近日，我院肖茂华教授团队刘泽老师在国际能源类权威期刊《Applied Energy》（IF=11，中科院一区，TOP，南农A类）上发表题为“Mechanism insights and system-level operation analysis of cathode recirculation for durability enhancement in automotive PEMFCE”的研究论文，该文填补了阴极再循环（CR）在质子交换膜燃料电池耐久性增强机理方面的研究空白，特别是揭示了CR在单电池层面缓解性能衰减与微观结构退化的内在关联，并将此机理认识拓展至大功率自加湿燃料电池系统的运行优化策略中,为高耐久性燃料电池在新能源汽车与农机场景中的深度应用提供了理论与技术支撑。
论文摘要
阴极再循环（CR）已成为一种颇具前景的策略，可缓解质子交换膜燃料电池（PEMFC）在低负载条件下的加速衰减问题。尽管既往研究主要关注CR对电池外部性能的影响，但其增强耐久性的内在机理与在去除外部加湿器的自增湿系统中的运行特性仍未得到充分认知。本研究首先通过严格控制的单电池测试，系统探究了CR提升耐久性的机制。宏观分析表明，CR能显著缓解极化曲线衰减，在0.3 A/cm²电流密度下最大衰减降低幅度达58.4%。微观表征发现，相较于非再循环（NCR）模式，CR主要通过减缓电荷转移与扩散电阻的增加，使电化学活性表面积（ECSA）损失降低62.7%，并将阴极催化剂层（CCL）裂纹扩展速率减少2.4个百分点。基于单电池层面获得的机理认知，研究进一步在高功率车用自加湿燃料电池系统中进行了系统级验证。结果表明：受氧稀释效应与加湿效应相互竞争的调控，最佳CR运行需随电流密度增加逐步提高泵速以维持等效电压降。此外，CR能够在保持保护性电压水平的同时降低空载功率输出，从而减轻能源管理压力。总体而言，该研究构建了连接单电池机理认知与系统级优化策略的框架，推动了耐用车用燃料电池技术的发展。
主要图片
图1G20测试站和自主开发的100kw级自加湿PEMFC系统
图2 DRT-ECM阻抗动力学联合分析框架及EIS测量数据
图3 CR vs. NCR两种模式耐久性试验后CCL形貌的变化
图4 CR模式对自增湿PEMFC系统动态和稳态性能的影响
作者介绍
本研究由南京农业大学（第一单位）、同济大学以及吉林大学的研究人员共同完成。南京农业大学工学院刘泽老师为第一作者，本工作得到了十四五国家重点研发计划的支持。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261925013777
