近年来，低空经济的快速发展导致质子交换膜（PEM）燃料电池（PEMFC）在无人机和空中巴士中得到广泛应用，这归功于它们的高比能量密度[[1], [2], [3], [4], [5]]。然而，关于燃料电池在低压条件下运行的研究仍然有限，特别是在其长期性能方面的研究存在明显不足。为了提高燃料电池在低压条件下的使用寿命，研究其在长期低压使用过程中的降解因素至关重要。清楚地了解其降解机制有助于开发新材料和缓解策略，从而提高其耐用性。
膜电极组件（MEA）的降解受到与材料和运行环境相关的多种因素的影响。这些因素可以分为三类：化学降解因素、机械降解因素和热降解因素，每种因素都会在不同程度上导致PEM、催化剂层和气体扩散层的恶化[6]。PEM主要经历化学降解和机械降解。化学降解主要表现为膜变薄和氟损失，这是由于自由基的攻击[7]；而机械降解通常表现为针孔和裂纹，这是由于组装过程中的应力不均匀以及湿-干循环期间膜收缩和膨胀产生的应力[8]。
催化剂层的降解可以从两个角度进行分析：整体结构降解和三相界面的降解[9]。湿度的变化以两种方式影响催化剂层。首先，湿度变化会改变离子体的体积。在高湿度下，膨胀的离子体会覆盖铂（Pt）颗粒，增加反应气体的传质阻力。在低湿度下，离子体收缩会减少其覆盖范围，导致某些区域的三相界面消失，阻碍质子传导。这两种情况都会导致反应速率下降[10]。其次，如果离子体和膜的尺寸变化不同步，湿度引起的离子体膨胀和收缩可能会导致催化剂层出现裂纹。这会导致电池内部的平面不均匀性[11,12]，并进一步增加催化剂层与PEM之间的界面分离，从而增加传质阻力。
催化剂层的化学降解可以归因于以下因素[13]：（1）由于碳腐蚀导致电子导电性降低；（2）由于催化剂层中离子体的损失导致质子导电性降低；（3）由于Pt溶解导致催化剂损失；（4）由于Pt颗粒生长导致催化表面积损失。然而，气体扩散层（GDL）的降解速率低于其他组件[14,15]。因此，在研究膜电极降解时，其影响通常被认为是可以忽略的。
为了清楚地了解低压条件下的降解机制，分析降解方法和适合低压的运行条件是必要的。主要的分析方法包括电化学测试和物理表征。对于催化剂层分析，可以使用电化学阻抗谱（EIS）来研究双层电容，进而评估碳腐蚀的程度[16,17]。分析其他形式的电阻变化也可以提供潜在降解因素的见解。X射线衍射和透射电子显微镜（TEM）可用于表征催化剂层内的颗粒生长[18,19]，X射线光电子能谱可用于阐明催化剂层表面的元素组成，这对于检测降解非常有益[20]。
探索运行条件和持续时间对降解的影响至关重要。何等人[21]研究了650小时耐久性测试期间的主要降解因素，并观察到这些因素在不同时间阶段有所不同，运行时间越长，降解越明显。如果没有分阶段测试，早期问题可能会被忽略。实施动态运行条件可以加速降解过程，并暴露在可变负载条件下的燃料电池降解问题[22,23]。此外，燃料电池膜电极不同位置的降解程度可能有所不同，因此需要分别分析不同区域[[24], [25], [26], [27]]。杨等人[28]将一个经历了30次冷启动的燃料电池分为三个区域：空气入口、中间和出口；他们分析了每个区域的降解程度，并观察到降解程度和贡献因素的显著差异。孙等人[29]开发了一种基于印刷电路板（PCB）电流密度测试的分区阻抗测试设备，可用于原位评估长时间运行后的燃料电池降解情况。已经确定了燃料电池阴极在低压运行下的两个主要问题[30]：氧气浓度降低以及膜和催化剂层失水的倾向。这些因素可能会加速降解过程，从而影响燃料电池的寿命。此外，通过动态建模和控制燃料电池系统，可以在一定程度上预测燃料电池在低压条件下的运行状态[31,32]。
在本研究中，我们为燃料电池阴极建立了一个300小时的低压运行条件，并将其性能与常压条件下的性能进行了比较；我们的目标是确定与低压运行相关的降解因素，并探索缓解这种降解的策略。然后，我们测试了含有保水添加剂的自湿润膜（SHM）电极组件的能力，以最小化低压运行后的性能降解。最后，考虑到MEA不同区域观察到的降解程度不同，我们提出了一种膜电极的设计策略，以提高燃料电池在低压条件下的运行寿命。
