Microbial Fuel Cells Methodology and Technology.docx

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MicrobialFuelCellsMethodologyandTechnology

微生物燃料电池：

方法与技术

MicrobialFuelCells:

MethodologyandTechnology

BruceE.Logan,BertHamelers,RenéRozendal,etal.

微生物燃料电池（MFC）研究是个快速发展的领域，但缺乏成熟的术语和方法来分析MFC系统性能，使得研究人员难以在同一基础上比较。

MFC的构造和分析涉及了不同科学和工程的知识，从生物学、电化学到材料学、环境工程，因此，需要理解这些不同科学和工程的原理，才能阐释MFC。

我们将在本文中综述构造MFC的不同材料和方法，分析MFC系统性能的技术，并提出MFC研究所需的信息和呈现结果的有效方式。

前言

微生物燃料电池（MFC）是用细菌为催化剂氧化有机物和无机物同时产电的装置[1-5]。

细菌从底物中获取的电子被转移至阳极（负极接线柱），流向阴极（正极接线柱），两极间用导线串联电阻，或串联负载（MFC产电驱动用电器）（图1）。

通常，电流从正极接线柱流向负极接线柱，而电子流向相反。

该装置中，阳极氧化的底物必须得到补充，或者连续流、间歇流运行，否则，该系统就如同生物电池。

电子转移至阳极的途径有电子中介体或梭子[6，7]、膜接触直接转移[8]、细菌产生的纳米导线[9-11]，也许还有其他位置的途径。

化学介质如中性红或蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS）的加入可以帮助无法向电极转移电子的细菌完成电子转移[12，13]。

若无外加介质，则将其统称作“无介体MFC”，尽管这样的电子转移机理尚不清楚[14]。

多数MFC中，到达阴极的电子、质子（从阳极过膜）和氧气（来自空气）反应生成水[12，15-17]。

也可以使用氧化剂如铁氰化物或Mn（Ⅳ），不过，这些物质需要更换或再生[6,18-20]，细菌使用溶解氧可以催化金属的氧化还原，如Mn从Mn（Ⅳ）还原成Mn（Ⅱ）[19，20]。

可持续的进行微生物催化阳极电子的释放，随后电子在阴极被消耗，定义了MFC的主要特征。

例如，使用腐蚀阳极如Mg合金[20]，并不能将其视作MFC，因为没有细菌催化氧化底物。

本文将所用酶或催化剂并非由细菌可持续直接原位产生的系统视作酶燃料电池，这类电池已被充分综述[21]。

使用混合菌群的MFC产电远高于纯菌种MFC[6,7]，不过，最近的一个试验证实纯菌种MFC产电也很高[22]，但是（研究人员）并没有试验同一装置的混合菌群效果，而且所用细菌是在装置外培养生长的。

MFC菌群分析表明，菌落组成丰富度很高[6,12,23-25]，我们相信，基于已有数据和各个实验室产生的新数据，更多的能够完成阳极转移电子，甚至是细菌间转移电子的种群将被发现。

很多材料可以构造MFC，构型也越发丰富。

反应器的运行条件也各种各样，包括温度、pH、电子受体、电极表面积、反应器大小和运行时间等不同，所报道的电位也是不同参考状态的数据，有时候只使用单独负载（电阻）。

各种运行条件，有时候缺少关键数据如内阻或功率密度（极化曲线中获得），因此难以解读和比较这些系统的结果[26]。

由于报道的数据千变万化，因此需要统一数据的采集和报道方式。

我们私下收到了许多研究人员的求助，询问MFC构造和材料提供商的详细信息，这表明，一篇文章中有必要给出这类信息的详细来源。

所以本文中，我们综述了已有的MFC类型，给出构造材料的信息，提供相关的制造商（不过这得取得该公司的许可），描述了数据分析和报道的方法，以便那些感兴趣的研究人员复制该MFC和改进MFC技术。

更多的信息可见微生物燃料电池网站（www.microbialfuelcell.org）。

MFC设计

MFC构型可以有很多种（图2,3），广泛使用并且廉价的设计是双室MFC，呈‘H’型，包含两个由管连接的瓶子，管内含有阳离子交换膜（CEM）如Nafion[12,13,23,27]，或Ultrex[18]，或直接用盐桥连接[27]（图2a、f）。

