質子交換膜燃料電池變溫度條件下平面內分區電化學阻抗譜的量化和對比分析

在質子交換膜燃料電池平面內分區電化學阻抗譜(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)分布的研究中，雖然分區EIS分布能夠體現出燃料電池平面內電化學反應的不一致性，但是卻不能定量的對比出分區之間的極化差異。因此有必要使用有效的數據分析方法，擬合分區EIS的測試結果，以便在不同頻率范圍內量化和對比分區之間的極化差異。此外，在使用FFT算法，利用Matlab軟件成功獲取平面分區EIS分布的基礎上[1]，本研究采用等效電路模型（Equivalent Circuit Model，ECM）和控制參數變量的方法，量化和對比了燃料電池在變溫度條件下的平面內分區EIS的差異。在此基礎上，關于燃料電池內部電化學反應的更多的變參數信息也可以采用相同的方法獲取，這將有助于進一步分析燃料電池內部復雜的多域多尺度的變化過程。

1建立分區EIS測試系統和實驗

平面內分區EIS測試系統的搭建和調試運行參考文獻[1]，在此基礎上預設電池的運行溫度，獲取平面分區EIS分布數據。相關的實驗測試系統和變溫度的運行條件分別見圖1和表1所示。在平面內分區EIS變溫度測試過程中，電池的溫度分別預設50℃/60℃/70℃/80℃時，獲取對應工作溫度條件下的分區EIS分布。圖2中展示了在70℃工作溫度下，平面內分區EIS分布結果。可以看到，這組曲線可以分辨出燃料電池內部電化學反應的不一致性，但是卻不能定量的反映出分區之間的極化差異。

圖1 變溫度條件下平面內分區EIS測試系統

表1 變溫度實驗運行條件

圖2 70℃溫度條件下平面內分區EIS組

因此，下文通過建立分區等效電路模型，量化和對比變溫度條件下的分區EIS的測試結果。

2平面內分區等效電路模型

EIS的損耗過程主要包括歐姆損耗、陽極活化損耗、陰極活化損耗和陰極傳質損耗。袁浩，張少哲等人使用ECM量化了單池的EIS極化損失[2,3]。圖3是單池三階等效電路模型，參考類似的方法，使用ECM擬合分區EIS，能夠量化和對比分區的損耗類型。

圖3 三階等效電路模型

每個頻帶的分區EIS極化損耗可以使用圖3中的三階等效電路模型進行量化。Rohm是歐姆電阻，Rct-a是陽極極化電阻，Rct-c是陰極極化電阻，Rmt是傳質電阻。恒相位元件CPE1、CPE2，和CPE3分別相當于電荷聚集而產生的雙電層電容效應、陰極-電解質界面電荷的儲存、催化層和氣體擴散層中氣體擴散系數不均勻而產生的類電容。基于上述ECM和70℃溫度下的分區EIS測試結果，分區EIS組能夠使用Zview軟件進行擬合。

3變溫度條件下分區EIS的量化和分析

圖4是在70℃溫度條件下平面內分區EIS測試結果和ECM擬合結果的對比。可以發現，擬合曲線能夠與測試結果相吻合。分區EIS對應擬合的損耗參數值見表2所示。

表2 70℃溫度下平面內分區EIS擬合參數

圖4: 70℃溫度條件下平面內分區EIS測試結果 和ECM擬合結果對比

在其他參數保持不變的條件下，按照表1逐步調整電池溫度，依次獲取50℃、60℃、70℃和80℃的平面內分區EIS分布，并使用圖3 中的ECM進行擬合，其擬合結果如圖5所示。四條曲線分別代表了不同頻率下的相關損耗，以及曲線的變化趨勢反映了平面內分區極化損耗參數值的變化。

圖5: 變溫度條件下平面內分區極化損耗對比

可以看出，9個分區的Rct-a和Rohm值變化不大，但入口和出口附近的Rdt-c和Rmt值具有一定程度的波動。由于聚合物電解質的水合作用，燃料電池的性能隨著電池溫度的升高有所提升。電池溫度越高，阻抗值也越小。低溫度下，較慢的氧化還原反應將帶來較大的活化阻抗。然而，在80℃時，也驗證了燃料電池的工作具有最佳的工作性能，超過此最佳工作溫度，性能將會下降。同時，還可以發現隨著電池溫度的升高對Rct-c和Rmt有更明顯的影響。在50℃和60℃，平面內入口和出口區域的Rct-c和Rmt區域有明顯的波動。相比之下，平面內分區之間的Rct-a和Rohm對溫度的影響較小。

4總結

本文中，基于單池分區阻抗譜測量，獲取了在不同溫度下平面內分區EIS分布組譜。利用ECM擬合了分區EIS測試數據，量化了不同頻帶的損耗參數值，以及分析和對比了溫度對平面內分區EIS的影響。利用ECM和控制參數變量的方法，量化和對比燃料電池單池平面內分區EIS，本研究為進一步深入探索燃料電池內部電化學反應的進程提供了有效的分析手段，也為車載大活性面積燃料電池的不均勻性研究提供了一定的參考。

審核編輯：湯梓紅