电池运行。
图10显示了净化控制下开阳极燃料电池的性能变化。燃料电池在0.7 A/cm²的电流密度下运行，应用了前一节中的相同环境条件。当不控制净化阀时，电池电压随时间逐渐下降，在大约1300秒时降至0伏。这种电压下降归因于浓度过电位的急剧增加。相比之下，当应用净化控制时，电池电压在整个运行过程中稳定维持在约0.56伏，仅有轻微波动。这种稳定的性能是通过在运行过程中将浓度过电位保持在约0.08伏的相对较低水平而实现的。
图11显示了阳极通道中液态水积累的变化，以分析浓度过电位的变化。当不进行净化控制时，液态水在阳极通道中持续积累。液态水量随时间大致线性增加，在大约1300秒时超过35克。这种行为归因于两个主要因素：首先，电化学反应在阴极产生的液态水部分通过膜扩散到阳极；其次，阳极被设计为死端通道以提高氢气利用率，这阻碍了积累液态水的去除。随着液态水积累的增加，反应气体向电极的传输受到阻碍，导致浓度过电位显著增加。因此，在高电流密度下，过量的液态水积累会导致严重的电压下降，最终使电池电压降至0伏。相反，当在阳极通道应用净化控制时，有效地缓解了淹水问题。定期打开净化阀可以从阳极侧去除积累的液态水，将液态水的最大量限制在大约5克。结果，浓度过电位保持在较低的0.08伏水平，电池电压在运行过程中保持稳定在约0.56伏。
尽管净化控制在缓解通道淹水方面有效，但在净化过程中可能会损失部分氢气。因此，必须同时评估净化控制对性能和燃料效率的影响。图12显示了不同净化控制条件下的电池性能和燃料效率变化。在所有情况下，未激活SCU以仅关注净化阀的效果，净化控制参数的范围基于文献[14]中的代表性设置确定，通常评估的持续时间为0.1秒至0.5秒，间隔为25秒至100秒作为参考点。当净化持续时间较长且间隔较短时，可以获得最高的电池性能。例如，每50秒净化0.5秒的结果使电池电压比每200秒净化0.2秒的结果高出约0.019伏。频繁去除积累的液态水有效抑制了淹水，从而在高电流密度运行期间保持较高的电池电压。相比之下，燃料效率表现出相反的趋势。在最频繁且持续时间较长的净化控制下，燃料效率最低，根据SCU控制条件，最多可降低约20％。这种燃料效率的降低归因于净化过程中通过阳极出口的氢气损失。这些结果表明，在SCU控制下的开阳极燃料电池中，性能提升与燃料效率之间存在明显的权衡。因此，需要仔细优化SCU控制参数，以实现高性能运行同时保持可接受的燃料效率。
图12. 不同净化控制策略下的性能变化
3.3. 在不同负载条件下优化水分管理控制
在本研究中，设计了最佳的水分管理控制策略，以在变化负载条件下保持高燃料电池性能，同时实现超过80％的燃料效率。利用膜和流道中的水分分布特性来确定SCU和净化控制的操作范围，同时利用电池电压和燃料效率来优化各种负载条件下的相应控制参数。
图13显示了在低负载条件下开阳极燃料电池的操作特性，包括水分分布、电池电压和燃料效率。如前所述，频繁应用持续时间较长的SCU会产生更多的水，从而增强膜湿度。因此，当SCU控制比率从0.2％增加到1.0％时，即使在0.15 A/cm²的低电流密度下，膜中的水分含量也能达到饱和值约14。相比之下，即使在较低的SCU控制比率下，随着电流密度的增加也能实现足够的膜湿度。例如，在SCU控制比率为0.2％时，当电流密度超过0.25 A/cm²时，膜中的水分含量达到约14。这些结果表明，SCU控制的有效性仅限于低电流密度区域，在电流密度高于约0.3 A/cm²时不再需要应用SCU控制。
