CN101470148A - 一种燃料电池内阻的测量方法 - Google Patents

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肖钢
侯晓峰
孙永欣
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池内阻的测量方法，其特征在于所述的方法包括下述步骤：在燃料电池MEA两侧以0.001－10L/min的流速通入氢气，10－20分钟后接通恒流源和电压表，调节恒流源的电流为0.1－10A，4－10分钟后读取电压表电压值V1；切换恒流源的电流方向，4－10分钟后读取电压表电压值V2；计算平均值V＝(V1+V2)/2，根据欧姆定律R＝U/I计算得到膜电极的内阻R。该方法具有简单易行、测试结果准确的优点，属于燃料电池内阻测试领域。

Description

一种燃料电池内阻的测量方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池内阻的测量方法，具体涉及一种燃料电池电堆内阻的测量方法
背景技术
燃料电池是藉由电池内发生燃料燃烧反应而将化学能转换为电能的装置，负极除作为燃料与电解质的共同界面，还催化燃料的氧化反应；而正极则为氧气与电解质的共同界面，还催化氧的还原反应。燃料电池因电解质不同分为磷酸型(PAFC，phosphate fuel cell)、熔融碳酸盐型(MCFC，melt carbonate fuel cell)、固态氧化物型(SOFC，solidoxide fuel cell)和质子交换膜型(PEMFC，proton exchange membrane fuel cell)。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)可在低温环境下工作，由于其使用固态电解质，因此能应用在需要可移动性能源的产业上，例如汽车产业与电子3C产业，是目前所有燃料电池种类中最受关注的一种。质子交换膜燃料电池的核心元件包括膜电极组(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)、气体扩散层与导电双极板。而膜电极组是由触媒电极与质子传导膜组装而成。
燃料电池总电阻是影响它对外输出的重要因素，对它的测量也是非常重要的。为了评价燃料电池的电效率，需要测定其内部电阻。通常，当前的燃料电池测量方法通过在其运行范围上运行电池组来评估燃料电池性能，获得VI曲线。这种测试尚未在应用环境中实施，因此在本质上被限定在试验室类型环境。
测量燃料电池内部电阻的方法，主要有电流中断法和交流阻抗法。电流中断法的优点是比较简单，但只能测量由于欧姆极化引起的电阻，由于存在负荷电缆的电路阻抗所引起的电涌电压和噪声，所以难以准确测量。为消除极化现象，可以采用交变电流来进行测试，其原理是：对电化学体系施以小振幅的对称的正弦波电信号扰动并同时测量其响应，响应信号与扰动信号的比值称阻抗或导纳。测出不同频率的阻抗实部和虚部，得到一系列数据点，构成阻抗谱图，通过对阻抗谱图分析可以计算膜的电阻R。由于电极中的电解质在交变电场的作用下。在平衡位置作简谐振动，正、负离子不会长时间向一个方向移动，同时交变电场也使电极上的双电荷层减少，因此减小了极化的影响。但测试时间较长，设备昂贵。由于电池的内阻很小，测量的精度较高，一般需要控制在正负5％以内，因此对设备精度的要求较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易行、测试结果准确的燃料电池内阻的测量方法。
为实现发明目的，本发明采用下述技术方案：
在燃料电池MEA两侧以0.1—10L/min的流速通入氢气，10—20分钟后接通恒流源和电压表，调节恒流源的电流为0.001—10A，4—10分钟后读取电压表电压值V1；切换恒流源的电流方向，4—10分钟后读取电压表电压值V2；
计算平均值V＝(V1+V2)/2，根据欧姆定律R＝U/I计算得到该电流值下的膜电极的内阻R。
所述氢气为饱和加湿的氢气。
所述燃料电池为单片堆或多片堆。
本发明提供的燃料电池内阻的测量方法采用氢泵的原理，即氢气在燃料电池膜电极MEA正极失去电子变成氢离子，氢离子在电场作用下迁移到外加电源的负极得到电子重新生成氢气。在燃料电池膜电极MEA两侧同时通入氢气，氢气就会从膜电极的一侧转移到另一侧。测定的燃料电池内阻包括反应电阻，膜内阻和接触电阻。电池的内阻受电化学反应和膜内阻的共同影响，在低电流下内阻会偏大，提高电流一方面减少电化学极化对测量结果的影响，另外是提高电流能够减少系统误差。所以为了提高测量的准确度，需要按照本发明提供的方法测定在不同电流值条件下的燃料电池内阻。当在一定范围内的电流值条件下测定的燃料电池内阻变化较小时，即可将其认定为燃料电池的内阻。为了进一步证实本发明提供的方法测试结果的准确性，本发明的发明人设计了对比例，其采用詹姆斯，安德鲁.燃料电池系统原理，设计，应用[M].北京：科学出版社，2006.35～42.提供的方法测试实施例5的膜电极。结果表明，实施例5的测定结果与对比例测定的结果一致，但是本发明测试方法只需要使用恒流源和电压表，测试方法简单快捷，因而与现有技术相比具有显著的进步。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
把单片堆PU管连接好，打开活化台氢气，氢气流量为0.1L/min，10分钟后将恒流源的两个电极加到电堆的接线处，并把电压表的两端加到电堆接线处，调节恒流源的电流值为1mA，5分钟后读取电压值V1为0.26mV；切换恒流源电流方向，稳定5分钟后，读取电压表数值V2为0.26mV，计算平均值V＝(0.26+0.26)/2＝0.26mV，根据欧姆定律R＝U/I计算得到该电流值下的膜电极的内阻R为260mΩ。依照上述方法分别测定10mA，100mA，1A，10A条件下该燃料电池的电阻，结果见表1。
表1  电压测试结果及燃料电池的内阻值
 
