《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Electrochemical impedance spectroscopy and electric equivalent circuit modeling for open-cathode PEM fuel cell performance: A review
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开放阴极质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能预测面临环境动态条件影响大、等效电路模型（EEC）缺乏统一性和物理基础等问题。本文系统综述了电化学阻抗谱（EIS）技术及新兴测量方法（如瞬时阻抗谱、非线性EIS、分布松弛时间），指出当前EEC模型多依赖现象学解释且未充分结合开放阴极系统的实际环境敏感性，动态条件下建模研究不足，亟需建立基于物理机理的普适性模型。
罗贝·努伊滕斯（Robbe Nuyttens）|约本·马斯（Jorben Mus）|汉斯·哈勒兹（Hans Hallez）|普拉迪普·昆杜（Pradeep Kundu）|弗兰克·布伊斯查特（Frank Buysschaert）
鲁汶大学（KU Leuven），机械工程系，应用力学与能量转换专业，M-group，Sporwegstraat 12，8200 布鲁日，比利时
摘要
本文综述了利用电化学阻抗谱（EIS）和电气等效电路（EEC）建模对开阳极聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）性能预测的最新研究。开阳极PEMFC具有系统质量轻和空气管理简单等优点，使其在轻量化应用中具有吸引力，但它们直接暴露在环境条件下，使得性能预测变得复杂。EIS是一种广泛用于表征电化学系统的关键技术。当将EIS获得的阻抗谱拟合到EEC模型中时，这些模型能够定量解释潜在现象。然而，对现有EEC拓扑结构的分析表明，目前尚无共识性的通用模型。大多数拓扑结构依赖于现象学解释，而非基于物理的PEMFC公式，并且通常针对特定应用进行定制。此外，EEC很少被用于描述开阳极系统通常遇到的动态条件下的性能。本文还探讨了不同的新兴基于EIS的测量技术，包括瞬时阻抗谱、非线性EIS和松弛时间分布（DRT），这些技术旨在提高从测量中提取的信息量。尽管针对闭阳极系统已有大量研究，但关于开阳极PEMFC在现实环境条件下的性能的文献仍然有限，显示出在建模方面的显著差距。
引言
聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）作为一种可持续能源转换技术而脱颖而出。它们通过氢气和氧气的电化学反应产生电力，仅产生水和热量作为副产品。PEMFC的一个优点是它们在相对较低的温度下运行，并且与传统内燃机相比具有更高的能量转换效率。因此，它们在多种应用中具有巨大潜力，包括混合动力电动汽车和船舶系统[1]。当与氢储存系统结合使用时，其高比能量密度也使其对无人机（UAV）具有吸引力，在这些应用中，它们已经显示出比传统电池供电系统更出色的续航能力[2]、[3]、[4]。
然而，PEMFC的性能和耐久性对运行条件（包括温度、湿度、空气质量及压力）非常敏感[5]、[6]、[7]、[8]。在文献中，PEMFC系统通常被分为两大类：更为传统的闭阳极型和开阳极型。闭阳极PEMFC依赖于辅助组件（通常称为“工厂平衡系统”BOP），如冷却系统、加湿器、过滤器和压力调节器，以维持稳定和理想的运行条件[9]。相比之下，开阳极系统通常避免使用复杂的BOP，以实现轻量化和平简的配置，通常仅使用风扇向阴极供氧并冷却燃料电池。尽管这种区分被广泛使用，但它并不是严格的二分法：任何燃料电池系统都可以实施某些简化的运行条件管理系统（SOCMS）。例如，死端配置在开阳极系统中很常见，但在闭阳极设计中也可以采用。唯一的严格区别在于开阳极设计中阴极直接暴露在环境中。大量研究集中在闭阳极系统内的控制和条件管理上，以优化PEMFC的性能[10]、[11]。
然而，BOP的增加的质量和复杂性促使人们探索更轻量的开阳极PEMFC，尤其是在重量最小化至关重要的应用中[12]。由于开阳极配置，电池直接暴露在波动的大气条件下，这会随时间降低性能[13]。需要注意的是，这种增加的敏感性反映了系统实现的差异，而非开阳极和闭阳极PEMFC之间的任何根本电化学差异。现实环境中可变条件对开阳极PEMFC性能的影响尚未得到充分研究[8]。要解决这一知识空白，需要全面理解温度、湿度和压力等大气条件的波动如何影响电化学过程和燃料电池的整体行为。