该设计的关键是选择膜使得质子可以在两室间转移（CEM也叫质子交换膜，PEM），但不允许底物和电子受体（典型的如氧气）的转移。

在‘H’构型中，膜被夹在管中间（图2f），但是，管本身并非必要的。

只要两室保持隔离，可将两室直接压在PEM上，产生大的比表面积（图2b）。

将玻璃管加热后弯曲成U型，并填充琼脂和盐溶液（起到PEM的作用），连接两个瓶子是个低成本的方法（图2a）。

由于内阻很大，盐桥MFC产电很低。

‘H’构型系统可用于参数研究，如检验新材料的产电，降解特定底物的微生物种群。

但是其功率密度很低，这类系统的产电受阴极面积/阳极面积[28]、膜面积[29]等的影响。

产电受限于高内阻和电极损失（如下），只有在电极大小相当、膜面积相当的情况下，这类系统的产电比较才有意义[29]。

铁氰化物作为阴极电子受体可提高功率密度，相比Pt催化剂+溶解氧（NafionCEM膜H型反应器），铁氰化物使得功率密度提高了1.5-1.8倍[29]。

目前为止报道的最大功率密度的MFC系统是以铁氰化钾为电子受体的低内阻系统[6，18]。

尽管铁氰化物是优秀的阴极电解液，但是由于需要化学再生，在实际应用中是不可持续的，因此，铁氰化物仅限于实验室基础研究。

对于阴极使用氧气的MFC，阴极并不一定要放到水里或单独的室中。

无论有膜还是无膜[30]，都可将阴极直接与空气接触（图2e，3c，3d）。

在有的系统中，将高岭土基的分离层与石墨阴极粘结，形成分离层-阴极的联合结构[31]。

空气阴极代替水性阴极可极大提高功率密度（氧气为电子受体），最简单的构型是在管状物两端放置阴阳极，阳极的外侧用平板密封，阴极的外侧暴露于空气，阴极内侧与水接触（图2e）。

这类空气阴极系统中也可以加入PEM，不过其主要作用是阻止水的外泄（过阴极），同时可以减少氧气向反应器的扩散，因为氧气扩散进阳极室可被微生物利用，导致库伦效率降低（定义为回路收集到的电量与理论最大回收电量的比值，如下）[30]。

静水压强使得阴极可能发生漏水，但可以通过在阴极外侧涂抹聚四氟乙烯（PTFE），允许氧气的通过，但阻止重力水流失[32]。

为提高功率密度或适配连续流运行（以上的系统都是序批运行），可对这些基础设计做出改进。

有外部圆柱形，中间管状阴极[33，34]（图3d）；内部圆柱形（含石墨的阳极），外部阴极[35]（图3a）；还有的设计成上向流固定床生物膜反应器，连续流通过多孔阳极室，过膜后进入阴极室[36]（图3b）；有的系统设计类似于氢燃料电池，即阳极、膜和阴极压在一起（图3c）。

为了提高MFC的总电压，可将盘状的反应器串联[25]（图3e）。

沉积物MFC

将一个电极放进富含有机物和硫化物的海底沉积物中，另一个电极悬放在上部含氧水体中，所产生的电力足以驱动一些海洋设备[37，38]。

以海水传导质子可产生28mW/m2的功率密度，石墨盘可作为其电极[12，37]，铂网电极也有使用[38]，由于‘瓶刷’状电极比表面积高，由不腐蚀材料制成，在海水电池这类无人值守系统中的应用极具前景[39]。

也有研究将沉积物放进‘H’型双室反应器，其目的是研究微生物群落[12]。

改进MFC用于产氢

在阳极微生物所产生的电位基础上，通过外电源给予微弱的辅助电压（＞0.25V），可实现阴极产氢[40-43]。

这些反应器被称作生物电化学辅助微生物反应器（BEAMR）或生物催化电解系统，不过并非真正的燃料电池，因为其运行目的是产氢而非产电。

通过以上MFC设计改进的描述，可创造出许多新的产氢系统（包含一个产氢室）。

建造材料

阳极

阳极材料必须具备导电、生物友好和在电解液中保持化学稳定等特点。

可使用金属阳极如不锈钢网[44]，不可使用铜材料，因为对细菌而言，即使微量的铜离子也具有毒性。

使用最广泛的是碳基材料，如致密石墨板、石墨棒、石墨颗粒，纤维材料（碳毡、碳布、碳纸、碳纤维、碳泡沫），或是玻璃碳。

有许多碳材料供应商，如E-TEK，ElectrosynthesisCo.Inc.（USA），GEEGraphiteLimited，Dewsbury（UK），Morgan，Grimbergen（Belgium），Alfa-Aesar（Germany）。

