燃料電池電化學阻抗測試

PEMFC由于其結構復雜，電池內部的電化學機理仍處于探索階段。通常PEMFC的性能會受到外部運行條件以及內部組件的影響，這使得電池行為復雜化，對研究提升其性能造成了很大的挑戰。

電化學阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)是一種暫態電化學測量技術，屬于交流信號測量范疇，具有測量速度快、對研究對象表面狀態干擾少的特點，能夠對電極過程動力學及表面狀態進行模擬及表征，已在電化學機理判斷上做出了重大貢獻。

EIS是采用一個頻率可變的小幅正弦波電壓（或電流）信號，對測試體系微擾以激勵阻抗響應，從而得到體系相應參數。一般要求擾動的電壓信號振幅在5-15mV，電流信號在工作電流10%以下。

分析阻抗譜一般采用兩種手段：

一、建立數學模型并求出模型參數，然后推測電極系統的動力學過程及機理，此種方法能夠呈現阻抗譜數據的特點，但在燃料電池反應機理推測及假設上十分困難。

二、根據擬合結果倒推阻抗譜的等效電路圖，通過明確電路中的基礎元件及物理意義，判斷電極過程及機理，其難點是基礎元件與電池內部的聯系，如圖1所示。EIS在燃料電池電池領域的應用上，主要是通過電池的電路模型，以明確電化學參數的意義，大多數電池碰到的問題是在于難以區分其陰極、陽極貢獻，對電極的單獨研究則可以明確其基礎科學問題，指明電池改進方向。

圖1.電工元件與電化學體系的聯系

EIS具有精度高，響應快的特點，在研究PEMFC中的得到了廣泛的應用，主要體現在根據對EIS結果的分析，可以對PEMFC進行兩方面的優化；

1. 優化組裝電堆時的壓緊力；

2. 優化膜電極活化方法；

3. 優化工作溫度；

4. 優化工作時燃料的相對濕度；

5. 優化工作時燃料的氣壓；

6. 優化工作時燃料的化學計量比；

7. 優化電堆的輸出；

8. 診斷電堆內污染物；

9. 判斷堆內的含水量。

二、對內部核心組件的優化：

1. 優化設計雙極板；

2. 優化質子交換膜的選型；

3. 優化設計氣體擴散層；

4. 優化設計催化層。

通常燃料電池電堆的阻抗可以分為三個部分：

1.由電化學反應體系的性質決定的電化學活化阻抗Ract；

2.由電池內部的電極、隔膜、電解液、連接條和極柱等的電阻決定的歐姆阻抗Rohm；

3.由反應離子濃度變化產生的濃差極化決定的阻抗Rcon。

由于在PEMFC等效電路中雙電層分布在高頻時是一個很小的阻抗，所以從電路上說相當于短路，因此在高頻信號作用下只能觀測到Rohm，于是可以利用該特點進行內阻測試。為了保證燃料電池的正常安全運行和測試有效性，正弦交流電流幅值要控制在燃料電池直流電流的10%之內（以5%為），否則對PEMFC的擾動太大，影響其正常工作。如果交流信號頻率在很寬的頻率范圍（一般為0.1Hz-10kHz）變化，在不同頻率下比較交流電流和交流電壓的相位差α，確定一個使阻抗Z的虛部為零的頻率，即α為0，此時PEMFC的電池內阻就處于純電阻狀態，從燃料電池阻抗Nyquist圖可以得到其歐姆阻抗。電化學阻抗和濃差阻抗較為復雜，需根據不同體系和經驗提煉模型，開展擬合分析。

圖2.理想燃料電池阻抗Nyquist圖

燃料電池EIS測試是在單電池或電堆上進行的，單電池或電堆的組裝及測試過程中需要對各個參數（溫度、濕度、背壓等）進行高精準控制，這樣測試出的阻抗曲線才能夠準確、有效，因此需要配套的夾具及控制裝置才能進行。