燃料電池電化學測試技術、性能評估及前沿探索

一、引言

      燃料電池作為一種高效、清潔的能量轉換裝置，在能源領域展現出巨大的應用潛力，從交通運輸到分布式發電，其應用場景不斷拓展 。然而，燃料電池的性能和可靠性是制約其大規模商業化應用的關鍵因素。電化學測試技術作為研究和評估燃料電池性能的重要手段，在揭示電池工作機制、優化電池設計、預測電池壽命等方面發揮著不可替代的作用。隨著燃料電池技術的快速發展，對電化學測試技術的準確性、實時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現突破與創新，以滿足行業發展需求。本文將對燃料電池電化學測試技術的關鍵方法、性能評估以及前沿進展進行全面深入的探討。

二、燃料電池電化學測試關鍵方法

2.1 伏安法及其應用

       循環伏安法（CV）是一種經典的電化學測試方法。在燃料電池催化劑研究中，通過向工作電極施加連續變化的三角波電位，測量電流響應。該方法能夠快速掃描電催化劑對氧氣還原反應（ORR）和氫氣氧化反應（HOR）的活性，確定氧化還原電位，評估電催化劑活性位點的數量和可逆性。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間內的催化活性變化，幫助研究人員篩選出性能更優的催化劑材料 。

       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，為電池性能優化提供關鍵數據。

2.2 恒電流 / 恒電位法

      計時電位法（CP）在恒電流條件下，記錄工作電極電位隨時間的變化，適用于研究燃料電池在恒定負載下的電位穩定性和電極反應動力學過程。例如，在考察燃料電池耐久性時，CP 測試能夠監測電極材料在長時間恒定電流工作下的電位衰減情況，判斷電極的穩定性和壽命 。

      計時電流法（CA）在恒電位條件下，測量電流隨時間的變化，可用于研究電化學反應的起始過程和催化劑活性衰減規律。如在燃料電池啟動和關閉過程中，通過 CA 測試能分析催化劑表面的吸附和解吸現象，以及活性位點的變化情況。

2.3 電化學阻抗譜（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，能夠深入分析電池內部的電荷轉移、物質傳輸和電極反應動力學過程。從 EIS 譜圖中，可以提取出燃料電池的歐姆內阻、電荷轉移電阻、擴散電阻等關鍵參數。例如，通過對比不同工況下的 EIS 譜圖，可判斷電池內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化提供依據。

三、燃料電池性能評估體系

3.1 電性能評估指標

      輸出電壓和電流是燃料電池最基礎的性能指標。通過測量不同負載下的輸出電壓 - 電流曲線，可繪制極化曲線，進而計算出開路電壓、峰值功率密度等重要參數。開路電壓反映了燃料電池的熱力學性能，而峰值功率密度則直接體現了電池在實際應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之一，分為體積功率密度和質量功率密度。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、電動汽車等應用場景至關重要。

      能量轉換效率表示燃料電池將化學能轉化為電能的能力，通常通過測量輸入燃料的化學能和輸出電能進行計算。提高能量轉換效率不僅能降低運行成本，還符合可持續發展的能源理念。

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、頻繁的負載循環等，加速燃料電池的性能衰減過程，在較短時間內評估電池的耐久性。例如，在高溫高濕環境下對質子交換膜燃料電池進行長時間測試，可加速膜電極的降解，快速獲取電池壽命數據 。

     長期穩定性測試則在接近實際工作條件下，對燃料電池進行連續長時間運行測試。該方法能更真實地反映燃料電池在實際應用中的性能變化，為商業化應用提供可靠的性能數據支持。通過定期監測電池的電性能參數、氣體泄漏情況等，可全面評估電池的耐久性和可靠性。

四、燃料電池電化學測試前沿進展

4.1 原位和在線測試技術

      原位 X 射線衍射（XRD）、原位紅外光譜（FT - IR）等技術的應用，實現了在燃料電池運行過程中實時監測電極材料的結構變化和反應中間體的生成。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聚和晶相轉變過程，為理解催化劑失活機制提供直接證據 。在線氣體分析技術能夠實時監測燃料電池內部氣體的組成和濃度變化，幫助優化氣體供應系統，提高電池效率。

4.2 多物理場耦合測試與模擬

      燃料電池內部存在電場、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通過建立數學模型，結合實驗數據，能夠全面分析電池內部的復雜物理過程。例如，流固耦合模擬可優化燃料電池的流場設計，提高氣體擴散均勻性，減少局部干涸和水淹現象；熱 - 電耦合分析有助于合理設計散熱系統，避免局部過熱導致的性能衰減。

4.3 智能測試系統與數據分析

      人工智能和大數據技術的引入，推動了燃料電池智能測試系統的發展。智能測試系統可實現測試過程的自動化控制、實時監測和故障診斷，顯著提高測試效率和準確性。利用機器學習算法對大量測試數據進行分析，能夠建立性能預測模型，預測燃料電池的壽命和性能衰減趨勢，為電池的維護和管理提供科學依據。例如，基于神經網絡的預測模型可以根據歷史運行數據，準確預測燃料電池在未來一段時間內的性能變化，提前預警潛在故障。

五、結論

     燃料電池電化學測試技術在推動燃料電池技術發展中發揮著關鍵作用。從傳統的伏安法、恒電流 / 恒電位法到先進的電化學阻抗譜，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、準確評價。而原位和在線測試技術、多物理場耦合分析以及智能測試系統等前沿技術的發展，為深入理解燃料電池工作機制、優化電池設計和提高性能提供了新的途徑。未來，隨著燃料電池技術的不斷進步，電化學測試技術也將持續創新，朝著更精準、更智能、更高效的方向發展，為燃料電池的大規模商業化應用奠定堅實基礎

產品展示

      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和電熱催化系統評價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，因此可以排除Cr揮發對于陰極性能的影響；采用鉑金網作為電流收集材料，不需要設置筋條結構，因此可以認為氣體的流動、擴散基本沒有“死區"，可以盡可能地釋放出電池的性能；夾具的流場也可以根據需要調整為對流或順流，可以考察流動方式的影響。對于電池的壽命可以更加準確地進行測試和判斷，特別是電池供應商，表征產品在理想情況(即排除不合理流場干擾等)下的性能，所以多采用此類夾具。

      產品優勢：

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

2、全陶瓷制可避免金屬內不良元素的影響,適合耐久性實驗。

3、高溫彈簧構造排除了構成材料內熱應力的影響。

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；