質(zhì)子交換膜燃料電池變溫度條件下平面內(nèi)分區(qū)電化學阻抗譜的量化和對比分析

在質(zhì)子交換膜燃料電池平面內(nèi)分區(qū)電化學阻抗譜(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)分布的研究中，雖然分區(qū)EIS分布能夠體現(xiàn)出燃料電池平面內(nèi)電化學反應(yīng)的不一致性，但是卻不能定量的對比出分區(qū)之間的極化差異。因此有必要使用有效的數(shù)據(jù)分析方法，擬合分區(qū)EIS的測試結(jié)果，以便在不同頻率范圍內(nèi)量化和對比分區(qū)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(qū)EIS分布的基礎(chǔ)上[1]，本研究采用等效電路模型（Equivalent Circuit Model，ECM）和控制參數(shù)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(nèi)分區(qū)EIS的差異。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于燃料電池內(nèi)部電化學反應(yīng)的更多的變參數(shù)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(nèi)部復(fù)雜的多域多尺度的變化過程。

1建立分區(qū)EIS測試系統(tǒng)和實驗

平面內(nèi)分區(qū)EIS測試系統(tǒng)的搭建和調(diào)試運行參考文獻[1]，在此基礎(chǔ)上預(yù)設(shè)電池的運行溫度，獲取平面分區(qū)EIS分布數(shù)據(jù)。相關(guān)的實驗測試系統(tǒng)和變溫度的運行條件分別見圖1和表1所示。在平面內(nèi)分區(qū)EIS變溫度測試過程中，電池的溫度分別預(yù)設(shè)50℃/60℃/70℃/80℃時，獲取對應(yīng)工作溫度條件下的分區(qū)EIS分布。圖2中展示了在70℃工作溫度下，平面內(nèi)分區(qū)EIS分布結(jié)果?？梢钥吹?，這組曲線可以分辨出燃料電池內(nèi)部電化學反應(yīng)的不一致性，但是卻不能定量的反映出分區(qū)之間的極化差異。

圖1 變溫度條件下平面內(nèi)分區(qū)EIS測試系統(tǒng)

表1 變溫度實驗運行條件

圖2 70℃溫度條件下平面內(nèi)分區(qū)EIS組

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

2平面內(nèi)分區(qū)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(zhì)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(qū)EIS，能夠量化和對比分區(qū)的損耗類型。

圖3 三階等效電路模型

每個頻帶的分區(qū)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(zhì)電阻。恒相位元件CPE1、CPE2，和CPE3分別相當于電荷聚集而產(chǎn)生的雙電層電容效應(yīng)、陰極-電解質(zhì)界面電荷的儲存、催化層和氣體擴散層中氣體擴散系數(shù)不均勻而產(chǎn)生的類電容?；谏鲜鯡CM和70℃溫度下的分區(qū)EIS測試結(jié)果，分區(qū)EIS組能夠使用Zview軟件進行擬合。

3變溫度條件下分區(qū)EIS的量化和分析

圖4是在70℃溫度條件下平面內(nèi)分區(qū)EIS測試結(jié)果和ECM擬合結(jié)果的對比。可以發(fā)現(xiàn)，擬合曲線能夠與測試結(jié)果相吻合。分區(qū)EIS對應(yīng)擬合的損耗參數(shù)值見表2所示。

表2 70℃溫度下平面內(nèi)分區(qū)EIS擬合參數(shù)

圖4: 70℃溫度條件下平面內(nèi)分區(qū)EIS測試結(jié)果 和ECM擬合結(jié)果對比

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

圖5: 變溫度條件下平面內(nèi)分區(qū)極化損耗對比

可以看出，9個分區(qū)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(zhì)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(yīng)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(fā)現(xiàn)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(nèi)入口和出口區(qū)域的Rct-c和Rmt區(qū)域有明顯的波動。相比之下，平面內(nèi)分區(qū)之間的Rct-a和Rohm對溫度的影響較小。

4總結(jié)

本文中，基于單池分區(qū)阻抗譜測量，獲取了在不同溫度下平面內(nèi)分區(qū)EIS分布組譜。利用ECM擬合了分區(qū)EIS測試數(shù)據(jù)，量化了不同頻帶的損耗參數(shù)值，以及分析和對比了溫度對平面內(nèi)分區(qū)EIS的影響。利用ECM和控制參數(shù)變量的方法，量化和對比燃料電池單池平面內(nèi)分區(qū)EIS，本研究為進一步深入探索燃料電池內(nèi)部電化學反應(yīng)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