40片150cm2燃料电堆的单电池和整堆EIS交流阻抗测试

   IPS爱谱斯1KW ~ 300KW 燃料电堆EIS交流阻抗Stack-EIS-M系列在客户实验室，测试了40片150cm²燃料电堆的单电池和整堆EIS交流阻抗，取得了满意的结果。

EIS measurements of H₂FC stack

Device: StackEIS-12050A-300

Parameters: 120V, 50A internal load, 300A external load

Customer: LeanCat

Sample: 40-cell H₂FC Stack, 150cm²

, DC conditions: 30V/20A (10A internal load + 10A external load)

EIS from whole stack, DC conditions: 30V/20A (10A internal load + 10A external load)

丰田公司在Mirai燃料电池汽车的DCDC上集成了EIS(电化学阻抗谱)测试功能，基于EIS对燃料电池电堆状态的实时表征，燃料电池汽车可以针对行驶工况和车辆状态进行精确控制。下面两幅图，第一幅是车辆在没有EIS反馈下的工况响应，第二幅是在增加EIS功能后的车辆工况响应。

EIS技术为丰田Mirai燃料电池系统在无外增湿条件下能够稳定工作并满足车辆性能需求做出了重要贡献。如上图应用该技术，燃料电池发动机可以持续进行高功率输出，同时可以有效对电堆温度和发动机效率进行控制，使发动机输出xiaolv优，温度波动和电堆阻抗波动最小，在提升效率和性能的条件下延长了发动机的耐久性。

EIS理论

1. 核心

在电路中，直流电受到阻碍，我们称之为电阻，将这个概念延伸到交流电中，我们就可以得到阻抗（impedance，Z）。将燃料电池视为一个黑盒电路，外加一个电压信号，就会产生一个电流信号，通过这种“输入-输出"关系，我们可以把电化学反应和电路联系起来，建立起电路模型与电化学模型间的对应关系，这是电化学阻抗方法的核心。

由于交流电有频率特性，因此阻抗会随着频率而改变。不同频率下，交流电路的阻抗会不同，将整个电化学反应表示为一个阻抗，只要输入细微扰动，则输出不同频率下的阻抗信息（交流电路中容性阻抗为在虚轴负半轴，电化学研究为了方便公式采用-j，将容性阻抗表示在正半轴）。

2. 典型电化学反应模型与其等效电路

典型的电化学过程包含一些基本构成，比如双电层和法拉第反应等，这些可有下图模型近似表示：

与之对应，该过程的总阻抗可以抽象为三种电学元件：内阻、双电层电容和法拉第阻抗：

• 内阻：电解液和电极的内阻。

• 双电层电容：源自电解液中的非活性离子，无化学反应发生，仅改变电荷分布。

• 法拉第阻抗：源自电解液中的活性离子，有氧化还原反应发生，有电荷转移。

等效电路图如下：

法拉第过程可以进一步分成两个过程：电荷转移（charge transfer）和 物质转移（mass transfer）这两个过程可分别抽象为：电荷转移电阻Rct和 Warburg阻抗 Zw

3. 典型EIS谱图特征

EIS的测试中，输入信号往往是小幅度正弦交流信号，进而根据输出测量系统的阻抗，最终进行等效电路的分析。

对于上文电路，经过一些列复杂理论分析和推导，得出等效电路所对应阻抗的实部和虚部由如下公式表示（σ是一个与物质转移有关的系数）：

作为基础，此处我们仅用上文中典型的等效电路进行分析，而在燃料电池工程实际中还有很多类型的等效电路，相关研究可以参照文献，接下来我们只考虑两个jd在Nyquist图中的趋势：

（1）当ω趋近于0时（低频），ZRe和ZIm二者关系可简化为：

如果作图，是一条斜率为1的直线，与实轴的交点如下：

（2）当ω很大时（高频），变化的时间周期太短，以至于物质转移来不及发生，也就是Warburg阻抗的作用消失，等效电路可以简化成如下：

对于这个模型，ZRe和ZIm二者关系为：

以这一公式作图，得到如下半圆，其中圆心为RΩ+Rct/2，半径为Rct/2。

（3）基于以上两种趋势，就可以对一张EIS图谱进行基本的分析：低频区为物质转移（Mass-transfer）控制，高频区为电荷转移（Charger-transfer）主导。

4. 燃料电池的EIS谱图特征

下图中示意的燃料电池Nyquist图，阻抗图中标出的3个区域分别归因于欧姆损耗、阳极活化损耗和阴极活化损耗，3个区域的相对大小提供了该燃料电池的3个损耗的相对量级的信息。

电化学反应界面的阻抗特性可以由一个电容和一个电阻的并联组合表示。电容Cdl描述穿过界面的离子和电子的电荷分离，电阻Rf表示电化学反应过程的动力学电阻。下图为一个简单燃料电池阻抗模型的等效电路图及Nyquist图，此燃料电池的等效电路由两个并联RC单元、一个Warburg单元和一个欧姆电阻组成。两个并联RC单元模拟阳极和阴极的活化动力学，无限Warburg单元模拟阴极质量传输效应，欧姆电阻模拟欧姆损耗，虽然我们只是示意了电解质区域，欧姆电阻实际上模拟了燃料电池所有部分（电解质、电机等）产生的欧姆损耗。

 在氢氧燃料电池中阴极阻抗常显著大于阳极阻抗，这是阴极阻抗会掩盖住阳极阻抗，如果阳极反应和阴极反应的RC时间常数互相交叠，那么这种重合也会发生，如果阳极的Rf极其小，阳极的RC时间常数对应的频率可能会超出多数阻抗硬件的极限，阳极阻抗将无法测量。

燃料电池的EIS表征沿着极化曲线在不同点处测量阻抗，阻抗响应将依赖于工作电压而变化：

1. 在低电流时，活化动力学占主导，很大，但质量传输效应可以忽略

2. 在中等电流时（较高活化过电势），由于随活化过电势增大而减小，活化的环路会减小

3. 在高电流时，活化的环路可能会继续减小，但质量传输效应开始显现，导致低频的Warburg响应

通常我对不同的燃料电池设计变更、操作工况变更及负载响应变化都会有针对性的进行EIS表征，除了在极化曲线的不同电流密度点进行比较，还要对比不同变量下相同电密点的特性，从而实现对变量的系统分析，有目的的改进设计。