为了研究PEMFC的过程和电化学性能，使用了多种诊断工具。最基本的技术之一是测量极化曲线，它将电池电压与电流密度关联起来[14]。虽然这种技术有助于评估整体性能，但它对燃料电池内部电化学和动态过程的了解有限。其他用于表征电化学性能的技术包括循环伏安法和计时安培法。尽管这两种技术提供了有价值的见解，但它们缺乏充分理解复杂内部动态所需的细节[15]、[16]。
电化学阻抗谱（EIS）是PEMFC研究中的强大诊断工具。它可以通过在宽频率范围内测量系统的阻抗来识别不同运行条件下的特定物理化学损失机制[16]。当EIS数据被拟合到电气等效电路（EEC）模型中时，研究人员可以量化各个损失机制[17]、[18]、[19]、[20]。这些模型通常选择每种组件代表一个不同过程的拓扑结构。然而，选择最合适的EEC拓扑结构仍然具有挑战性。如果没有基于对PEMFC的扎实物理理解的基础，EEC模型对环境波动的影响提供的定量见解有限[21]。
以往的综述已经涵盖了燃料电池的EIS和EEC主题[22]、[23]、[24]，但本工作的重点不同。首先，大多数现有综述集中在闭阳极PEMFC上，而本研究旨在为未来针对开阳极燃料电池的研究奠定基础。此外，它还强调所描述技术的使用目的主要是性能预测，而不仅仅是诊断，因为与闭阳极系统相比，开阳极系统的运行参数更难以控制。其次，本文将更全面地概述文献中的许多现有EEC模型及其相互关系，因为目前除非这些模型基于反应的物理方程推导出来，否则作者往往不解释选择某个模型的原因。最后，本文将简要介绍基于传统EIS的燃料电池测量技术的最新进展，从早期发展到扩展基于阻抗分析适用性的最新方法。
本文的结构如下：第2节概述了EIS测量的原理、数据质量评估和可视化技术。第3节将描述构建EEC拓扑结构以模拟PEMFC行为的各种方法。第4节将重点讨论松弛时间分布（DRT），这是一种流行的无模型表征技术，能够增强EEC建模的效果。第5节将提供更先进的基于EIS的测量技术的简要概述，这些技术可以提供更详细的信息，从而改进PEMFC建模。最后，在第6节中，将识别剩余的挑战，并在结论中提出未来研究的建议。这些建议旨在促进EEC在燃料电池表征和建模方面的应用。
章节摘录
PEMFC的布局和工作原理
PEMFC堆栈由一系列电化学电池组成。电池的布局如图1所示。每个电池包含两个电极，一个阳极和一个阴极，每个电极都由催化剂层（CL）构成，电化学反应就在这里发生，催化剂层支撑在气体扩散层（GDL）上，气体扩散层有助于反应气体进出催化剂层。在某些设计中，还集成了微孔层（MPL）以改善水分管理。这些电极位于...
EEC基础
EEC提供了一种多用途的建模方法，通过将电化学过程映射到电气组件上来解释阻抗数据。当一个合适的电路拓扑结构被拟合到EIS数据时，得到的模型阻抗可以很好地再现测量的电气响应。
为此目的使用了两种类型的电气组件：整数阶和分数阶[32]。整数阶元件是传统电路理论中的标准组件，包括电阻器...
无模型方法的合理性
EEC仍然是解释PEMFC阻抗谱的主要工具，但其适用性受到两个关键限制的制约。首先，没有普遍接受的电路拓扑结构。每种配置都是针对特定目标定制的，导致存在多种电路拓扑结构。其次，即使在同一拓扑结构内，对单个电路元件的电化学解释也经常存在争议，这使得它们难以进行跨研究比较[267]。
为了解决...
瞬时阻抗谱
传统的EIS涉及顺序的单频扰动，并记录稳态响应。总测量时间取决于最低频率，可能从几分钟到几小时不等。由于这种测量的有效性取决于系统在整个采集过程中保持伪线性和时间不变性，传统的EIS无法解析快速变化的条件或瞬态现象。研究人员必须仔细平衡测量点的数量...
结论与未来展望
综述的文献表明，EIS和EEC建模仍然是分析PEMFC行为的强大而多用途的工具。然而，这也揭示了在EEC能够可靠地预测开阳极燃料电池性能之前仍存在重大挑战。这些挑战主要与当前EIS测量技术的局限性、物理一致性建模的不足以及在现实运行条件下的应用限制有关，尤其是对于开阳极燃料电池...
CRediT作者贡献声明
罗贝·努伊滕斯（Robbe Nuyttens）：撰写——原始草稿，可视化，项目管理，调查，概念化。约本·马斯（Jorben Mus）：撰写——审稿与编辑，概念化。汉斯·哈勒兹（Hans Hallez）：撰写——审稿与编辑，监督。普拉迪普·昆杜（Pradeep Kundu）：撰写——审稿与编辑，监督。弗兰克·布伊斯查特（Frank Buysschaert）：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
