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燃料电池性能实验方法优化方案

【摘要】:最常用的研究燃料电池性能特征的实验方法是极化曲线、阻抗光谱法,以及电池动态需求响应分析的伏安测量法[WU 08]。极化曲线描述了燃料电池的整体静态性能,不过无法清晰地给出系统内部的电压降。因此,可以用其他的分析电池性能的方法和诊断手段,来更好地研究不同物理现象对电池电压的影响。伏安测量法是实验室中用来研究燃料电池性能特征的又一种方法。

最常用的研究燃料电池性能特征的实验方法是极化曲线、阻抗光谱法,以及电池动态需求响应分析的伏安测量法[WU 08]

极化曲线(电池电荷电流与电压关系曲线)描述了燃料电池的整体静态性能,不过无法清晰地给出系统内部的电压降。这些电压降源自不同类型的损耗,主要包括活化、反应气体透过电解质膜的传导、欧姆电阻、反应物在膜电极中的扩散等。因此,可以用其他的分析电池性能的方法和诊断手段,来更好地研究不同物理现象对电池电压的影响。

阻抗光谱法一般用来估计膜的水合状态,分析电池内与反应气体传输相关的问题。这种方法通过给一个稳定系统(在此为电池)强加一个周期的输入量(比如电流),并分析相应的输出量(恒电流下的电压)。分析燃料电池性能特征所采用的典型频率区间从30kHz到几毫赫兹,测定膜阻的频率一般为1~10kHz,而电荷(电子、质子)的传输和扩散现象则采用更低的频率段。

阻抗光谱法已被用于系统性能衰减机理的深入研究之中。电化学领域的专家将这种方法大量用于电化学电源的研究,比如一次电池、二次电池或燃料电池。对于后者,通常用于小面积活化膜(几个平方厘米的级别)系统的研究,甚至是部分部件(阳极或者阴极)的研究。关于几个单体构成的电堆的研究则很少。阻抗光谱法应用于电堆备受关注的一点是测得的阻抗值是各单体的平均值,而电堆内部是具有不均质性的(温度、流体分配等)。考虑到目前的加工工艺,各单体在性能上存在着不可忽视的差异性。研究单体电池对方波电流的动态响应,是鉴别电压骤升背后不同原因的一种可行方法。

伏安测量法是实验室中用来研究燃料电池性能特征的又一种方法。例如,可以用来测定电极的活性表面,也可用来评估随反应物迁移到膜另一面的渗透电流。