IPS愛譜斯1KW ~ 300KW 燃料電堆EIS交流阻抗Stack-EIS-M系列在客戶實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試了40片150cm²燃料電堆的單電池和整堆EIS交流阻抗，取得了滿意的結(jié)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)

豐田公司在Mirai燃料電池汽車的DCDC上集成了EIS(電化學(xué)阻抗譜)測(cè)試功能，基于EIS對(duì)燃料電池電堆狀態(tài)的實(shí)時(shí)表征，燃料電池汽車可以針對(duì)行駛工況和車輛狀態(tài)進(jìn)行精確控制。下面兩幅圖，第一幅是車輛在沒有EIS反饋下的工況響應(yīng)，第二幅是在增加EIS功能后的車輛工況響應(yīng)。

EIS技術(shù)為豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)在無外增濕條件下能夠穩(wěn)定工作并滿足車輛性能需求做出了重要貢獻(xiàn)。如上圖應(yīng)用該技術(shù)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)可以持續(xù)進(jìn)行高功率輸出，同時(shí)可以有效對(duì)電堆溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)效率進(jìn)行控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出xiaolv優(yōu)，溫度波動(dòng)和電堆阻抗波動(dòng)最小，在提升效率和性能的條件下延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性。

EIS理論

1. 核心

在電路中，直流電受到阻礙，我們稱之為電阻，將這個(gè)概念延伸到交流電中，我們就可以得到阻抗（impedance，Z）。將燃料電池視為一個(gè)黑盒電路，外加一個(gè)電壓信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流信號(hào)，通過這種“輸入-輸出"關(guān)系，我們可以把電化學(xué)反應(yīng)和電路聯(lián)系起來，建立起電路模型與電化學(xué)模型間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是電化學(xué)阻抗方法的核心。

由于交流電有頻率特性，因此阻抗會(huì)隨著頻率而改變。不同頻率下，交流電路的阻抗會(huì)不同，將整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)表示為一個(gè)阻抗，只要輸入細(xì)微擾動(dòng)，則輸出不同頻率下的阻抗信息（交流電路中容性阻抗為在虛軸負(fù)半軸，電化學(xué)研究為了方便公式采用-j，將容性阻抗表示在正半軸）。

2. 典型電化學(xué)反應(yīng)模型與其等效電路

典型的電化學(xué)過程包含一些基本構(gòu)成，比如雙電層和法拉第反應(yīng)等，這些可有下圖模型近似表示：

與之對(duì)應(yīng)，該過程的總阻抗可以抽象為三種電學(xué)元件：內(nèi)阻、雙電層電容和法拉第阻抗：

• 內(nèi)阻：電解液和電極的內(nèi)阻。

• 雙電層電容：源自電解液中的非活性離子，無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，僅改變電荷分布。

• 法拉第阻抗：源自電解液中的活性離子，有氧化還原反應(yīng)發(fā)生，有電荷轉(zhuǎn)移。

等效電路圖如下：

法拉第過程可以進(jìn)一步分成兩個(gè)過程：電荷轉(zhuǎn)移（charge transfer）和 物質(zhì)轉(zhuǎn)移（mass transfer）這兩個(gè)過程可分別抽象為：電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct和 Warburg阻抗 Zw

3. 典型EIS譜圖特征

EIS的測(cè)試中，輸入信號(hào)往往是小幅度正弦交流信號(hào)，進(jìn)而根據(jù)輸出測(cè)量系統(tǒng)的阻抗，最終進(jìn)行等效電路的分析。

對(duì)于上文電路，經(jīng)過一些列復(fù)雜理論分析和推導(dǎo)，得出等效電路所對(duì)應(yīng)阻抗的實(shí)部和虛部由如下公式表示（σ是一個(gè)與物質(zhì)轉(zhuǎn)移有關(guān)的系數(shù)）：

作為基礎(chǔ)，此處我們僅用上文中典型的等效電路進(jìn)行分析，而在燃料電池工程實(shí)際中還有很多類型的等效電路，相關(guān)研究可以參照文獻(xiàn)，接下來我們只考慮兩個(gè)jd在Nyquist圖中的趨勢(shì)：

