燃料电池电化学阻抗测试

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。

电化学阻抗谱(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。

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；

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），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。

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。