质子交换膜燃料电池变温度条件下平面内分区电化学阻抗谱的量化和对比分析

在质子交换膜燃料电池平面内分区电化学阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)分布的研究中，虽然分区EIS分布能够体现出燃料电池平面内电化学反应的不一致性，但是却不能定量的对比出分区之间的极化差异。因此有必要使用有效的数据分析方法，拟合分区EIS的测试结果，以便在不同频率范围内量化和对比分区之间的极化差异。此外，在使用FFT算法，利用Matlab软件成功获取平面分区EIS分布的基础上[1]，本研究采用等效电路模型（Equivalent Circuit Model，ECM）和控制参数变量的方法，量化和对比了燃料电池在变温度条件下的平面内分区EIS的差异。在此基础上，关于燃料电池内部电化学反应的更多的变参数信息也可以采用相同的方法获取，这将有助于进一步分析燃料电池内部复杂的多域多尺度的变化过程。

1建立分区EIS测试系统和实验

平面内分区EIS测试系统的搭建和调试运行参考文献[1]，在此基础上预设电池的运行温度，获取平面分区EIS分布数据。相关的实验测试系统和变温度的运行条件分别见图1和表1所示。在平面内分区EIS变温度测试过程中，电池的温度分别预设50℃/60℃/70℃/80℃时，获取对应工作温度条件下的分区EIS分布。图2中展示了在70℃工作温度下，平面内分区EIS分布结果。可以看到，这组曲线可以分辨出燃料电池内部电化学反应的不一致性，但是却不能定量的反映出分区之间的极化差异。

图1 变温度条件下平面内分区EIS测试系统

表1 变温度实验运行条件

图2 70℃温度条件下平面内分区EIS组

因此，下文通过建立分区等效电路模型，量化和对比变温度条件下的分区EIS的测试结果。

2平面内分区等效电路模型

EIS的损耗过程主要包括欧姆损耗、阳极活化损耗、阴极活化损耗和阴极传质损耗。袁浩，张少哲等人使用ECM量化了单池的EIS极化损失[2,3]。图3是单池三阶等效电路模型，参考类似的方法，使用ECM拟合分区EIS，能够量化和对比分区的损耗类型。

图3 三阶等效电路模型

每个频带的分区EIS极化损耗可以使用图3中的三阶等效电路模型进行量化。Rohm是欧姆电阻，Rct-a是阳极极化电阻，Rct-c是阴极极化电阻，Rmt是传质电阻。恒相位元件CPE1、CPE2，和CPE3分别相当于电荷聚集而产生的双电层电容效应、阴极-电解质界面电荷的储存、催化层和气体扩散层中气体扩散系数不均匀而产生的类电容。基于上述ECM和70℃温度下的分区EIS测试结果，分区EIS组能够使用Zview软件进行拟合。

3变温度条件下分区EIS的量化和分析

图4是在70℃温度条件下平面内分区EIS测试结果和ECM拟合结果的对比。可以发现，拟合曲线能够与测试结果相吻合。分区EIS对应拟合的损耗参数值见表2所示。

表2 70℃温度下平面内分区EIS拟合参数

图4: 70℃温度条件下平面内分区EIS测试结果 和ECM拟合结果对比

在其他参数保持不变的条件下，按照表1逐步调整电池温度，依次获取50℃、60℃、70℃和80℃的平面内分区EIS分布，并使用图3 中的ECM进行拟合，其拟合结果如图5所示。四条曲线分别代表了不同频率下的相关损耗，以及曲线的变化趋势反映了平面内分区极化损耗参数值的变化。

图5: 变温度条件下平面内分区极化损耗对比

可以看出，9个分区的Rct-a和Rohm值变化不大，但入口和出口附近的Rdt-c和Rmt值具有一定程度的波动。由于聚合物电解质的水合作用，燃料电池的性能随着电池温度的升高有所提升。电池温度越高，阻抗值也越小。低温度下，较慢的氧化还原反应将带来较大的活化阻抗。然而，在80℃时，也验证了燃料电池的工作具有最佳的工作性能，超过此最佳工作温度，性能将会下降。同时，还可以发现随着电池温度的升高对Rct-c和Rmt有更明显的影响。在50℃和60℃，平面内入口和出口区域的Rct-c和Rmt区域有明显的波动。相比之下，平面内分区之间的Rct-a和Rohm对温度的影响较小。

4总结

本文中，基于单池分区阻抗谱测量，获取了在不同温度下平面内分区EIS分布组谱。利用ECM拟合了分区EIS测试数据，量化了不同频带的损耗参数值，以及分析和对比了温度对平面内分区EIS的影响。利用ECM和控制参数变量的方法，量化和对比燃料电池单池平面内分区EIS，本研究为进一步深入探索燃料电池内部电化学反应的进程提供了有效的分析手段，也为车载大活性面积燃料电池的不均匀性研究提供了一定的参考。

审核编辑：汤梓红