最简单的阳极材料莫过于石墨板或石墨棒了，因为这些材料廉价，易操作，且有确定的表面积。

表面积更大的碳材料是石墨毡（0.47m2/g）[13，14]，不过并非所有的表面积都可被细菌利用。

碳材料如纤维、纸、泡沫和布被广泛用作电极，研究表明[46]，产电随着电极的总内部表面积增加而增加，顺序为碳毡＞碳泡沫＞石墨。

使用其他致密材料可明显提高表面积，如网状玻璃碳（可提供不同孔径），或填充碳颗粒（珠）的层状电极[35，48]。

这两种材料的多孔性对于防止堵塞是很重要的，生物膜生长和流体中的颗粒对以上材料表面的长期作用有待研究。

为了提高阳极性能，可进行多种物化处理。

Park等[31]混合Mn（Ⅳ）、Fe（Ⅲ）并与中性红共价键连接实现电子向阳极的转移。

电催化材料如聚苯胺/Pt复合材料可通过直接氧化微生物代谢产物提高产电[49-51]。

引导水流通过阳极材料可提高产电。

Cheng等[52]发现在空气阴极MFC中，水流直接穿过碳布进入阳极室，同时减小电极间距由2cm到1cm，功率密度由811升高至1540mW/m2（基于阴极投影面积进行标准化）。

可能的原因是限制了溶解氧的扩散，同时对流也协助了质子向阴极的扩散。

在上向流UASB-MFC[36]或颗粒填充阳极-铁氰化物阴极反应器[35]中使用RVC可提高产电，外源介质反应器中也可以使水流通过阳极[48]。

阴极

由于性能优秀，MFC中常用铁氰化钾（K3[Fe（CN）6]）作为电子受体[31]。

铁氰化物的最大优势是使得平板碳阴极的过电位很低，从而阴极的工作电位接近开路电位。

最大的劣势是铁氰化物无法被氧气充分再氧化，导致阴极电解液经常要更换[35]，而且反应器的长期运行可能会导致铁氰化物向阳极室扩散。

氧气是MFC的理想电子受体，是因为氧气的氧化电位高，廉价易得，可持续，无污染产物产生（水是最终产物）。

阴极材料对MFC性能影响很大，根据应用的不同，阴极可有很多变化。

对于沉积物MFC，可将平板石墨电极放置于沉积物上方的海水中[38]。

由于碳平板电极的氧气还原反应动力学很慢，导致过电位很高，这些电极限制了非催化材料的应用。

海水中，微生物辅助碳阴极上的氧还原反应[19，20]，不锈钢阴极也有同样的发现，生物膜辅助可极大提高氧还原速率[53]。

Pt催化剂被广泛用来提高溶解氧-阴极[37]或空气-阴极[34，48]的氧还原速率，为降低成本，Pt含量可被降低至0.1mg/cm2[54]。

Pt的长期运行稳定性还有待研究，且急需低成本催化剂。

最近，涌现出了如热解Fe（Ⅱ）酞菁染料、CoTMPP等非贵金属催化剂[54，55]。

膜

大多数MFC设计中使用了CEM分离阴阳极室，也有例外，如沉积物MFC中，沉积物相当于天然的隔离层[37]，或是特殊设计的单室MFC（30，32）。

广泛使用的CEM是Nafion（DupontCo.,USA）膜，替代品有UltrexCMI-7000[6]，且比Nafion更实惠。

在MFC使用膜的注意点是化学物质如氧气、铁氰化物、其他离子和有机物可能会过膜传输，离子交换膜市场在持续发展，膜对MFC性能的影响以及长期运行稳定性需要系统的研究[56]。

MFC产电基础

热力学与电动势

只有总反应在热力学上可自发进行，MFC才可能产电。

可用吉布斯自由能（焦耳，J）来评价反应过程，其含义是反应可做的最大功[57，58]，如下式计算：

其中，ΔGr（J）是特定条件下的吉布斯自由能；ΔGr0（J）是标准状态下的吉布斯自由能（298.15K，1bar，所有组分浓度1M，气体常数R=8.31447Jmol-1K-1，）；T（K）是绝对温度；Π（无单位）是反应商，即为反应产物的活性与反应物活性的比值。

