正如燃料电池领域广泛认知的那样，质子交换膜需要保持一定的相对湿度，以确保离子电阻足够低，从而实现高效的质子传导。在燃料电池运行过程中，膜电极组件(MEA)生成和释放的水分以及外部加湿供应的水分可能会进入阳极和阴极的流道。当电堆的功率需求持续较低(通常低于0.2 A/cm²)时，反应气体的流速可能不足以将水从流道中带出，导致水分在流道中逐渐积累。随着水分的增加，流道可能被堵塞，迫使反应气体流向其他并联流道，因为这些流道通过公共入口和出口歧管连接在一起。

由于反应气体无法流经被水堵塞的流道，也无法将积水排出，导致这些流道内未能接收反应气体的膜区域无法发电，从而造成电流分布不均，进而使电堆运行不稳定，降低燃料电池的整体效率。随着越来越多的流道被水堵塞，燃料电池的发电能力逐渐下降。当单电池电压出现低于200 mV时，通常被视为电池失效。由于燃料电池采用串联连接方式，若其中一块电池停止工作，整个燃料电池堆可能会停止运行。

01 存在问题

通常可以通过定期以高于满足输出功率所需的流速，强制或脉冲式地将反应气体通过流道，来清除积聚的水。例如，当燃料电池堆在低功率需求下持续运行(如车辆长时间怠速)时，业内通常采用脉冲方式将阴极空气通过流道。例如，每隔3-5分钟将阴极空气脉冲至相当于一半电堆功率的水平。通过这种方式，水被强制排出流道。

然而，这种增加气流的方法会导致膜的干燥，从而引发膜的膨胀和收缩问题。此外，气流的增加还会提高空气压缩机的寄生功率消耗，从而降低整个系统的效率。

在电堆层面进行水管理并不一定能有效管理电堆中所有燃料电池的水分。换句话说，阴极流道中的水积聚可能对各单电池的输出电压产生不同的影响，而现有的水管理方法并未解决这一问题。这种单电池间的差异可能由公差、电堆老化或其他因素引起。单电池间湿度状态的差异会引发多种问题，如低功率运行的不稳定性和低效单电池单元。

在电池设计和组装中的微小差异会导致阴极流场、阳极流场以及冷却流场中出现不同的压力降，从而引发单电池单元化学计量比和温度的差异。流场中气体的相对湿度对化学计量比和温度高度敏感，这进一步加剧了单电池单元间的变化。

如果燃料电池堆的正常运行范围为80-90%的相对湿度，单电池间的差异可能导致某些电池的相对湿度超过100%，进而引发电池内的积水问题。此外，当某个单电池部分积水时，会导致更大的压力降和化学计量比的降低，从而可能引发失控状态，最终可能导致电堆失效甚至停机。这种失控状态的动态过程与单电池之间的差异密切相关。

此外，随着电堆中单电池数量的增加，这些问题会愈加严重。即使单电池的公差控制得非常严格，依然会因双极板设计、膜电极组件(MEA)的差异、扩散介质的变化以及组装过程中的偏差而产生变异。因此，迫切需要一种运行方法来诊断单电池间差异的程度，并制定补救措施，以尽量减小或重置这些差异。

02 解决方案

根据本发明的原理，提出了一种用于定期从燃料电池堆阴极流道中去除水分的方法，该方法包括在持续低功率负载条件下选择性地对阴极气流进行脉冲处理，其脉冲频率取决于脉冲期间电堆内各单电池输出电压的差异。如果燃料电池堆在低功率状态下运行超过预定时间，将对阴极气流进行脉冲处理，并在脉冲期间测量每个单电池的输出电压，以确定单电池电压之间的差异。如果单电池电压的差异显著，则增加阴极气流脉冲的频率；如果单电池电压基本一致，则减少阴极气流脉冲的频率。