武汉理工大学陈奔团队，CEJ: 基于时间弛豫分布方法的一体式可再生燃料电池原位阻抗诊断与等效电路修正过程

第一作者：陈文尚

通讯作者：陈奔*

单位：武汉理工大学

弛豫时间分布（DRT）方法为分析电子元件中的电化学阻抗谱（EIS）提供了强有力的手段，能够清晰地分离不同的频率下的不同阻抗并实现准确的等效电路建模与修正。在本研究中，首次将DRT方法应用于一体式可再生质子交换膜燃料电池（UR-PEMFCs），建立了一个用于原位诊断多重阻抗的量化分析模型。这个基础框架为未来的耐久性测试提供了支持。研究中，使用自主设计的模式切换平台分别在燃料电池（FC）模式和电解池（EC）模式下进行原位阻抗诊断。结果表明，在恒定电极条件下，与恒定气体模式相比，双功能膜电极使得往返效率提高了15.75%。通过在FC和EC模式下的DRT成像，提取了对应不同松弛峰的阻抗信息，并根据操作实验进行了赋值。两种模式下识别出的三个主要峰分别归因于质子转移阻抗、电荷转移阻抗和质量转移阻抗。此外，操作条件的变化导致了电荷转移阻抗中出现了新的传输机制。在FC模式下，基于DRT的等效电路模型实现了精确拟合，EC模式下的等效电路经过修正也可以实现精确的拟合。本篇观点首次将DRT方法应用于UR-PEMFCs，为改善双模式下的水和气泡管理提供了高效的优化路径，并为电池设计、操作参数优化和耐久性监测提供了宝贵的指导。

近日，来自武汉理工大学汽车工程学院陈奔副教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“In-situ impedance diagnosis experiment and equivalent circuit modeling based on distribution of relaxation time method for unitized regenerative proton exchange membrane fuel cells“的文章。该文章首次将DRT方法应用于一体式可再生燃料电池中，通过不同操作条件下的工况实验对双模式下的弛豫峰进行识别与判断，并建立了串联RQ电路以构建FC模式和EC模式的等效电路模型并完成修正。构建的多阻抗量化分析模型为一体式可再生燃料电池的双模式切换过程的耐久性研究构建基础框架。

受限于膜电极的催化剂分布情况，UR-PEMFC在恒电极（ORR与HER在同一侧进行）与恒气体工况下（ORR与OER在同一侧进行）的电化学性能表现出显著差异，尤其是FC模式下的性能差异尤为明显。研究发现在FC模式下增加阴极PtB催化剂的负载量可提高氧还原反应（ORR）的速率，此外，尽管阳极反应通常是限速步骤，一旦阳极催化剂的活性达到足够水平，进一步增加阳极催化剂负载量的效果微乎其微。相比之下，较高的阴极催化剂负载量有效提高了功率输出。所使用的双功能催化剂包括PtB和IrRuOx，阳极一侧PtB的负载量为1.5 mg/cm²，阴极一侧的PtB负载量为3 mg/cm²。1.5 mg/cm²的PtB足以满足HOR速率的要求，而3mg/cm²的PtB则提高了ORR速率和FC模式下的功率输出。采取CE工况能够显著改善FC模式的输出性能，从而提升系统的往返效率，在0.4 A/cm²的电流密度下，CE工况下的往返效率为37.57%，而CG工况的往返效率为21.82%，CE下的往返效率提高了15.75%。

基于恒电极工况下进行原位阻抗诊断，通过不同操作条件下的工况实验，在FC模式和EC模式下分别识别和分配质子传递阻抗、电荷转移阻抗以及物质传递阻抗。在FC模式下三种阻抗对应的频率范围依次是10000-1000Hz、1000-5Hz、10-0.1Hz,EC模式下的三种阻抗对应的频率范围依次是6000-100Hz、100-1Hz、10-0.1Hz。此外，提高温度或者湿度等工况条件，使得电荷转移阻抗的弛豫峰中衍生出新的弛豫峰，这可能引入了了更加复杂的电荷转移机制。EC模式下高频区域的弛豫峰包含了直流电源的阻抗信息，直流电源与UR-PEMFC的并联连接方式其测得的欧姆电阻也会产生一定程度的影响。

基于DRT方法构建的RQ串联电路的在FC模式全频率范围内表现出精确的拟合特性，EC模式在中低频率范围内拟合良好，而高频范围内表现出明显的拟合差异。此差异来源于直流电源的电感和阻抗影响，其中EC模式的拟合方差最高达到了4.38×10^-2,将并联电源的电感效应与阻抗效应在等效电路中进行了补充，发现拟合精度提升了1-2个数量级，其中最高拟合方差仅为1.45×10^-3.构建正确的等效电路为UR-PEMFC在双模式切换过程中耐久性分析提供数学模型框架，以便于基于阻抗特性的衰退量化研究。

陈奔副教授简介：武汉理工大学汽车工程学院，副教授/博士生导师。在氢能与燃料电池领域有十五年持续研究经历。目前在质子交换膜燃料电池/电解槽热质传输机制、优化设计等方向展开研究工作。主持国家自然科学基金项目2项，国家重点研发计划子题3项。研究成果以第一或通讯作者在Chemical Engineering Journal，Applied Energy, Journal of Cleaner Production，Energy Conversion and Management等期刊上发表SCI论文近60篇，授权发明专利10余项。