序号 电流 电压(mV) 内阻(mΩ)
1 1mA 0.26 260
2 10mA 0.16 16
3 100mA 0.82 8.2
4 1A 10.66 10.66
5 10A 125 12.5
分别在1A和10A测量12min观察电压变化，随着时间延长，电压逐渐增加，10分钟变化小于0.1mV，因此电压随时间变化很小，比较稳定，故在此条件下测定的燃料电池内阻是较准确的。其测试结果见表2。
表2  电流为1A和10A时随时间测定的电压值
 
时间 1min 5min 10min 12min
1A 10.69mV 10.72mV 10.76mV 10.80mV
10A 0.1348V 0.1358V 0.136V 0.1367V
实施例2
把单片堆PU管连接好，打开活化台氢气，氢气流量为1L/min，15分钟后将恒流源的两个电极加到电堆的接线处，并把电压表的两端加到电堆接线处，调节恒流源的电流值为10mA，4分钟后读取电压值V1为0.15mV；切换恒流源电流方向，稳定4分钟后，读取电压表数值V2为0.15mV，计算平均值V＝(V1+V2)/2，根据欧姆定律R＝U/I计算得到该电流值下的膜电极的内阻R为15mΩ。依照上述方法分别测定100mA，1A，3A，5A，8A，10A条件下该燃料电池的电阻，结果见表3。
表3  电压测试结果及燃料电池的内阻值
 
序号 电流 电压(mV) 内阻(mΩ)
1 10mA 0.15 15
2 100mA 0.8 8.0
3 1A 8.5 8.5
4 3A 24.9 8.3
5 5A 50 10
 
6 8A 84 10.5
7 10A 110 11
实施例3
把单片堆PU管连接好，打开活化台氢气，氢气流量为10L/min，20分钟后将恒流源的两个电极加到电堆的接线处，并把电压表的两端加到电堆接线处，调节恒流源的电流值为10mA，10分钟后读取电压值V1为0.17mV；切换恒流源电流方向，稳定10分钟后，读取电压表数值V2为0.17mV，计算平均值V＝(V1+V2)/2，根据欧姆定律R＝U/I计算得到该电流值下的膜电极的内阻R为17mΩ。依照上述方法分别测定100mA，1A，3A，5A，8A，10A条件下该燃料电池的电阻，结果见表4。
表4  电压测试结果及燃料电池的内阻值
 