图14显示了在高负载条件下净化控制对开阳极燃料电池操作特性的影响。随着电流密度的增加，净化控制的有效性变得更加明显。在0.3 A/cm²的电流密度下，通过净化阀控制可以去除阳极通道中积累的约6克液态水。在更高的0.7 A/cm²电流密度下，将净化控制比率从0.1％增加到0.8％可以去除大约9克液态水，表明在高电流密度下适当的净化控制可以有效消除积累的液态水。即使在低电流密度下也会产生液态水，因此也需要在0.1 A/cm²时开始应用净化控制。随着电流密度的增加，液态水积累变得更加严重，其对燃料电池性能的影响也放大，因此需要逐步增加净化控制比率。
图14显示了在不同的负载条件下，为了满足80％的燃料效率标准，净化控制比率在0.1 A/cm²的电流密度下设置为约0.1％。随着电流密度的增加，净化控制比率从约0.3 A/cm²开始更快地增加，此时膜完全湿润。因此，在0.7 A/cm²的电流密度下，净化控制比率增加到0.5。尽管在0.7 A/cm²的较高吹扫控制比率下可以有效去除累积的液态水，并使电压提升约0.034 V，但过度的吹扫会导致氢气损失，使燃料效率降至80%以下。因此，为了在性能提升和燃料效率之间取得平衡，吹扫控制比率被限制在选定的值。基于上述分析，开发了一种适用于开阳极燃料电池的最佳水分管理控制策略，如图15所示。在低电流密度区域应用SCU控制以增强膜的湿润。随着电流密度的增加，SCU控制比率逐渐减小，在大约0.35 A/cm²时降至零，超过该值后不再应用SCU控制。相比之下，整个运行范围内都进行吹扫控制。由于即使在低电流密度下也会产生液态水，并且随着电流密度的增加而更加严重地累积，因此吹扫控制比率随着电流密度的增加而逐渐增加，达到0.5%以减轻积水问题，同时保持燃料效率。
图15. 基于SCU和吹扫控制的开阳极燃料电池的最佳水分管理控制策略。
使用优化控制策略后，电池电压和燃料效率的提升效果如图16所示。它将优化策略与原始基线策略进行了比较，在原始基线策略中，SCU每10秒激活100毫秒，吹扫阀每90秒开启0.15秒，整个运行期间都保持这种状态。在低电流密度条件下，由于膜已经通过参考SCU控制得到了充分的湿润，电压提升效果较为温和。然而，由于SCU运行期间需要额外的氢气消耗，燃料效率降低了约7%。在中等电流密度条件下，优化控制策略显著提升了开阳极燃料电池的整体性能。在0.3 A/cm²的电流密度下，电池电压提高了约0.02 V，而燃料效率提高了约10%。这种提升归因于对控制区域的精确划分，从而最小化了与SCU运行相关的不必要的氢气消耗和吹扫过程中的氢气损失。因此，在中等负载条件下获得了最明显的性能提升。在较高电流密度下，优化控制策略和参考案例的电池电压相似。相比之下，当应用优化控制策略时，燃料效率提高了约6.7%。尽管两种策略都能有效去除阳极通道中累积的液态水，但所提出的策略通过同时保持高电池电压和提高燃料效率实现了更优的性能。因此，优化的水分管理控制策略大幅提升了整体燃料效率。
图16. 通过优化控制策略实现的性能提升。
3.4. 在不同环境条件下的水分管理控制优化
开阳极PEM燃料电池的运行特性对环境大气条件（如相对湿度和温度）非常敏感，因为环境空气直接供应给阴极。因此，包括SCU和吹扫操作在内的水分管理控制策略的有效性会因环境而显著变化。本研究进一步调查了环境条件对电池性能和内部水分行为的影响，以评估所提出的控制策略在不同大气环境下的适用性。图17显示了在25°C固定温度下，环境相对湿度对膜含水量、阳极通道中液态水积累速率以及电池电压的影响。在所有情况下，吹扫阀以每200秒开启0.15秒的最小条件运行，并且没有应用SCU，以直接评估环境条件对内部水分行为的影响。
图17. 25°C下开阳极燃料电池的环境相对湿度的影响。
