质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高功率密度、快速启动、环境友好性和高效的能量转换而在各个领域得到广泛应用[[1], [2], [3], [4], [5]]。根据运行环境中是否含有空气，PEMFC 可分为氢-空气 PEMFC（HA-PEMFC）或氢-氧 PEMFC（HO-PEMFC）[6]。在空气独立推进（AIP）系统中，氢-氧燃料电池是一种有前景的解决方案[7]。然而，在类似的阴极气体化学计量条件下，氢-氧燃料电池的流速仅为氢-空气燃料电池的五分之一。这种较低的流速可能导致气体净化不足，从而引发积水，阻碍反应物传输并降低性能稳定性[[8], [9], [10]]。因此，解决由于气体净化受限而导致的燃料电池堆栈积水问题对于封闭环境至关重要。
为了解决由于气体净化能力不足导致的堆栈积水问题，并提高 PEMFC 在封闭环境中的应用潜力，当前的研究重点在于配置设计和控制策略，包括被动气体净化和主动气体扰动技术。
在空气无法直接进入的封闭环境中，需要采用死端阳极和阴极（DEAC）配置以确保燃料的充分利用[11]。为了提高水去除能力，韩等人提出了一种多级燃料电池配置，增加了气体流速和水去除效率，使堆栈效率达到了 65%[12]。Barzegari 等人通过将分离器集成到堆栈中并利用收集的水分来湿润反应气体，进一步改进了这一设计[13]。同时，他们创建了一个结合了流体动力学、热力学和电化学的动态模型，研究了温度等参数的影响，并验证了该模型在提高水去除效果方面的有效性[14,15]。为了在不因频繁净化而降低燃料效率的情况下增加气体流速和水去除量，提出了带有循环泵的双循环配置[[16], [17], [18], [19]]。尽管有这些创新，多级燃料电池设计在实际应用中仍存在局限性，而双循环配置会增加辅助功耗，从而对封闭环境应用中的系统效率产生负面影响。因此，DEAC 配置在封闭环境中被广泛使用[11,20]。
为了提高 DEAC 配置的水去除能力，研究人员还关注基于燃料电池系统内部被动净化的控制策略。研究发现，激活净化阀可以增加气体流速，从而产生足够的剪切力以去除液态水并恢复燃料电池堆栈的性能[[21], [22], [23]]。Esbo 等人指出积水是 DEAC 模式下反应物传输挑战和性能下降的主要原因，并提出了经验性的净化参数设置来解决这一问题[24]。在空气可自由使用的传统非封闭燃料电池中，研究主要集中在死端阳极净化策略上。Belveder 等人开发了一种与功率相关的净化策略，随着负载功率的增加而缩短最佳净化间隔[25]。Omrani 等人研究了不同温度下死端阳极的净化特性，发现较高的堆栈温度可以延长排气周期间隔[26]。尽管通过这些净化优化提高了死端堆栈的水去除能力[[27], [28], [29], [30]]，但净化间隔仍然在分钟级别，而非每小时[[31], [32], [33]]。在一定程度上，这些净化策略提高了水去除能力，但较短的净化间隔会降低燃料利用率，并增加封闭环境中处理废气的难度。
除了在堆栈出口使用主动净化方法来促进水去除外，学者们还提出了被动方法来改善堆栈的水去除效果，例如在堆栈内部引入水传输板（WTP）[[34], [35], [36]]，以及在气体流中引入冲击波和压力波动[[37,38]]。Palan 等人提出在燃料电池入口处引入冲击波以促进水去除，理论计算表明在直通道中去除 2 毫米半径的液滴至少需要 21 毫瓦的功率[39]。Schafer 和 Mortazavi 等人通过实验模拟了叠加在入口流上的表面声波[40,41]。此外，Jia 等人观察到阳极侧的压力脉动有效增强了死端阳极堆中的氢扩散[42]，而 Ramiar 等人揭示了入口流扰动对肋条下质量传递的影响[43]。最后，Choi 等人在死端条件下评估了阴极脉动频率（0.5–3.0 赫兹），证实压力波动将平均净化间隔延长了 2.8 倍[6]。总之，入口处的流动扰动或冲击波可以改善水去除能力，但目前的研究主要集中在小型单电池设置上，缺乏关于堆栈级效果的证据。在入口或出口处集成扰动装置也会增加辅助功耗和系统复杂性，限制了其在堆栈和系统层面的实际应用。
总之，针对封闭环境中氢-氧燃料电池堆栈的水去除挑战的研究提出了多种解决方案。基于 DEAC 配置，通过气体净化和气体流动扰动及 WTP 的被动方法已被证明可以有效改善堆栈的水去除效果。然而，仅使用净化策略会导致燃料利用率低和废气处理困难，而添加扰动装置和 WTP 会增加系统复杂性。需要更好的解决方案来提高 DEAC 配置的水去除能力。
本研究提出了一种针对封闭环境中 DEAC PEMFC 水去除能力不足的策略。在不添加额外扰动装置的情况下，提出了一种结合入口压力波动的被动方法和气体净化的主动方法的方案，基于典型的 DEAC PEMFC 系统配置。第二部分开发了一个数学模型来评估入口压力波动对水去除的影响。第三部分详细介绍了验证所提方法的实验设计过程。第四部分对实验结果进行了全面分析和讨论，并进行了总结。
