质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）作为一种能够直接将化学能转换为电能的发电装置,具有环保、高效、重量小等特点,可应用于便携式电子产品、小型集中供电与分散式供电系统。然而,目前限制着PEMFC商业化的主要原因有两点:一是制作成本较高,二是使用寿命较短。PEMFC的使用寿命受运行过程中的温度、湿度、压力等操作条件与运行工况的影响。本文针对机车工况对PEMFC电堆的衰退展开研究。首先,本文以5k W大功率PEMFC电堆为研究对象,特别针对机车工况,开展了PEMFC耐久性实验,研究了电堆的衰退现象。实验发现机车工况对电堆的衰退产生了较大的影响,电堆整体出现开环电压升高,极化曲线呈现非线性衰退,直接影响电堆的使用寿命。其次,以电堆中的单片为研究对象,基于极化曲线与电化学阻抗谱,研究了不同位置单片PEMFC衰退的非均衡性。实验发现不同位置的PEMFC极化曲线具有不同的衰退趋势,表明机车工况使PEMFC电堆各单片发生了不一致衰退;基于电化学阻抗谱发现各单片欧姆阻抗也表现出了不一致的增加,欧姆阻抗的衰退与单片电池所处的位置有着明显的相关性,表明单片所处运行环境不同对膜衰退有着很大影响,另外,从电压波动率可以看出,随着运行时间增加,电堆各单片的非均衡性加剧,这种不均衡的衰减趋势形成“木桶效应”直接影响电堆使用寿命。最后,基于上述耐久性实验数据,建立电堆与单片的半经验衰退模型,研究表明:实验测得的极化曲线与通过模型所得的极化曲线几乎吻合,验证了所建模型的准确性。在此基础上,利用前200h的电堆耐久性实验数据,对250h的极化曲线进行预测,结果表明所建模型与实际电堆衰退数据基本一致,验证了衰退模型的准确性。并基于该模型对各单片电池的极化曲线进行拟合,发现第1片电池在150h-200h时,膜衰退起主导作用,其他运行时间各种衰退机制共同作用,表明同一单片电池在不同运行时间起主要作用的衰退机制不一样。