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同济大学戴海峰团队Chem.Eng.J.：借助阻抗从内部动力学角度分析质子交换膜燃料电池动态行为

科学材料站

2021-12-14

导读：本文探究了质子交换膜燃料电池在典型车用工况下的动态响应行为，揭示了电池内部水合状态和氧气传质对电压下冲

文章信息

借助阻抗从内部动力学角度分析质子交换膜燃料电池动态行为

第一作者：袁浩

通讯作者：戴海峰教授

通讯单位：同济大学

研究背景

研究质子交换膜燃料电池的动态行为，以优化工作条件控制策略，对提升其性能和使用寿命十分必要。燃料电池动态响应分析主要分为两种方法：数值仿真和实验。但是，数值模型的建立依赖特定假设和简化，且模型验证普遍采用稳态极化曲线，对动态研究具有一定局限性。

关于动态实验研究，电压或温度信号广泛用于外特性表征，目前缺乏分析内部状态动态特性。考虑到电化学阻抗能够从频域角度分析燃料电池内部不同时间尺度的动力学过程，为此，本文结合特征频率阻抗和电压信息，探究典型车用工况下质子交换膜燃料电池的动态行为。

文章简介

在这里，同济大学戴海峰教授团队在Chemical Engineering Journal上发表了题为“Understanding dynamic behavior of proton exchange membrane fuel cell in the view of internal dynamics based on impedance”的研究论文（DOI：10.1016/j.cej.2021.134035）。

基于能够表征质子传递损失和电荷传递损失的特征频率阻抗，探究了质子交换膜燃料电池在典型车用工况下的动态响应行为，揭示了电池内部水合状态和氧气传质对电压下冲、上冲现象的影响机理，该研究结果有助于燃料电池发动机控制策略开发。

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本文要点

要点一：内部极化过程特征频率确定

采用线性传输模型(TLM)对稳态电化学阻抗谱进行拟合，可以定量得到欧姆损失、阴极催化剂层内质子传递损失、电荷传递损失和气体传递损失。可以看出，2500 Hz阻抗能够描述欧姆损失和阴极催化剂层内质子传递损失的变化趋势。

在Fig. 1(a)-(d)中，10 Hz阻抗与电荷传递损失和气体传递损失变化一致；但是，如Fig. 1(e)所示，在小电流密度下，改变空气过量系数，10 Hz阻抗与气体传递损失呈现出相反的变化趋势；为此，10 Hz阻抗用于描述电荷传递损失变化。

要点二：不同工作条件对燃料电池动态行为影响

如Fig. 2所示，质子交换膜燃料电池在变载后呈现出下冲现象。加载幅度越大，燃料电池达到稳定时间越长，电压调整值（定义：加载后稳态值与最小值差值）和阻抗调整值（2500 Hz定义：加载后最大值与稳态值差异；10 Hz定义：加载后稳态值与最小值差值）越大。当变载幅度为0.4 A/cm²及以上时，电压响应出现上冲现象。

加载后，2500 Hz阻抗持续下降，表明电压下冲现象与膜水平衡分布过程有关。大变载幅度引起10 Hz阻抗明显变化，表明电池内部因电流瞬间大幅度增加出现局部缺气，从而引起电压上冲；随着反应气体不断传递至反应位点，10 Hz阻抗趋近于稳态。

Fig. 2 Dynamic response results under different step-current; (a) voltage response; (b) 2500 Hz impedance response; (c) 10 Hz impedance response.

如Fig. 3所示，分别设置空气过量系数为1.5、2.0、2.5和3.0，进行动态响应测试。当氧气过量系数为1.5时，加载后电压下冲现象明显，并且达到稳态前出现上冲现象，10 Hz阻抗明显增加；当空气过量系数分别为2.5和3.0时，加载后10 Hz阻抗并未明显提升，且电压上冲现象消失；表明燃料电池动态响应行为除了与膜水平衡有关外，还与电池反应位点处的初始氧气浓度以及氧气传递能力相关。结

合2500 Hz阻抗变化可知，在内部水合状态较好的前提下，燃料电池动态响应主要由反应气体传输决定。

Fig. 3 Dynamic response results under different air stoichiometry; (a) voltage response; (b) 2500 Hz impedance response; (c) 10 Hz impedance response.

如Fig. 4所示，改变空气湿度，进行动态响应测试。当空气湿度为10%和30%时，对电池加载后，尽管质子传递损失明显减小，但仍明显高于正常加湿水平，所以电压达到稳态所需时间更长，且调节值较大。

理论上，在低湿度条件下，燃料电池内部不会发生水淹故障，但电压仍出现了明显上冲；结合10 Hz阻抗结果可知，低湿度条件不利于氧气在催化剂团聚体的水膜和离聚物内传质，进而引起局部缺气现象，造成电化学反应速率降低，导致较高的电荷传递损失。当湿度进一步提升，质子传递损失和电荷传递损失明显减小，且电压上冲现象几乎消失。

Fig. 4 Dynamic response results under different air humidity; (a) voltage response; (b) 2500 Hz impedance response; (c) 10 Hz impedance response.

文章链接

Understanding dynamic behavior of proton exchange membrane fuel cell in the view of internal dynamics based on impedance

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721056102

通讯作者简介

戴海峰教授博导

目前是IEEE高级会员，SAE NEV技术委员会委员，中国汽标委电动车辆分标委委员，Renewable and Sustainable Energy Review等期刊编委。长期从事新能源汽车动力电池、燃料电池相关研究，在该领域先后主持国家自然科学基金重点、面上及青年项目，国家重点研发计划课题及子课题，以及各类省部级与校企委托项目。发表SCI论文50余篇，5篇入选ESI高被引，出版专著3部，连续入选Elsevier中国高被引学者。获授权国内专利20余项，申请PCT专利1项，转让4项专利。录制了面向企业用户的《电池管理与成组》网络课程，累计销售超过600份企业用户授权。主持或参编各类标准6项，成果曾先后获上海市科技进步二等奖、中国汽车工业科技进步一等奖。

课题组介绍

电源系统智能管控实验室(Power Source System Smart Management Lab)，致力于电源系统的基础研究、应用管理及技术服务，实验室现有教授2名、副教授1名、博士后2名，博硕士研究生50余名。