膜含水量变化表明，在高湿度条件下（如70%和50% RH），膜达到饱和状态，含水量约为14%。相比之下，在干燥条件下，含水量显著降低，在30% RH时低于7，在10% RH时低于3。这表明在较低的环境湿度下，由于供应空气中缺乏水分，电化学反应产生的水不足以充分湿润膜。这些湿度特性与阳极通道中的液态水积累速率密切相关。在高湿度条件下，即使在低电流密度区域，液态水也会开始凝结，强调吹扫控制的关键重要性。相反，在低湿度条件下（如30%和10% RH），即使在高电流密度下也几乎看不到液态水凝结，因为燃料电池堆相对干燥。最终，电池性能结果显示，随着环境相对湿度从70%降至10%，电池电压下降。虽然70%和50% RH之间的性能差异很小，因为两种情况下膜都达到了完全湿润，但当湿度降至30%和10%时，性能显著下降。这种下降主要是由于膜湿润不足导致的欧姆过电位的显著增加。
图18. 在50%相对湿度下，环境温度对开阳极燃料电池内部水分行为和运行特性的影响。环境温度对水分行为有复杂的影响，因为它既影响饱和蒸汽压也影响水分通过膜的传输。
关于膜含水量，较低的温度导致更快速的水分饱和，因为较低的饱和蒸汽压减少了可以在气相中保持的水分量。在5°C时，膜在非常低的电流密度（约0.1 A/cm²）下达到饱和状态。随着温度的升高，达到完全湿润所需的电流密度也相应提高，在15°C时约为0.22 A/cm²，在25°C时约为0.35 A/cm²。在35°C时，较高的饱和蒸汽压阻止了膜在高电流密度下完全湿润，含水量保持在13以下。随着温度从5°C升至25°C，膜中的水扩散系数增加，导致从阴极到阳极的水分传输增加。因此，在这个范围内的较高温度下，一旦开始凝结，液态水的积累速度会加快。然而，在35°C时观察到了不同的趋势，液态水积累速率实际上有所下降。尽管由于35°C时扩散系数较高，通过膜的水分传输量增加，但饱和蒸汽压也显著上升，导致更多的水分以气相形式存在，从而减少了在阳极通道中凝结的水分量。最终，电池电压结果显示，在低电流密度区域，较低的温度提供了性能优势，因为更快的膜湿润减少了欧姆过电位。然而，这一趋势在约0.3 A/cm²时发生了逆转，超过这一阈值后，较高温度条件下的电压表现更好。这种逆转归因于随着温度升高，限制电流密度的增加，抑制了浓度过电位的上升。因此，即使在较高温度条件下存在积水风险，增强的质量传输能力也缓解了中高电流密度区域的性能下降。
基于上述分析，图19展示了在不同负载条件下，根据环境相对湿度和温度优化的控制策略。优化在与基线条件相同的控制范围内进行，即25°C和50% RH，以保持控制强度的一致性。
图19. 在不同环境相对湿度、温度和电流密度下的最佳控制策略。
在低电流密度和低湿度环境中，实施较高的SCU比率以保持膜的湿润。具体来说，随着温度的升高，饱和蒸汽压的增加阻碍了自湿润，导致需要SCU控制的操作区域显著扩大。在吹扫控制方面，控制比率增加以在高电流密度和高湿度条件下抑制积水。虽然吹扫比率通常随温度升高而增加，但在从25°C升至35°C时观察到一个明显的逆转，最佳吹扫比率降低了。最终，这些优化图表为在多种负载和大气环境中实现稳定的电池电压和保持高燃料效率提供了定量框架。
本研究提供了关于开阳极燃料电池在不同负载条件下的水分分布和积累行为的定量见解。基于这种理解，系统地阐明了SCU和吹扫控制对电池电压和燃料效率的影响。与以往主要依赖经验调整或分别评估单个控制方法的研究不同，本研究建立了明确的负载依赖性标准，以根据主导的水分管理机制协调SCU和吹扫控制。结果表明，高效运行需要根据负载进行水分管理控制的协调，而不是单一的统一控制策略。此外，系统地分析了环境相对湿度和温度的影响，并将提出的方法扩展为多维控制图表，以确保在多种大气环境下的稳健性能。所提出的方法通过同时考虑内部水分行为、电压性能和燃料效率，改进了早期的控制策略。它为轻量化燃料电池系统提供了实用的设计指南，并可以支持在不同运行条件下的自适应控制方案的开发。尽管本研究主要关注实验室稳态环境，但它为未来研究更复杂的场景提供了坚实的基础。某些实际因素，如燃料电池堆老化对水分管理的长期影响以及系统对实际无人机飞行动态负载剖面的响应，超出了本研究的范围。因此，未来的研究将致力于将这些退化特性纳入考虑，并通过实验评估该策略的性能。进一步的验证将继续提高所提出的水分管理框架在各种真实环境中的可靠性和实用性。
