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PEM燃料电池故障诊断
2019-10-19 23:48:01· 来源：长城氢能检测
燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为直流电的电化学转换器。它涵盖了多门学科，包括材料科学、界面科学、传输现象、电化学和催化作用，想充分理解其中蕴含
燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为直流电的电化学转换器。它涵盖了多门学科，包括材料科学、界面科学、传输现象、电化学和催化作用，想充分理解其中蕴含的原理，却一直都是一个重大的挑战。
当下，就氢氧燃料电池而言，早已开发出精准分析单片电池和电池组的诊断工具，主要分为两大类：电化学技术和化学/物理法。其中，电化学技术，如极化曲线、电流中断以及电化学阻抗谱分析等，已应用燃料电池的诊断。然而，物理/化学法，它需要测量燃料电池具体属性或特定的过程，相关的设备和材料的发展水平，都有一定的局限性，所以，主要来分析电化学技术的诊断工具。
极化曲线是一种反映燃料电池特性最简单易行的方式，它是，在一组稳定工作条件下电池电势与电流密度的曲线，主要包括三个区域，在电流密度较低时（活化极化区域），电池电势指数下降，这些损耗的大部分是由于氧化还原动力学迟缓所引起的；在电流密度适中时（欧姆极化区域），由于欧姆电阻引起的电压损耗非常明显，主要来自于电解液中的离子流电阻和通过电极的电子流电阻。在此区域中，电池电势随电流密度近似线性减小，而活化电势达到一个相对稳定值；在电流密度较高时，（浓度极化区域），由于通过气体扩散层（GDL）和电催化剂层（CL）孔隙结构的反应气体的传输极限约束，质量传输效应起主要作用，且电池性能急剧下降。通过测量极化曲线，可表征系统的组成、流量、温度、以及反应气体的相对湿度等特定的参数对电池性能的影响。
电流中断，一般情况下，电流中断方法适用于测量燃料电池中欧姆损耗，该方法的原理是当电路中断时，欧姆损耗比电化学过电势消失得更快，即欧姆损耗几乎立刻消失且电化学过电位以相当慢的速率下降，在该技术中，快速采集瞬态电压数据对于充分分离欧姆损耗和活化损耗至关重要。电流中断法具有数据分析相对简单的优点，然而，从单电池或电池组中获得的信息确是有限的，另外，也难以确定电压瞬时跳变的确切时刻，因此应采用一个高速示波器来记录电压的变化。如图所示：
电流中断后电池电压特性
电化学阻抗谱是一种在短时间内分析各种极化损耗的功能强大的技术方法，，它是对电池施加一个小的交流电压信号或电流扰动信号（已知幅值和频率），并作为频率函数来测量产生信号的幅值和相位，这大概需要通过较宽的频率不断的重复。通常，阻抗频谱是绘制成伯德图和奈奎斯特图的形式，在奈奎斯特图中，高频电弧反映了催化剂层的双电层电容、有效电荷转移阻抗以及欧姆电阻的组合，其中，后者可直接与电流中断测量得到的数据进行比较。低频电弧是反映由于质量传输限制而产生的阻抗，它的形状可归因于通过多孔电极的孔隙氧扩散受限。
总之，EIS是一项研究燃料电池诊断的有效技术，可以提供更多的信息且能用于评估燃料电池性能的诊断准则。
氢能检测中心全貌
燃料电池测试
位于河北省保定市的长城氢能检测中心，是一个世界顶级，国内首座的大型综合的试验室，具备了多项燃料电池性能检测和诊断技术的能力。特别是诊断方面，我们拥有测量燃料电池内阻，精确到毫欧级的交流阻抗仪（HIOKI），电压范围：0~300V,也有型号多样的优质多通道恒电位仪：Gamary，能实现高精度与高准确度阻抗测量，比如：Reference 3000（电流最大量程3A），也有Reference 30k Booster放大器，电流量程可以扩展到30A,可以更加精确的测量其决定的性能参数。
