所用于實驗的燃料電池短堆包括16個車用燃料電池單電池組成。圖1展示了日產公司建立的小型實驗平臺，該平臺通過氣體供應和電子負載裝置對燃料電池短堆進行發電功率的調整。除了測量每個單電池的電壓和負載電流等參數外，我們還設計了阻抗測量設備，可測量整個燃料電池短堆的阻抗，包括8個分塊電池(divided cells)的阻抗。

該阻抗測量設備基于之前用于檢測燃料電池濕潤狀態的儀器進行改制。通過修改噪聲去除濾波器等規格參數，以適應氫氣缺乏檢測的頻率范圍，并確保可以同時測量兩個頻率的阻抗。分塊電極采用了在氣體流動方向上分割為10部分，在垂直于氣體流方向上分割為10部分的設計，以測量單電池內的電流密度分布。

圖1. 實驗測試設備示意圖

01、局部氫氣缺乏檢測性驗證

通過超過發電消耗的10倍供應足夠的空氣和使用氮氣將氫氣濃度稀釋至1%，我們逐漸增加負載電流而不改變供氣流量，實現了氫氣缺乏。為了與氫氣缺乏實驗結果進行比較，我們進行了模擬實驗，通過向燃料電池供應足夠的氫氣（超過發電消耗的10倍）并使用氮氣將氧氣濃度稀釋至1%，模擬了氧氣缺乏的情況。

在兩個實驗中，我們將燃料電池的溫度保持在60℃，并將供氣氣體的相對濕度加濕至20%。此外，為了計算陽極反應電阻的估計值(Ra,est)，我們在適用于氫氣缺乏檢測的頻率范圍內選擇了兩個頻率進行測量。然而，若這兩個頻率過于接近，由于測量噪聲等原因，前文公式(2)和(3)計算的斜率(m)和截距(b)的數值可能異常。因此，我們確認了測量噪聲的狀態，并選擇了40Hz和90Hz這兩個頻率。

圖2展示了在氫氣缺乏實驗期間每個單電池的電壓以及通過計算16個單電池整體阻抗得出的陽極反應電阻估計值(Ra,est)的變化。在氫氣缺乏實驗中，當負載電流增加到相當于將供氫量轉化為電流的電流轉換值的約72%時，16個單電池中的2個單電池的電壓降低到0V。同時，從計算的16個單電池整體阻抗得出的陽極反應電阻估計值(Ra,est)明顯增加。

由此結果可知，即使在多個單電池中僅有部分單電池出現氫氣缺乏，也有可能進行檢測。此外，從單電池電壓在降低過程中即使在高于0V的狀態，陽極反應電阻估計值(Ra,est)也顯著增加，從而確認即使在單電池電壓在正常運行范圍內時也可能檢測到氫氣缺乏。

圖2. 氫氣缺乏條件下的

反應電阻和單電池電壓

此外，為了與氫氣缺乏時的現象進行比較，我們還進行了模擬氧氣缺乏的實驗，其結果如圖3所示。在引起氧氣缺乏的情況下，即使單電池電壓下降，陽極反應電阻估計值(Ra,est)并未顯著增加。這表明我們有可能按預期區分氫氣缺乏和氧氣缺乏。

圖3. 氧氣缺乏條件下的

反應電阻和單電池電壓

接下來，在圖4中，我們呈現了圖2中所示的氫氣缺乏實驗期間的電流密度分布。然而，由于在氣體流動方向上的3個分割數據幾乎沒有差異，因此僅顯示了流動方向上的10個分割的分布(在垂直方向上計算并顯示了3個數據的平均值)。由于在此實驗中隨著時間的推移逐漸增加了負載電流，因此電流密度分布的平均值也隨時間的推移而增加。

可以觀察到，在向陽極供應稀釋氫氣的上游，隨著負載電流的增加，電流密度也在增加。另一方面，在下游，雖然電流密度一直在增加，直到經過400秒左右的時間，但在410秒后它就沒有再增加，反而下降。這種現象可能是由于上游氫氣的消耗增加，導致下游供應的氫氣減少。

圖4. 氫氣缺乏件下的電流密度分布

與圖2相比，值得注意的是在410秒后，隨著在陽極氣體下游HOR電流不再增加的時刻，陽極反應阻抗估算值(Ra,est)顯著增加。換句話說，由于下游氫氣缺乏，導致下游反應阻抗增加，電流密度降低，以及電流密度分布在上游發生偏斜，這兩者共同導致了整個陽極反應阻抗的增加。

此外，從在下游HOR電流不再增加的時機到陽極反應抵抗估算值(Ra,est)顯著增加，可以確認在陽極氣體下游的部分氫氣缺乏狀態也是可檢測的。

02、氫氣缺乏檢測響應性驗證

我們通過調整每單位時間內負載電流的增加量，模擬了短時間內的氫氣缺乏現象。我們分別對每秒電流密度增加0.0625A/cm2(低速)和0.625A/cm2(高速)兩種條件下的陽極反應阻抗估算值(Ra,est)和單電池電壓行為進行了圖5(a)的展示。然而，為了避免電流過度增加，我們設置了電流密度的上限值為81.25mA/cm2。

在圖5(a)中，展示了在低速條件下電流密度增加速度的實驗結果。可以確認隨著單電池電壓的下降，陽極反應阻抗估算值(Ra,est)也顯著增加，呈現了與預期的氫氣缺乏時相符的行為。

另一方面，在圖5(b)中，展示了電流密度增加速度較快的情況下的實驗結果。在這種情況下，氫氣缺乏發生時的陽極反應阻抗估算值(Ra,est)表現出不穩定的增減行為。在分析了這種不穩定行為后，發現這是由于阻抗測量儀內部的低通濾波器導致的響應滯后。

此外，考慮到車輛加速時可能在短時間內發生氫氣缺乏的情景，我們假設每秒1A/cm2至2A/cm2的電流密度變化。因此，對于阻抗測量儀的響應速度需要改進。然而，由于此次問題主要出現在阻抗測量儀內部的模擬電路信號處理方面，如果能夠數字化處理，就可以采取措施解決。因此，將來將這方面的解決方案納入阻抗測量儀的改進計劃中。

此外，對于數十Hz的阻抗測量，如果每個周期在100毫秒以內完成，就可以將在100毫秒內獲得測量結果作為目標。同時，我們還將考慮其他方法，如采用阻抗的空間平均法等，以改善響應速度。

圖5. 響應時間的驗證結果

03、總結

為了防止由氫氣缺乏導致燃料電池劣化，必須進行氫氣缺乏的檢測。我們提出了一種基于特定頻率阻抗的方法，相較于使用一般單體電壓的檢測方法，該方法更為簡便且成本更低。通過阻抗檢測，我們能夠區分氧氣缺乏并檢測氫氣缺乏。為驗證該方法對于燃料電池部分氫氣缺乏或在短時間內迅速發生氫氣缺乏的檢測性能，我們進行了使用分塊電極的短堆棧實驗。實驗證明，該方法能夠檢測到部分氫氣缺乏的可能性。

然而，在模擬急速氫氣缺乏發生的驗證實驗中，由于阻抗測量儀無法在短時間內響應阻抗變化，因此需要改善儀器的響應性。