标准吉布斯自由能是由有机物在水中形成的能量计算得到，可从各种渠道获得[59-61]。

对MFC计算而言，用总电池电动势（Eemf，V）来评价反应过程更方便。

Eemf是阴阳极的电位差，与电池所做功W（J）有关，如下：

其中，Q=nF是反应的转移电量，以库伦（C）计，根据反应转移电子数确定，n是每mol反应物的转移电子数，F是法拉第常数（9.64853×104C/mol）。

联立以上两个方程可得到：

如果所有反应都在标准状态下进行，Π=1，那么：

其中，Eemf0（V）是标准电池电动势。

综合以上表达式，可得到：

该式的好处是当反应可自发进行时，值为正值，且直接给出了反应电动势值。

计算得到的Eemf是反应的上限值，由于各种电位损失，实际MFC产生的电位要低于该值（如下）。

标准电极电位

可用半电池反应分析MFC中的反应过程，或将总反应分为阳极和阴极反应。

根据国际理论与应用化学联合会（IUPAC）的约定，将标准电位（298K，1bar，1M）表示为还原电位，即反应方程式写成消耗电子反应[57]。

例如，阳极细菌氧化乙酸盐的反应为：

标准电位是相对于标准氢电极（NHE）的电位，NHE在标准状态下的电位为零（298K，PH2=1bar，[H+]=1M）。

为得到阳极的理论电位EAn，假定不同物质的activities等于其浓度，在实际状态下，利用式（5），对于乙酸盐的氧化（表1），可以得到：

对于阴极理论电位Ecat，考虑氧气为电子受体的情形，可写作：

阴极电解液各种各样，相应的电动势也变化很大。

例如，氧化锰和铁氰化物可代替氧气。

阴极pH可能变化，并会影响阴极电位。

根据不同状态下无机物[57]的标准电位以及式（9），可发现不同电解液产生的阴极电位从0.361V到0.805V。

电池电动势根据下式计算：

其中负号是因为阳极电位统一定义为还原反应的电位（尽管发生的反应可能是氧化反应）。

需要指出的是，只有当阴阳极pH相同时，式（10）的计算结果才和式（3）或式（5）的结果相等。

式（10）表明了，尽管MFC系统的阳极相同，不同的阴极条件（表1列出）将产生明显不同的电动势，功率输出也不同。

因此，MFC的功率密度与所选阴极息息相关，比较不同MFC的功率密度时，必须考虑到其阴极选择。

开路电压（OCV）

Eemf是热力学计算结果，并没有考虑内阻损失，而开路电压（OCV）是断路后可被检测到的数据。

理论上，OCV接近Eemf，实际上，由于各种电位损失，OCV明显低于Eemf。

例如，阴极使用氧气为电子受体的典型阴极电位约为0.2V（pH=7），远低于预期数值0.805V，表明阴极能量损失很大。

这样的能量损失通常称作过电位损失，也即平衡电位与实际电位之差，这个例子中就是0.605V（0.805V-0.2V）。

这表明了热力学计算的意义在于揭示能量损失的大小和本质。

降低MFC电动势的影响因素

理论上，MFC可达到的最大电压（Eemf）约为1.1V（如上）。

但是，由于各种损失，MFC的实际电压远低于理论值。

开路没有电流的情形，MFC产生的最大电压为0.8V[62]；通路有电流情形，目前为止，MFC的电压仍低于0.62V[35]。

总而言之，检测到的电压与Eemf的差值称为过电压，过电压是阳极过电位、阴极过电位、欧姆损失之和：

其中，∑ηa和|∑ηc|分别是阳极和阴极的过电位；IRΩ是总欧姆损失之和（与产生电流I和系统欧姆内阻RΩ成比例）。

电极过电位通常与电流相关，MFC中的电极过电位可粗略地分为：

（Ⅰ）活化损失；（Ⅱ）细菌代谢损失；（Ⅲ）传质或浓差损失（如下）。

MFC的检测电压与电流是线性函数关系（见如下极化曲线部分的内容），可表述为：

其中，IRint是MFC总内阻损失（与回路电流I和系统内阻Rint成比例）。

比较式（11）和式（12）可发现，开路情况下的阴阳极过电位包含在了OCV（式12）中，而与电流相关的电极过电位和欧姆损失则包含在IRint中。