序号 电流 电压(mV) 内阻(mΩ)
1 10mA 0.17 17
2 100mA 0.8 8.0
3 1A 8.6 8.6
4 3A 26 8.6
5 5A 55 11
6 8A 88 11
7 10A 115 11.5
实施例4
把单片堆PU管连接好，打开活化台氢气，氢气流量为5L/min，18分钟后将恒流源的两个电极加到电堆的接线处，并把电压表的两端加到电堆接线处，调节恒流源的电流值为10mA，8分钟后读取电压值V1为0.16mV；切换恒流源电流方向，稳定8分钟后，读取电压表数值V2为0.16mV，计算平均值V＝(V1+V2)/2，根据欧姆定律R＝U/I计算得到该电流值下的膜电极的内阻R为16mΩ。依照上述方法分别测定100mA，1A，3A，5A，8A，10A条件下该燃料电池的电阻，结果见表5。
表5  电压测试结果及燃料电池的内阻值
 
序号 电流 电压(mV) 内阻(mΩ)
1 10mA 0.16 16
2 100mA 0.82 8.2
 
3 1A 8.3 8.3
4 3A 25.8 8.6
5 5A 48.5 9.7
6 8A 84 10.5
7 10A 112 11.2
实施例5
采用CCM制备的膜电极，面积为50cm2，膜采用杜邦nafion211。把单片堆PU管连接好，打开活化台氢气，氢气流量为0.1L/min，10分钟后将恒流源的两个电极加到电堆的接线处，并把电压表的两端加到电堆接线处，调节恒流源的电流值为1A，5分钟后读取电压值V1为3.9mV；切换恒流源电流方向，稳定5分钟后，读取电压表数值V2为4.1mV，计算平均值V＝(3.9+4.1)/2＝4mV，根据欧姆定律R＝U/I计算得到该电流值下的膜电极的内阻R为4mΩ。
对比例
采用詹姆斯，安德鲁.燃料电池系统原理，设计，应用[M].北京：科学出版社，2006.35～42.提供的方法测试实施例5的膜电极。具体为：将单片采用正常气路连接，氢气露点温度和氧气露点温度设定为60℃，氢气和氧气的入口温度设定为70℃，电堆温度控制在70℃。将负载电流调到127A。测定单片电压为0.426V，计算堆的内阻为4.1mΩ.改变负载电流，记录电压的变化，根据电流阶越中断法测定电池的内阻为4mΩ。
可见实施例5采用的本发明的方法测定的结果与对比例测定的结果一致，但是本发明测试方法只需要使用恒流源和电压表，测试方法简单快捷，因而与现有技术相比具有显著的进步。
实施例6
测试10片单电堆串连而成的多片堆的内阻，将第一个单片堆PU管连接好，打开活化台氢气，氢气流量为5L/min，18分钟后将恒流源的两个电极加到电堆的接线处，并把电压表的两端加到电堆接线处，调节恒流源的电流值为10mA，8分钟后读取电压值V1为1.6mV；切换恒流源电流方向，稳定8分钟后，读取电压表数值V2为1.6mV，计算平均值V＝(V1+V2)/2，根据欧姆定律R＝U/I计算得到该电流值下的膜电极的内阻R为160mΩ。依照上述方法分别测定100mA，1A，3A，5A，8A，10A条件下该燃料电池的电阻R1，结果见表6。
表6  电压测试结果及燃料电池的内阻值
 
序号 电流 电压(mV) 内阻(mΩ)
1 10mA 1.6 160
 
2 100mA 8.5 85
3 1A 83 83
4 3A 260 86.6
5 5A 490 98
6 8A 850 106
7 10A 1030 103

Claims (3)

  1. 【权利要求1】一种燃料电池内阻的测量方法，其特征在于所述的方法包括下述步骤：
    在燃料电池MEA两侧以0.1—10L/min的流速通入氢气，10—20分钟后接通恒流源和电压表，调节恒流源的电流为0.001—10A，4—10分钟后读取电压表电压值V1；切换恒流源的电流方向，4—10分钟后读取电压表电压值V2；
    计算平均值V＝(V1+V2)/2，根据欧姆定律R＝U/I计算得到膜电极的内阻R。
  2. 【权利要求2】根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述氢气为饱和加湿的氢气。
  3. 【权利要求3】根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述燃料电池为单片堆或多片堆。
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