目前，在PEM燃料电池中采用的各种诊断技术需要仔细研究，尽可能的去集成多种诊断技术的测试设备，以便于我们更适合深入分析导致性能损耗的原因，从而为PEM燃料电池的诊断技术奠定深厚的基础。
当下，就氢氧燃料电池而言，早已开发出精准分析单片电池和电池组的诊断工具，主要分为两大类：电化学技术和化学/物理法。其中，电化学技术，如极化曲线、电流中断以及电化学阻抗谱分析等，已应用燃料电池的诊断。然而，物理/化学法，它需要测量燃料电池具体属性或特定的过程，相关的设备和材料的发展水平，都有一定的局限性，所以，主要来分析电化学技术的诊断工具。
极化曲线是一种反映燃料电池特性最简单易行的方式，它是，在一组稳定工作条件下电池电势与电流密度的曲线，主要包括三个区域，在电流密度较低时（活化极化区域），电池电势指数下降，这些损耗的大部分是由于氧化还原动力学迟缓所引起的；在电流密度适中时（欧姆极化区域），由于欧姆电阻引起的电压损耗非常明显，主要来自于电解液中的离子流电阻和通过电极的电子流电阻。在此区域中，电池电势随电流密度近似线性减小，而活化电势达到一个相对稳定值；在电流密度较高时，（浓度极化区域），由于通过气体扩散层（GDL）和电催化剂层（CL）孔隙结构的反应气体的传输极限约束，质量传输效应起主要作用，且电池性能急剧下降。通过测量极化曲线，可表征系统的组成、流量、温度、以及反应气体的相对湿度等特定的参数对电池性能的影响。
电流中断，一般情况下，电流中断方法适用于测量燃料电池中欧姆损耗，该方法的原理是当电路中断时，欧姆损耗比电化学过电势消失得更快，即欧姆损耗几乎立刻消失且电化学过电位以相当慢的速率下降，在该技术中，快速采集瞬态电压数据对于充分分离欧姆损耗和活化损耗至关重要。电流中断法具有数据分析相对简单的优点，然而，从单电池或电池组中获得的信息确是有限的，另外，也难以确定电压瞬时跳变的确切时刻，因此应采用一个高速示波器来记录电压的变化。如图所示：
电流中断后电池电压特性
电化学阻抗谱是一种在短时间内分析各种极化损耗的功能强大的技术方法，，它是对电池施加一个小的交流电压信号或电流扰动信号（已知幅值和频率），并作为频率函数来测量产生信号的幅值和相位，这大概需要通过较宽的频率不断的重复。通常，阻抗频谱是绘制成伯德图和奈奎斯特图的形式，在奈奎斯特图中，高频电弧反映了催化剂层的双电层电容、有效电荷转移阻抗以及欧姆电阻的组合，其中，后者可直接与电流中断测量得到的数据进行比较。低频电弧是反映由于质量传输限制而产生的阻抗，它的形状可归因于通过多孔电极的孔隙氧扩散受限。
总之，EIS是一项研究燃料电池诊断的有效技术，可以提供更多的信息且能用于评估燃料电池性能的诊断准则。
氢能检测中心全貌
燃料电池测试
位于河北省保定市的长城氢能检测中心，是一个世界顶级，国内首座的大型综合的试验室，具备了多项燃料电池性能检测和诊断技术的能力。特别是诊断方面，我们拥有测量燃料电池内阻，精确到毫欧级的交流阻抗仪（HIOKI），电压范围：0~300V,也有型号多样的优质多通道恒电位仪：Gamary，能实现高精度与高准确度阻抗测量，比如：Reference 3000（电流最大量程3A），也有Reference 30k Booster放大器，电流量程可以扩展到30A,可以更加精确的测量其决定的性能参数。
目前，在PEM燃料电池中采用的各种诊断技术需要仔细研究，尽可能的去集成多种诊断技术的测试设备，以便于我们更适合深入分析导致性能损耗的原因，从而为PEM燃料电池的诊断技术奠定深厚的基础。
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