燃料電池是一種將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為直流電的電化學(xué)轉(zhuǎn)換器。它涵蓋了多門(mén)學(xué)科，包括材料科學(xué)、界面科學(xué)、傳輸現(xiàn)象、電化學(xué)和催化作用，想充分理解其中蘊(yùn)含的原理，卻一直都是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)下，就氫氧燃料電池而言，早已開(kāi)發(fā)出精準(zhǔn)分析單片電池和電池組的診斷工具，主要分為兩大類：電化學(xué)技術(shù)和化學(xué)/物理法。其中，電化學(xué)技術(shù)，如極化曲線、電流中斷以及電化學(xué)阻抗譜分析等，已應(yīng)用燃料電池的診斷。然而，物理/化學(xué)法，它需要測(cè)量燃料電池具體屬性或特定的過(guò)程，相關(guān)的設(shè)備和材料的發(fā)展水平，都有一定的局限性，所以，主要來(lái)分析電化學(xué)技術(shù)的診斷工具。

極化曲線是一種反映燃料電池特性最簡(jiǎn)單易行的方式，它是，在一組穩(wěn)定工作條件下電池電勢(shì)與電流密度的曲線，主要包括三個(gè)區(qū)域，在電流密度較低時(shí)（活化極化區(qū)域），電池電勢(shì)指數(shù)下降，這些損耗的大部分是由于氧化還原動(dòng)力學(xué)遲緩所引起的；在電流密度適中時(shí)（歐姆極化區(qū)域），由于歐姆電阻引起的電壓損耗非常明顯，主要來(lái)自于電解液中的離子流電阻和通過(guò)電極的電子流電阻。在此區(qū)域中，電池電勢(shì)隨電流密度近似線性減小，而活化電勢(shì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值；在電流密度較高時(shí)，（濃度極化區(qū)域），由于通過(guò)氣體擴(kuò)散層（GDL）和電催化劑層（CL）孔隙結(jié)構(gòu)的反應(yīng)氣體的傳輸極限約束，質(zhì)量傳輸效應(yīng)起主要作用，且電池性能急劇下降。通過(guò)測(cè)量極化曲線，可表征系統(tǒng)的組成、流量、溫度、以及反應(yīng)氣體的相對(duì)濕度等特定的參數(shù)對(duì)電池性能的影響。

電流中斷，一般情況下，電流中斷方法適用于測(cè)量燃料電池中歐姆損耗，該方法的原理是當(dāng)電路中斷時(shí)，歐姆損耗比電化學(xué)過(guò)電勢(shì)消失得更快，即歐姆損耗幾乎立刻消失且電化學(xué)過(guò)電位以相當(dāng)慢的速率下降，在該技術(shù)中，快速采集瞬態(tài)電壓數(shù)據(jù)對(duì)于充分分離歐姆損耗和活化損耗至關(guān)重要。電流中斷法具有數(shù)據(jù)分析相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，然而，從單電池或電池組中獲得的信息確是有限的，另外，也難以確定電壓瞬時(shí)跳變的確切時(shí)刻，因此應(yīng)采用一個(gè)高速示波器來(lái)記錄電壓的變化。如圖所示：


電流中斷后電池電壓特性

電化學(xué)阻抗譜是一種在短時(shí)間內(nèi)分析各種極化損耗的功能強(qiáng)大的技術(shù)方法，，它是對(duì)電池施加一個(gè)小的交流電壓信號(hào)或電流擾動(dòng)信號(hào)（已知幅值和頻率），并作為頻率函數(shù)來(lái)測(cè)量產(chǎn)生信號(hào)的幅值和相位，這大概需要通過(guò)較寬的頻率不斷的重復(fù)。通常，阻抗頻譜是繪制成伯德圖和奈奎斯特圖的形式，在奈奎斯特圖中，高頻電弧反映了催化劑層的雙電層電容、有效電荷轉(zhuǎn)移阻抗以及歐姆電阻的組合，其中，后者可直接與電流中斷測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。低頻電弧是反映由于質(zhì)量傳輸限制而產(chǎn)生的阻抗，它的形狀可歸因于通過(guò)多孔電極的孔隙氧擴(kuò)散受限。

總之，EIS是一項(xiàng)研究燃料電池診斷的有效技術(shù)，可以提供更多的信息且能用于評(píng)估燃料電池性能的診斷準(zhǔn)則。


氫能檢測(cè)中心全貌


燃料電池測(cè)試

位于河北省保定市的長(zhǎng)城氫能檢測(cè)中心，是一個(gè)世界頂級(jí)，國(guó)內(nèi)首座的大型綜合的試驗(yàn)室，具備了多項(xiàng)燃料電池性能檢測(cè)和診斷技術(shù)的能力。特別是診斷方面，我們擁有測(cè)量燃料電池內(nèi)阻，精確到毫歐級(jí)的交流阻抗儀（HIOKI），電壓范圍：0~300V,也有型號(hào)多樣的優(yōu)質(zhì)多通道恒電位儀：Gamary，能實(shí)現(xiàn)高精度與高準(zhǔn)確度阻抗測(cè)量，比如：Reference 3000（電流最大量程3A），也有Reference 30k Booster放大器，電流量程可以擴(kuò)展到30A,可以更加精確的測(cè)量其決定的性能參數(shù)。

目前，在PEM燃料電池中采用的各種診斷技術(shù)需要仔細(xì)研究，盡可能的去集成多種診斷技術(shù)的測(cè)試設(shè)備，以便于我們更適合深入分析導(dǎo)致性能損耗的原因，從而為PEM燃料電池的診斷技術(shù)奠定深厚的基礎(chǔ)。