当内阻Rint等于外阻Rext时，基于式（12）描述的MFC系统的功率输出最大[52]。

尽管Rint不仅包含RΩ，但这两者经常互换使用，即便如此，MFC研究人员也应当注意到这两者的不同。

可以从过电位和欧姆损失角度评估MFC的性能，或从OCV和内阻角度，或利用以下将要讨论到的各种技术来评估。

欧姆损失

MFC的欧姆损失（欧姆极化）包括电极及其连接线路的内阻（电子）、离子过膜（如果有）和过阴阳极电解液的内阻（离子）[63，64]。

最小化两极间距、使用低内阻膜材料、确保接头处接触良好、提高溶液导电性（在细菌可承受范围内）等措施可以减小欧姆损失，

活化损失

氧化还原反应存在活化能，电极上发生反应的物质之间进行电子传递时，即存在活化损失（活化极化）。

这些反应物可存在细菌表面，并在溶液中作为电子介体（图4）；也可以是阴极表面的最终电子受体。

活化损失在电流过低时很大，并随着电流密度的增加而逐渐增大。

通过增大电极表面积、提高电极催化效果、提高反应温度或在电极表面培养生物膜（s）等措施可以降低活化损失。

细菌代谢损失

细菌产生代谢能量的途径是：

通过电子传递链将电子从底物（低电位，如乙酸盐的-0.296V）中转移至最终电子受体（高电位，如氧气或硝酸盐）。

在MFC中，阳极是电子传递链的最终电子受体，其电位高低决定着从细菌代谢中获取能量的大小。

底物氧化还原电位与阳极电位的差值越大，从细菌代谢中获取的能量越大，但同时也降低了MFC可能产生的最大电压。

因此，为了实现MFC电压的最大化，阳极电位应尽可能的低（越负）。

但是，阳极电位过低会导致电子传递被抑制，底物发酵（如果可能）可能为微生物带来更大的能量。

低阳极电位的影响，尤其是可能存在的对功率稳定输出的影响有待于研究。

浓差损失

浓差损失（浓差极化）是指物质向（从）电极传质（的速率）限制了产电[63，64]。

由于化学物质向电极表面的传质速率（扩散）有限，当电流密度较大时便产生了浓差极化。

在阳极，氧化产物从电极表面的释放或还原物质向电极表面的传递都可能造成浓差损失，这使得阳极表面，氧化产物与还原产物的比率趋于增大，最终导致阳极电位的升高。

阴极发生的情况恰恰相反，浓差极化导致阴极电位降低。

大块液体中可能存在扩散梯度较差，传质差限制了底物向生物膜的流动，这是独立的一种浓差极化。

通过记录极化曲线，可以确定浓差极化的产生（如下）。

检测仪器

除了微生物系统传统的化学检测方法（如确定底物浓度和降解产物），MFC试验需要专用的电化学设备[6,30]。

多数情况，完全可以用与外电路并联的电压检测器、万用表、数据采集系统来测定电动势和电极电位。

阴阳极的电位差即为电池电动势，而电极电位只能是与电极放在同一室的参比电极的对比值[65]。

利用欧姆定律（I=Ecell/R）即可确定电路电流。

借助恒电位器可以更深入地解释生物电化学系统。

通过恒电位器，可以控制电极的电位或电流，从而研究电极在特定条件下的电化学反馈。

恒电位器通常用三电极体系启动，包含工作电极（阴极或阳极）、参比电极、对电极[65]。

对于MFC试验，恒电位模式常用来做伏安测试，即以一定扫描速率（V/s-1）变换工作电极（阳极或阴极）的电位。

如果只向一个方向扫描，则称为线形扫描伏安法（LSV）；如果扫描结束，继续向反方向扫描直至最初的电位，则称为循环伏安法（CV；图4B）。

通过伏安法可评价微生物菌种或菌团的电化学活性[6，16，50，51]，确定氧化还原活性成分的标准氧化还原电位[7]，试验新阴极材料的性能[55]。

采用两电极体系运行恒电位器可以获得极化曲线或确定欧姆内阻（电流中断法，如下，图4A）。

在两电极体系中，工作电极与阴极相连（负接线柱），对电极和参比电极同时与阳极相连。

配备频率响应分析器（FRA），恒电位器可完成更高级的检测，即电化学阻抗分析（EIS）[65]。

EIS检测中，低振幅的正弦信号被叠加到工作电极的施加电位上，大范围（典型的10-4-106）内变化正弦信号的频率，点绘出检测到的电极阻抗，最终可得到电化学系统的详细信息。

