燃料電池電化學(xué)測試技術(shù)、性能評估及前沿探索

一、引言

      燃料電池作為一種高效、清潔的能量轉(zhuǎn)換裝置，在能源領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，從交通運(yùn)輸?shù)椒植际桨l(fā)電，其應(yīng)用場景不斷拓展 。然而，燃料電池的性能和可靠性是制約其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。電化學(xué)測試技術(shù)作為研究和評估燃料電池性能的重要手段，在揭示電池工作機(jī)制、優(yōu)化電池設(shè)計(jì)、預(yù)測電池壽命等方面發(fā)揮著不可替代的作用。隨著燃料電池技術(shù)的快速發(fā)展，對電化學(xué)測試技術(shù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和全面性提出了更高要求，亟需在測試方法、性能評估體系等方面實(shí)現(xiàn)突破與創(chuàng)新，以滿足行業(yè)發(fā)展需求。本文將對燃料電池電化學(xué)測試技術(shù)的關(guān)鍵方法、性能評估以及前沿進(jìn)展進(jìn)行全面深入的探討。

二、燃料電池電化學(xué)測試關(guān)鍵方法

2.1 伏安法及其應(yīng)用

       循環(huán)伏安法（CV）是一種經(jīng)典的電化學(xué)測試方法。在燃料電池催化劑研究中，通過向工作電極施加連續(xù)變化的三角波電位，測量電流響應(yīng)。該方法能夠快速掃描電催化劑對氧氣還原反應(yīng)（ORR）和氫氣氧化反應(yīng)（HOR）的活性，確定氧化還原電位，評估電催化劑活性位點(diǎn)的數(shù)量和可逆性。例如，對于新型鉑基催化劑，CV 測試可以直觀地展示其在不同電位區(qū)間內(nèi)的催化活性變化，幫助研究人員篩選出性能更優(yōu)的催化劑材料 。

       線性掃描伏安法（LSV）則是單向掃描電位，常用于獲取燃料電池的極化曲線。通過 LSV 測試，可直接得到燃料電池在不同電流密度下的工作電壓，進(jìn)而分析電池的活化極化、歐姆極化和濃差極化情況，為電池性能優(yōu)化提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2.2 恒電流 / 恒電位法

      計(jì)時(shí)電位法（CP）在恒電流條件下，記錄工作電極電位隨時(shí)間的變化，適用于研究燃料電池在恒定負(fù)載下的電位穩(wěn)定性和電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程。例如，在考察燃料電池耐久性時(shí)，CP 測試能夠監(jiān)測電極材料在長時(shí)間恒定電流工作下的電位衰減情況，判斷電極的穩(wěn)定性和壽命 。

      計(jì)時(shí)電流法（CA）在恒電位條件下，測量電流隨時(shí)間的變化，可用于研究電化學(xué)反應(yīng)的起始過程和催化劑活性衰減規(guī)律。如在燃料電池啟動(dòng)和關(guān)閉過程中，通過 CA 測試能分析催化劑表面的吸附和解吸現(xiàn)象，以及活性位點(diǎn)的變化情況。

2.3 電化學(xué)阻抗譜（EIS）

     EIS 通過向燃料電池施加小幅度交流電壓信號，測量不同頻率下的阻抗響應(yīng)，能夠深入分析電池內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移、物質(zhì)傳輸和電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程。從 EIS 譜圖中，可以提取出燃料電池的歐姆內(nèi)阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻、擴(kuò)散電阻等關(guān)鍵參數(shù)。例如，通過對比不同工況下的 EIS 譜圖，可判斷電池內(nèi)部是否存在膜電阻增大、催化劑活性降低等問題，為故障診斷和性能優(yōu)化提供依據(jù)。

三、燃料電池性能評估體系

3.1 電性能評估指標(biāo)

      輸出電壓和電流是燃料電池最基礎(chǔ)的性能指標(biāo)。通過測量不同負(fù)載下的輸出電壓 - 電流曲線，可繪制極化曲線，進(jìn)而計(jì)算出開路電壓、峰值功率密度等重要參數(shù)。開路電壓反映了燃料電池的熱力學(xué)性能，而峰值功率密度則直接體現(xiàn)了電池在實(shí)際應(yīng)用中的能量輸出能力 。

      功率密度是衡量燃料電池性能的核心指標(biāo)之一，分為體積功率密度和質(zhì)量功率密度。高功率密度意味著燃料電池能夠在有限的空間或重量下輸出更多的電能，對于便攜式電源、電動(dòng)汽車等應(yīng)用場景至關(guān)重要。

      能量轉(zhuǎn)換效率表示燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能力，通常通過測量輸入燃料的化學(xué)能和輸出電能進(jìn)行計(jì)算。提高能量轉(zhuǎn)換效率不僅能降低運(yùn)行成本，還符合可持續(xù)發(fā)展的能源理念。

