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燃料电池电化学阻抗测试

发布日期: 2022-04-13
浏览人气: 758

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC) :是一种采用可传导质子的聚合膜作为电解质,将存在于燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。具有能量转换率高、环境友好、安静、可靠性高、能量密度高等特点,是非常有发展前途的发电技术,一直以来都是科研院所及企业研究的热点。



EIS测试


PEMFC由于其结构复杂,电池内部的电化学机理仍处于探索阶段。通常PEMFC的性能会受到外部运行条件以及内部组件的影响,这使得电池行为复杂化,对研究提升其性能造成了很大的挑战。

化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)是一种暂态电化学测量技术,属于交流信号测量范畴,具有测量速度快、对研究对象表面状态干扰少的特点,能够对电极过程动力学及表面状态进行模拟及表征,已在电化学机理判断上做出了重大贡献。

EIS是采用一个频率可变的小幅正弦波电压(或电流)信号,对测试体系微扰以激励阻抗响应,从而得到体系相应参数。一般要求扰动的电压信号振幅在5-15mV,电流信号在工作电流10%以下。

分析阻抗谱一般采用两种手段:

一、建立数学模型并求出模型参数,然后推测电极系统的动力学过程及机理,此种方法能够呈现阻抗谱数据的特点但在燃料电池反应机理推测及假设上十分困难。

二、根据拟合结果倒推阻抗谱的等效电路图,通过明确电路中的基础元件及物理意义,判断电极过程及机理,其难点是基础元件与电池内部的联系,如图1所示。EIS在燃料电池电池领域的应用上,主要是通过电池的电路模型,以明确电化学参数的意义,大多数电池碰到的问题是在于难以区分其阴极、阳极贡献,对电极的单独研究则可以明确其基础科学问题,指明电池改进方向。

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图1.电工元件与电化学体系的联系

EIS具有精度高,响应快的特点,在研究PEMFC中的得到了广泛的应用,主要体现在根据对EIS结果的分析,可以对PEMFC进行两方面的优化;

一、对外部运行条件的优化:

1. 优化组装电堆时的压紧力;

2. 优化膜电极活化方法;

3. 优化工作温度;

4. 优化工作时燃料的相对湿度;

5. 优化工作时燃料的气压;

6. 优化工作时燃料的化学计量比;

7. 优化电堆的最大输出;

8. 诊断电堆内污染物;

9. 判断堆内的含水量。

二、对内部核心组件的优化:

1. 优化设计双极板;

2. 优化质子交换膜的选型;

3. 优化设计气体扩散层;

4. 优化设计催化层。

通常燃料电池电堆的阻抗可以分为三个部分:

1.由电化学反应体系的性质决定的电化学活化阻抗Ract;

2.由电池内部的电极、隔膜、电解液、连接条和极柱等的电阻决定的欧姆阻抗Rohm;

3.由反应离子浓度变化产生的浓差极化决定的阻抗Rcon。

由于在PEMFC等效电路中双电层分布在高频时是一个很小的阻抗,所以从电路上说相当于短路,因此在高频信号作用下只能观测到Rohm,于是可以利用该特点进行内阻测试。为了保证燃料电池的正常安全运行和测试有效性,正弦交流电流幅值要控制在燃料电池直流电流的10%之内(以5%为最佳),否则对PEMFC的扰动太大,影响其正常工作。如果交流信号频率在很宽的频率范围(一般为0.1Hz-10kHz)变化,在不同频率下比较交流电流和交流电压的相位差α,确定一个使阻抗Z的虚部为零的频率,即α为0,此时PEMFC的电池内阻就处于纯电阻状态,从燃料电池阻抗Nyquist图可以得到其欧姆阻抗。电化学阻抗和浓差阻抗较为复杂,需根据不同体系和经验提炼模型,开展拟合分析。

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图2.理想燃料电池阻抗Nyquist图

燃料电池EIS测试是在单电池或电堆上进行的,单电池或电堆的组装及测试过程中需要对各个参数(温度、湿度、背压等)进行高精准控制,这样测试出的阻抗曲线才能够准确、有效,因此需要配套的夹具及控制装置才能进行。


燃料电池测试设备


a)膜电极测试设备

1. MEA性能评价设备。可实现温度、压力、湿度精准控制,可应用于MEA极化曲线测试,耐久性测试;

2. 搭配电化学工作站可实现LSV、透氢电流密度等测试;

3. 桌面式设计,空间占用小,可根据用户需求进行功能定制。

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b) 燃料电池电堆测试设备

电堆评价设备。可实现温度,压力,湿度精准控制,可应用于电堆性能巡检、电堆耐久性测试等。

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c) 燃料电池定制测试设备

参考标准:

GB/T 20042.3 质子交换膜测试方法

GB/T 20042.4 电催化剂测试方法

GB/T 20042.5 膜电极测试方法

GB/T 20042.6 双极板特性测试方法

GB/T 20042.7 炭纸特性测试方法



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d) 燃料电池测试相关工装夹具

参考标准:

GB/T 20042.3 质子交换膜测试方法

GB/T 20042.4 电催化剂测试方法

GB/T 20042.5 膜电极测试方法

GB/T 20042.6 双极板特性测试方法

GB/T 20042.7 炭纸特性测试方法


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燃料电池相关关键零部件产品


a) 石墨极板

产品参数:
密度:> 1.90g/cm³
电阻率: < 12uΩ.m
抗压强度: > 100Mpa
抗弯强度: > 50MPa
尺寸精度:±0.05mm
可根据用户图纸定制

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b)密封结构

产品参数:
材料:硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶等
硬度:邵氏A30°~80°
产品精度:线径±0.05mm
可根据用户图纸定制

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燃料电池测试服务


a)膜电极测试

膜电极厚度、单电池极化曲线测试、透氢(甲醇)电流密度测试等。客户可提供催化剂,本司负责膜电极的制备及测试;也可以提供制备好的膜电极,本司负责测试。

参考标准:GB/T 20042.5 膜电极测试方法

b)极板测试

腐蚀电流、接触电阻、体电阻率等。

参考标准:GB/T 20042.6 双极板特性测试方法

c)炭纸测试

电阻率(平面方向和垂直方向)等

参考标准:GB/T 20042.7 炭纸特性测试方法

d)燃料电池其他关键零部件测试

客户提供相关测试标准,本司负责提供测试服务



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文章来源:科路得公众号





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