EIS可用来检测MFC的欧姆内阻和内阻[27，66]，使我们深入认识MFC运行。

EIS数据解析相当复杂，因此这里不再深入介绍EIS技术。

计算、数据报道步骤

电极电位

电极电位（阳极或阴极）的确定只能通过检测与已知电位电极的差值来计算，如参比电极。

参比电极中含有不同相、恒定组分的几种物质[65]，因此其电位恒定。

标准氢电极（SHE或NHE）中，铂电极插在含饱和氢气的酸性溶液中，所有组分都是一个单位，此时NHE电位为0。

由于NHE在实际实验装置中并不实用，通常使用其他参比电极。

MFC试验最常用的是银-氯化银（Ag/AgCl）参比电极。

在25℃的饱和氯化钾溶液中，Ag/AgCl参比电极电位为+0.197V（vsNHE）。

饱和甘汞电极（SCE，0.242VvsNHE）可用于MFC试验，不过并不常用。

通常，pH值对电极电位有很大的影响，因此有必要指出溶液的pH值。

对于文献报道，最好报道相对NHE的电极电位值，但实际上，文献经常汇报成相对实际使用参比电极的电位（如vsAg/AgCl）。

综合以上不同的方法，电极电位可因电极材料、pH、阴极电子受体的浓度的不同而千变万化。

例如，pH=7，典型的阳极电位为-0.2V~-0.28V（NHE），相当于-0.4V~-0.48V（Ag/AgCl）。

pH=7，典型的阴极电位为0.3V~0.1V（NHE），相当于0.1V~-0.1V（Ag/AgCl）。

功率

MFC总体性能可有很多方法评估，但是，主要有功率输出和库伦效率。

功率计算如下：

通常，电压是通过外电路的定值电阻（Rext）测定，电流由欧姆定律计算（I=Ecell/Rext）。

因此：

这是直接检测到的产电，而最大功率是根据极化曲线计算的（如下）。

功率密度

通常将功率基于反应器某特征标准化以实现不同系统之间的比较。

由于某些反应器并非为产电而设计，因此，用于标准化的参数的选择依赖于具体应用。

因为阳极是生物反应场所，所以经常基于阳极投影表面积将功率标准化[6，31，34，67]。

因此，基于阳极面积（AAn）的功率密度（PAn，W/m2）可计算如下：

但是，很多情况下，阴极反应是产电的限速步骤[30，32]，或阳极是难以计数表面积的材料（如颗粒材料[35]），此时，可用阴极面积标准化功率（Pcat）。

需要指出所有组分的投影表面积，比表面积（如果已知）以及确定方法。

为了对反应器大小和成本进行工程计算，与其他化学燃料电池对比，也可将功率基于反应器体积标准化，即：

其中，Pv是体积功率密度（W/m3），v是反应器总体积（如空床体积）。

空床体积的使用与环境工程中基于反应器总体积进行计算的传统一致。

基于总体积比较双室和单室反应器并不合理，因为空气阴极系统并没有“第二室”，此时，可基于阳极室的体积来比较。

若反应器协同运行，如一系列反应器堆栈，需将用于阴极的空气体积（或电解液体积）计算在总体积内。

因此，需明确指出用于计算的体积来源，单室的体积数据也应给出。

电流中断法测定欧姆内阻

有电流（译注：

连同外电路）条件下运行MFC，不发生浓差损失，用电流中断法可测定MFC的欧姆内阻（RΩ）[63，64]。

接着，断开外电路（导致电流为0，相当于外阻极大），可发现电位陡然升高（ER，图4A，电动势为2+3），随后电位进一步缓慢增加（EA，图4A电动势1+4）直至OCV，断电瞬间的陡增电位数据需高速采集（达μs级别）[64]。

欧姆损失（IRΩ）与产生电流、欧姆内阻成正比，当电流中断，欧姆损失瞬间消失，因此导致断开电路之前，与欧姆内阻（RΩ）、电流（I）成正比的电位（ER）陡增（图4A，2、3段）。

利用欧姆定律，估算RΩ=ER/I，电位陡增之后，缓慢增加（EA）至OCV的电位是产电过程的电极过电位。

极化曲线

极化曲线是燃料电池分析和描述的有力工具[