3.2 耐久性評估方法

     加速耐久性測試通過模擬工況，如高溫、高濕度、高電位、頻繁的負(fù)載循環(huán)等，加速燃料電池的性能衰減過程，在較短時(shí)間內(nèi)評估電池的耐久性。例如，在高溫高濕環(huán)境下對質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行長時(shí)間測試，可加速膜電極的降解，快速獲取電池壽命數(shù)據(jù) 。

     長期穩(wěn)定性測試則在接近實(shí)際工作條件下，對燃料電池進(jìn)行連續(xù)長時(shí)間運(yùn)行測試。該方法能更真實(shí)地反映燃料電池在實(shí)際應(yīng)用中的性能變化，為商業(yè)化應(yīng)用提供可靠的性能數(shù)據(jù)支持。通過定期監(jiān)測電池的電性能參數(shù)、氣體泄漏情況等，可全面評估電池的耐久性和可靠性。

四、燃料電池電化學(xué)測試前沿進(jìn)展

4.1 原位和在線測試技術(shù)

      原位 X 射線衍射（XRD）、原位紅外光譜（FT - IR）等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在燃料電池運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測電極材料的結(jié)構(gòu)變化和反應(yīng)中間體的生成。例如，原位 XRD 可以觀察到在電池工作過程中催化劑顆粒的團(tuán)聚和晶相轉(zhuǎn)變過程，為理解催化劑失活機(jī)制提供直接證據(jù) 。在線氣體分析技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測燃料電池內(nèi)部氣體的組成和濃度變化，幫助優(yōu)化氣體供應(yīng)系統(tǒng)，提高電池效率。

4.2 多物理場耦合測試與模擬

      燃料電池內(nèi)部存在電場、磁場、溫度場和流場等多物理場的相互作用。多物理場耦合測試與模擬技術(shù)通過建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠全面分析電池內(nèi)部的復(fù)雜物理過程。例如，流固耦合模擬可優(yōu)化燃料電池的流場設(shè)計(jì)，提高氣體擴(kuò)散均勻性，減少局部干涸和水淹現(xiàn)象；熱 - 電耦合分析有助于合理設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)，避免局部過熱導(dǎo)致的性能衰減。

4.3 智能測試系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析

      人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的引入，推動(dòng)了燃料電池智能測試系統(tǒng)的發(fā)展。智能測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)測試過程的自動(dòng)化控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷，顯著提高測試效率和準(zhǔn)確性。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對大量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠建立性能預(yù)測模型，預(yù)測燃料電池的壽命和性能衰減趨勢，為電池的維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。例如，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型可以根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確預(yù)測燃料電池在未來一段時(shí)間內(nèi)的性能變化，提前預(yù)警潛在故障。

五、結(jié)論

     燃料電池電化學(xué)測試技術(shù)在推動(dòng)燃料電池技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從傳統(tǒng)的伏安法、恒電流 / 恒電位法到先進(jìn)的電化學(xué)阻抗譜，這些測試方法為燃料電池性能評估提供了重要手段。完善的電性能和耐久性評估體系，確保了對燃料電池性能的全面、準(zhǔn)確評價(jià)。而原位和在線測試技術(shù)、多物理場耦合分析以及智能測試系統(tǒng)等前沿技術(shù)的發(fā)展，為深入理解燃料電池工作機(jī)制、優(yōu)化電池設(shè)計(jì)和提高性能提供了新的途徑。未來，隨著燃料電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，電化學(xué)測試技術(shù)也將持續(xù)創(chuàng)新，朝著更精準(zhǔn)、更智能、更高效的方向發(fā)展，為燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

產(chǎn)品展示

      SSC-SOFCSOEC80系列高溫平板電池夾具，適用于固體氧化物電池測試SOFC和電熱催化系統(tǒng)評價(jià)SOEC。其采用氧化鋁陶瓷作為基本材料，避免了不銹鋼夾具在高溫下的Cr 揮發(fā)，因此可以排除Cr揮發(fā)對于陰極性能的影響；采用鉑金網(wǎng)作為電流收集材料，不需要設(shè)置筋條結(jié)構(gòu)，因此可以認(rèn)為氣體的流動(dòng)、擴(kuò)散基本沒有“死區(qū)"，可以盡可能地釋放出電池的性能；夾具的流場也可以根據(jù)需要調(diào)整為對流或順流，可以考察流動(dòng)方式的影響。對于電池的壽命可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行測試和判斷，特別是電池供應(yīng)商，表征產(chǎn)品在理想情況(即排除不合理流場干擾等)下的性能，所以多采用此類夾具。

      產(chǎn)品優(yōu)勢：

1、SOFC 平板型評價(jià)夾具可對應(yīng) 20*20mm，30*30mm，耐溫900℃。

2、全陶瓷制可避免金屬內(nèi)不良元素的影響,適合耐久性實(shí)驗(yàn)。

3、高溫彈簧構(gòu)造排除了構(gòu)成材料內(nèi)熱應(yīng)力的影響。

4、 可定制客戶要求的尺寸。

5、氣體密閉采用了高溫彈簧壓縮電池的方法，

6、更換及電爐里的裝配電流端子，電壓端子，熱電偶端子，輸氣和排氣口，氣體流量Max 2L/min；