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1、技术背景
燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，在新能源汽车、分布式发电等领域具有广阔的应用前景。电堆是燃料电池系统的核心部件，其性能直接影响整个系统的效率和可靠性。在燃料电池中，阳极计量比与阴极计量比的敏感性研究是电堆常见的测试。这两个比例直接影响到燃料电池内部的化学反应速率、热量产生及水管理，进而影响电池的整体性能。
2、试验方法
为了具体研究计量比对燃料电池电堆性能的影响状况，实验通过测试在燃料电池电堆额定功率条件下，分别改变阳极与阴极的计量比条件，通过单一变量变化进行控制变量。
A.测试硬件：
1.设备：G900 150kW电堆测试系统（见图1）与科研用电堆。
2.数据采集：巡检模块监测单片平均电压，Greenlight软件数据处理。
  图1 上海汽检江苏分公司G900设备台
B.试验条件：
1.活化与极化测试：首先按照活化与极化测试条件对电堆进行极化实验，确保其性能达到厂家规定的电压和功率性能指标。
2.阴阳极计量比测试：极化测试结束后，静置30min后拉载至额定电流，稳定运行10min后调整计量比。
3.额定工况：电流528A（额定功率），三腔温度75℃，阳极压力180kPa/阴极压力170kPa，阳极湿度40%RH/阴极湿度40%RH。
试验方案如表1所示。
 表1 阴阳极敏感性试验方案
3、测试数据分析
3.1 阳极计量比测试
按试验方法表1进行阳极计量比敏感性测试，测试数据结果如表2所示。
 表2 阳极计量比敏感性试验结果  表3 单片电压与性能变化对比分析  图2 氢气计量比对平均电压的影响
通过表3与图2研究发现，当阳极计量比在1.5-1.1之间变化时，电堆的单片平均电压几乎并未出现变化，分析此时电堆氢气侧的反应程度在1.1电密之前都处于一个氢气供给充足且此时电堆的性能也处于一个较为稳定的状态运行。而当阳极计量进一步降低时，电堆阳极侧出现了氢气欠气现象。电堆内部的氢气分布不均，从而出现大幅度单片平均电压下降现象。
3.2 阴极计量比测试
按试验方法表1进行阴极计量比敏感性测试，测试数据结果如表4所示。
 表4 阴极计量比敏感性试验结果  表5 单片电压与性能变化对比分析  图3 空气计量比对平均电压的影响
通过表5与图3研究发现阴极计量比的降低比阳极的计量比的降低对电堆性能的影响较为缓和，同为下降到最终计量比时阳极的单片平均电压下降量为阴极的单片平均电压下降量的2倍左右。再通过数据分析得：当阴极计量比降低时，电池性能呈抛物线型下降。此时，电池可能因缺氧而无法维持稳定的性能与状态，同时随着计量比的不断降低，电堆性能也开始出现阶梯式下降趋势。所以可能随着阴极计量比的进一步降低其对电堆的性能的影响可能会与阳极一样的影响效果。
4、结论总结
此电堆敏感性差异机制：
阳极反应速率快，计量比不足直接导致氢气扩散受限，局部“饥饿”引发电堆性能阶梯式降低。
阴极氧气传输受扩散速率限制，缓冲能力较强，因此阴极计量比的变化对电堆性能的影响相对较小。但深度缺氧仍造成不可逆损伤。
此电堆性能衰减临界点与建议：
阳极安全阈值：计量比>1.1（建议≥1.2规避风险）。
阴极安全阈值：计量比>1.4（建议≥1.5维持稳定）。
此电堆优化方向：
优化此电堆性能需要注意点较多。在动态工况下，优先保障阳极计量比冗余是最为重要的。阴极计量比可适度下调提升系统效率，但此电堆的性能要求要在计量比1.35的安全红线。协同调控更是平衡输出功率与寿命的“黄金法则”，例如阳极固定在1.2，阴极控制在1.5-1.6区间，让此电堆发挥最佳性能。
试验总结：
阴阳极计量比对燃料电池的性能具有显著影响。随着计量比的降低都会出现不同程度性能的下降趋势，其中通过试验研究得到阳极计量比的变化对电堆的影响是远大于阴极计量比变化对电堆性能的影响。同时它们的降低都可能出现不可逆的电堆损伤。因此通过此试验可以明白，通过不断试验调整阴阳极计量比的变化，可以提高燃料电池的输出功率和效率，延长电池的使用寿命，为未来燃料电池的发展做出贡献。
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