郑州电池测试机构：燃料电池氧气传输阻力测试与分析方法

　　燃料电池(特别是质子交换膜燃料电池 PEMFC)中的氧气传输阻力测试，是评估阴极氧传质能力、诊断性能瓶颈、优化膜电极(MEA)设计的关键手段。其核心目标是量化氧气从流道经气体扩散层(GDL)、微孔层(MPL)和催化层(CL)到达三相反应界面的总传质阻力。

　　测试的核心思想是：通过设计特殊的实验条件，分离并量化总传输阻力中的不同组成部分。

　　方法一：极限电流法(经典、直接)

　　这是测量总氧气传输阻力的基准方法。

　　原理：

　　在阴极通入惰性气体(如氮气)稀释的氧气(例如，2% O₂ + 98% N₂)，同时保持电池在高湿度下运行。

　　逐渐升高电池电压(或降低电压)，电流会随之增加。但由于氧气浓度极低，电流会达到一个平台，即极限电流。此时，阴极催化剂表面的氧气浓度趋近于零，电流大小完全由氧气传输速率决定。

　　操作与计算：

　　测量在不同稀释比例(如1%， 2%， 4% O₂)下的极限电流密度。

　　根据菲克定律和理想气体定律，总氧气传输阻力$R_{O_2,total}$ 可通过下式计算：

　　F：法拉第常数

　　CO2​,bulk​​：流道中氧气的体积摩尔浓度

　　Ilim​​：极限电流密度

　　绘制 $1/I_{lim}$ 对 $1/C_{O_2,bulk}$​ 的曲线，其斜率正比于总传输阻力。

　　变体：压力依赖测试

　　在不同气体总压下重复极限电流实验。

　　总阻力 $R_{total}$  可以分解为两部分：

　　压力相关阻力：主要来自气体在孔隙内的分子扩散，与压力成反比。

　　压力无关阻力：主要来自氧气在离子聚合物中的溶解和扩散，以及催化剂表面的渗透过程，与压力无关。

　　通过改变压力进行测试，可以分离这两部分阻力，是诊断传输瓶颈的关键。

　　方法二：电化学阻抗谱法

　　原理：在开路或一定偏压下，施加高频(>1 kHz)和低频(~0.1-1 Hz)的扰动。

　　高频阻抗弧：主要对应电荷转移过程(氧还原反应动力学)。

　　低频阻抗斜线：主要对应传质过程(氧气传输)。

　　应用：通过等效电路拟合，可以定性比较不同MEA或操作条件下传质阻力的大小。常作为极限电流法的辅助和验证手段，更擅长动态分析。

　　方法三：排水法与渗透率测试(材料级表征)

　　这不是在完整电池中测试，而是对气体扩散层 和 微孔层 等组件进行独立物性测量，以理解其对总阻力的贡献。

　　透气率/渗透率：测量气体在一定压差下通过多孔介质的流速，反映宏观气体传输的难易程度。

　　孔隙结构分析：使用压汞法或气体吸附法，测量GDL/MPL的孔隙率、孔径分布、曲折因子，这些是计算扩散阻力的基础参数。

　　方法四：局部电流分布测量

　　原理：使用分段电池或电流扫描板，测量电池活性面积上不同位置的局部电流密度。

　　应用：当氧气传输受限(如流道下 vs. 肋板下，或进口 vs. 出口)时，局部电流会出现不均匀分布。这可以直观地揭示传输阻力的空间不均匀性，常用于验证流场设计和水的管理效果。

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