（1）當(dāng)ω趨近于0時(shí)（低頻），ZRe和ZIm二者關(guān)系可簡(jiǎn)化為：

如果作圖，是一條斜率為1的直線，與實(shí)軸的交點(diǎn)如下：

（2）當(dāng)ω很大時(shí)（高頻），變化的時(shí)間周期太短，以至于物質(zhì)轉(zhuǎn)移來不及發(fā)生，也就是Warburg阻抗的作用消失，等效電路可以簡(jiǎn)化成如下：

對(duì)于這個(gè)模型，ZRe和ZIm二者關(guān)系為：

以這一公式作圖，得到如下半圓，其中圓心為RΩ+Rct/2，半徑為Rct/2。

（3）基于以上兩種趨勢(shì)，就可以對(duì)一張EIS圖譜進(jìn)行基本的分析：低頻區(qū)為物質(zhì)轉(zhuǎn)移（Mass-transfer）控制，高頻區(qū)為電荷轉(zhuǎn)移（Charger-transfer）主導(dǎo)。

4. 燃料電池的EIS譜圖特征

下圖中示意的燃料電池Nyquist圖，阻抗圖中標(biāo)出的3個(gè)區(qū)域分別歸因于歐姆損耗、陽(yáng)極活化損耗和陰極活化損耗，3個(gè)區(qū)域的相對(duì)大小提供了該燃料電池的3個(gè)損耗的相對(duì)量級(jí)的信息。

電化學(xué)反應(yīng)界面的阻抗特性可以由一個(gè)電容和一個(gè)電阻的并聯(lián)組合表示。電容Cdl描述穿過界面的離子和電子的電荷分離，電阻Rf表示電化學(xué)反應(yīng)過程的動(dòng)力學(xué)電阻。下圖為一個(gè)簡(jiǎn)單燃料電池阻抗模型的等效電路圖及Nyquist圖，此燃料電池的等效電路由兩個(gè)并聯(lián)RC單元、一個(gè)Warburg單元和一個(gè)歐姆電阻組成。兩個(gè)并聯(lián)RC單元模擬陽(yáng)極和陰極的活化動(dòng)力學(xué)，無限Warburg單元模擬陰極質(zhì)量傳輸效應(yīng)，歐姆電阻模擬歐姆損耗，雖然我們只是示意了電解質(zhì)區(qū)域，歐姆電阻實(shí)際上模擬了燃料電池所有部分（電解質(zhì)、電機(jī)等）產(chǎn)生的歐姆損耗。

 在氫氧燃料電池中陰極阻抗常顯著大于陽(yáng)極阻抗，這是陰極阻抗會(huì)掩蓋住陽(yáng)極阻抗，如果陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的RC時(shí)間常數(shù)互相交疊，那么這種重合也會(huì)發(fā)生，如果陽(yáng)極的Rf極其小，陽(yáng)極的RC時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率可能會(huì)超出多數(shù)阻抗硬件的極限，陽(yáng)極阻抗將無法測(cè)量。

燃料電池的EIS表征沿著極化曲線在不同點(diǎn)處測(cè)量阻抗，阻抗響應(yīng)將依賴于工作電壓而變化：

1. 在低電流時(shí)，活化動(dòng)力學(xué)占主導(dǎo)，很大，但質(zhì)量傳輸效應(yīng)可以忽略

2. 在中等電流時(shí)（較高活化過電勢(shì)），由于隨活化過電勢(shì)增大而減小，活化的環(huán)路會(huì)減小

3. 在高電流時(shí)，活化的環(huán)路可能會(huì)繼續(xù)減小，但質(zhì)量傳輸效應(yīng)開始顯現(xiàn)，導(dǎo)致低頻的Warburg響應(yīng)

通常我對(duì)不同的燃料電池設(shè)計(jì)變更、操作工況變更及負(fù)載響應(yīng)變化都會(huì)有針對(duì)性的進(jìn)行EIS表征，除了在極化曲線的不同電流密度點(diǎn)進(jìn)行比較，還要對(duì)比不同變量下相同電密點(diǎn)的特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的系統(tǒng)分析，有目的的改進(jìn)設(shè)計(jì)。