4. 结论
本研究开发了一个水分管理控制框架，以优化开阳极燃料电池的性能和燃料效率。建立了一个 Transient燃料电池模型来分析在不同运行条件下的膜和流道中的水分分布，并系统研究了SCU和吹扫控制对电池性能的影响。基于这些分析，提出了一种优化控制策略，以在性能提升和燃料经济性之间取得平衡。首先，分析了低电流密度条件下开阳极燃料电池的运行特性，重点关注膜湿润。结果表明，膜脱水是该区域性能下降的主要原因，导致欧姆过电位增加。发现SCU控制能有效向膜提供额外的水分，使电池电压在0.1 A/cm²时提高了约0.024 V。然而，过度的SCU操作增加了氢气消耗，并使燃料效率降低了20%，凸显了优化SCU控制强度的必要性。接下来，研究了高电流密度条件下吹扫控制对燃料电池运行的影响。确定阳极通道中的液态水积累是该区域性能下降的主要原因，导致严重的浓度过电位。吹扫控制有效去除了累积的液态水，并使电池电压在0.7 A/cm²时提高了约0.034 V。然而，频繁的吹扫导致显著的氢气损失，表明在性能提升和燃料效率之间存在明显的权衡。最后，通过根据运行条件协调SCU和吹扫控制，提出了一种最佳的水分管理控制策略。SCU控制主要应用于低电流密度区域，并随着电流密度的增加而逐渐减弱；而 purge控制则在整个运行范围内都得到应用，且在电流密度较高时其强度也随之增加。通过采用所提出的策略，燃料效率平均提高了9.7%，同时保持了相当的电池电压。此外，还探讨了该策略在不同环境条件下的适用性。研究结果表明，环境相对湿度和温度显著影响了电池内部的水分行为。基于这些发现，所提出的策略进一步扩展为一种结合负载条件和环境条件的控制方案，为实际运行环境提供了更为实用的框架。本研究为开口式阳极燃料电池内部的水分分布行为提供了定量分析，并明确了SCU控制和purge控制在不同运行条件下的不同功能作用。所提出的控制框架为开口式阳极燃料电池系统的高效和稳健运行提供了实用的设计指南，有助于开发适用于轻量化和移动燃料电池应用的智能化水分管理策略。
**CRediT作者贡献声明：**
- Eun Hye Han：数据分析、软件开发
- Sihyung Park：方法论研究、软件开发
- Dongmin Lee：验证工作、可视化处理
- Sangho Lee：软件开发、监督工作、验证工作
- Sangwon Kim：概念构建、数据整理
- Dong Kyu Kim：资金筹集、项目管理、资源协调、监督工作、可视化处理、初稿撰写、审核与编辑
**数据可用性：**
数据可应要求提供。
**CRediT作者贡献声明（续：）**
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- Sihyung Park：软件开发、方法论研究
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- Sangho Lee：验证工作、监督工作、软件开发
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- Dong Kyu Kim：初稿撰写、审核与编辑、可视化处理、监督工作、项目管理、资金筹集、资源协调
