技術文章
TECHNICAL ARTICLESEIS測試
PEMFC由于其結構復雜,電池內部的電化學機理仍處于探索階段。通常PEMFC的性能會受到外部運行條件以及內部組件的影響,這使得電池行為復雜化,對研究提升其性能造成了很大的挑戰(zhàn)。
電化學阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)是一種暫態(tài)電化學測量技術,屬于交流信號測量范疇,具有測量速度快、對研究對象表面狀態(tài)干擾少的特點,能夠對電極過程動力學及表面狀態(tài)進行模擬及表征,已在電化學機理判斷上做出了重大貢獻。
EIS是采用一個頻率可變的小幅正弦波電壓(或電流)信號,對測試體系微擾以激勵阻抗響應,從而得到體系相應參數。一般要求擾動的電壓信號振幅在5-15mV,電流信號在工作電流10%以下。
分析阻抗譜一般采用兩種手段:
一、建立數學模型并求出模型參數,然后推測電極系統(tǒng)的動力學過程及機理,此種方法能夠呈現阻抗譜數據的特點,但在燃料電池反應機理推測及假設上十分困難。
二、根據擬合結果倒推阻抗譜的等效電路圖,通過明確電路中的基礎元件及物理意義,判斷電極過程及機理,其難點是基礎元件與電池內部的聯系,如圖1所示。EIS在燃料電池電池領域的應用上,主要是通過電池的電路模型,以明確電化學參數的意義,大多數電池碰到的問題是在于難以區(qū)分其陰極、陽極貢獻,對電極的單獨研究則可以明確其基礎科學問題,指明電池改進方向。
圖1.電工元件與電化學體系的聯系
EIS具有精度高,響應快的特點,在研究PEMFC中的得到了廣泛的應用,主要體現在根據對EIS結果的分析,可以對PEMFC進行兩方面的優(yōu)化;
1. 優(yōu)化組裝電堆時的壓緊力;
2. 優(yōu)化膜電極活化方法;
3. 優(yōu)化工作溫度;
4. 優(yōu)化工作時燃料的相對濕度;
5. 優(yōu)化工作時燃料的氣壓;
6. 優(yōu)化工作時燃料的化學計量比;
7. 優(yōu)化電堆的輸出;
8. 診斷電堆內污染物;
9. 判斷堆內的含水量。
二、對內部核心組件的優(yōu)化:
1. 優(yōu)化設計雙極板;
2. 優(yōu)化質子交換膜的選型;
3. 優(yōu)化設計氣體擴散層;
4. 優(yōu)化設計催化層。
通常燃料電池電堆的阻抗可以分為三個部分:
1.由電化學反應體系的性質決定的電化學活化阻抗Ract;
2.由電池內部的電極、隔膜、電解液、連接條和極柱等的電阻決定的歐姆阻抗Rohm;
3.由反應離子濃度變化產生的濃差極化決定的阻抗Rcon。
由于在PEMFC等效電路中雙電層分布在高頻時是一個很小的阻抗,所以從電路上說相當于短路,因此在高頻信號作用下只能觀測到Rohm,于是可以利用該特點進行內阻測試。為了保證燃料電池的正常安全運行和測試有效性,正弦交流電流幅值要控制在燃料電池直流電流的10%之內(以5%為),否則對PEMFC的擾動太大,影響其正常工作。如果交流信號頻率在很寬的頻率范圍(一般為0.1Hz-10kHz)變化,在不同頻率下比較交流電流和交流電壓的相位差α,確定一個使阻抗Z的虛部為零的頻率,即α為0,此時PEMFC的電池內阻就處于純電阻狀態(tài),從燃料電池阻抗Nyquist圖可以得到其歐姆阻抗。電化學阻抗和濃差阻抗較為復雜,需根據不同體系和經驗提煉模型,開展擬合分析。
圖2.理想燃料電池阻抗Nyquist圖
燃料電池EIS測試是在單電池或電堆上進行的,單電池或電堆的組裝及測試過程中需要對各個參數(溫度、濕度、背壓等)進行高精準控制,這樣測試出的阻抗曲線才能夠準確、有效,因此需要配套的夾具及控制裝置才能進行。
燃料電池測試設備
a)膜電極測試設備
1. MEA性能評價設備。可實現溫度、壓力、濕度精準控制,可應用于MEA極化曲線測試,耐久性測試;
2. 搭配電化學工作站可實現LSV、透氫電流密度等測試;
3. 桌面式設計,空間占用小,可根據用戶需求進行功能定制。
b) 燃料電池電堆測試設備
電堆評價設備。可實現溫度,壓力,濕度精準控制,可應用于電堆性能巡檢、電堆耐久性測試等。
c) 燃料電池定制測試設備
參考標準:
GB/T 20042.3 質子交換膜測試方法
GB/T 20042.4 電催化劑測試方法
GB/T 20042.5 膜電極測試方法
GB/T 20042.6 雙極板特性測試方法
GB/T 20042.7 炭紙?zhí)匦詼y試方法
d) 燃料電池測試相關工裝夾具
參考標準:
GB/T 20042.3 質子交換膜測試方法
GB/T 20042.4 電催化劑測試方法
GB/T 20042.5 膜電極測試方法
GB/T 20042.6 雙極板特性測試方法
GB/T 20042.7 炭紙?zhí)匦詼y試方法
燃料電池相關關鍵零部件產品
a) 石墨極板
b)密封結構
燃料電池測試服務
a)膜電極測試
膜電極厚度、單電池極化曲線測試、透氫(甲醇)電流密度測試等??蛻艨商峁┐呋瘎?,本司負責膜電極的制備及測試;也可以提供制備好的膜電極,本司負責測試。
參考標準:GB/T 20042.5 膜電極測試方法
b)極板測試
腐蝕電流、接觸電阻、體電阻率等。
參考標準:GB/T 20042.6 雙極板特性測試方法
c)炭紙測試
電阻率(平面方向和垂直方向)等
參考標準:GB/T 20042.7 炭紙?zhí)匦詼y試方法
d)燃料電池其他關鍵零部件測試
客戶提供相關測試標準,本司負責提供測試服務
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文章來源:科路得公眾號