CN102128987A - 一种快速测定产电生物反应系统内部阻力的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速测定产电生物反应系统内部阻力的方法。该方法克服了常规极化曲线法在内阻测定过程中存在的耗时长、干扰严重以及难以准确反映系统瞬时状态等方面的问题。在本方法中，可变电阻被串联在反应系统的外电路中，通过测定可变电阻阻值变化时分配在其两端的电压变化，获得系统的U-I极化曲线；通过线性拟合计算曲线的斜率，得到系统的内阻值。为实现系统内阻的快速测定，可变电阻的初始值和调节范围被控制在系统总体阻力的10％以下，将电阻调节后的稳定时间减小到1min；同时内阻的单次测定过程，可变电阻的调节频次控制在6次，从而使内阻的单次测量用时仅为10min。本发明可应用于电压补偿式产电生物可渗透反应栅以及常规生物燃料电池系统内阻的测定。

Description

一种快速测定产电生物反应系统内部阻力的方法

技术领域

本发明涉及一种产电生物反应系统的内阻测定方法，可应用于电压补偿式产电生物可渗透反应栅以及常规生物燃料电池系统内阻的测定。

背景技术

目前，电池系统内阻的测定常见的有电流中断法、交流阻抗法、极化曲线法。电流中断法可以用来测定欧姆内阻，交流阻抗法只适合用应用在简单的电极反应体系中，这两种方法都可以用于暂态测定。目前在生物燃料电池的研究中应用最广的是极化曲线法，该方法通过测定外电阻改变时分配在外阻两端的电压U，并以公式I＝U/R_ext计算不同外阻下的电流I，通过U-I曲线的斜率得到反应系统的内阻值。由于这一方法的需要在一个宽幅范围内(1～10⁵欧姆)改变外电阻，每次改变外电阻后需要等系统稳定后才能读数，测最一次内电阻需要花费数小时不等，不仅费时，而且还有一些关键缺点。首先，在极化曲线测定过程中，大部分范围外电阻远远大于内电阻或与内电阻相当，当改变外电阻时，生物电极反应的状态即发生较大变化，对产电菌的生理特性和对溶液内部向电极表面的传质过程产生冲击，这样的冲击在短时间内很难保证被消除。目前用于测量电流电压的仪器的灵敏度和精度可以做得非常高，在实际内阻测量的实验中经常会观察到难以获得电流和电压稳定值的现象，为了尽可能获得可信的稳态数据，只能尽量延长读数时间。其次，由于整个测定时间需要花费相当长时间，所测定的内阻值实际上是整个测定时间内电阻的总体反映，不能用来表征反应器某个工作状态下的真实内电阻。另外，采用稳态极化曲线法不可避免地要对连续运行的生物系统带来长时间的冲击，不适合频繁地测定系统的内电阻，因此很难适应对实际的产电生物反应系统性能的监测与研究。

发明内容

为了克服极化区曲线法在内阻测定过程中存在的耗时长、干扰严重以及难以准确反映系统瞬时状态等方面的问题，本发明提出了一种准暂态的测定方法，可以快速、低干扰的实现产电生物反应系统内组的测量。

本方法的技术方案如下：在反应系统的外电路上串联一个可变电阻R_m，并使R_m＜＜R_int+R_out，其中R_int为系统的内电阻，R_out为内阻测定前的外电阻；改变R_m，以电压表测量R_m上的电压降U，并通过欧姆定理计算R_m上通过的电流I，可得：

U＝E-(R_ext+R_int)I                (1)

式中E为系统的电动势。根据式(1)绘出不同R_m下的U～I图，通过线性拟合即可以求出系统的电动势E和内电阻R_out。在该过程中，通过选取合适的R_m初始值及其调节区间，使外阻的变化范围控制在系统整体阻力的10％以下，一方面大大加快了内阻测定过程的速度，同时将这一过程对系统连续稳定运行状态的干扰显著降低。在R_m调节步长选择为10Ω，稳定时间为1min的条件下，单次内阻测定的用时在10min左右，测定前后系统输出电流的变化不超过20μA(测定前的电流值与测定完成后10min的电流值的差距)。

在本方法中，为确定R_m的初始值及调节范围，在内阻测定前，通过短暂断开系统外电路以电压表直接测得外电阻R_out的值，内电阻R_int则通过估测获得，用于选择合适的R_m，R_m＜＜R_int+R_out。内阻的估测方法是：依据已测定的R_out的值选取R_m’，使Rm’＜＜R_out；以R_m’为可变外阻的初始值，按照上文所述内阻测定方法即可测得系统内阻的估测值R_int’。在R_m的选取过程中，以R_int’替代R_int。

附图说明

图1是内阻测定电路的示意图，图中1为日常运行电路，2为内阻测定电路。

图2是内阻测定过程中U-I曲线。

具体实施方式

在本部分内阻的实际测定过程中，为便于操作，以测试电路直接替换了系统中的部分电路，包括电流检测器以及电路的外电阻(电流检测器的内阻)。测试电路由可变电阻箱以及并联的电压表组成，后者用于测定电阻箱两端的电压，见附图1所示。调节可变电阻箱的初始值，使其接近于原电路中外电阻的值，通过这种方式，测定电路的替换就相当于在外电路中串联一个可变电阻R_m，与前文所述是一致的。

内阻的具体测定步骤如下：将日常运行电路替代为内阻测定电路(见附图1)，调节可变电阻箱电阻为90Ω，稳定5min后开始用电压表测量并自动记录外电阻两端的电压，记录频率为1次/秒；以10Ω的调节步长不断减小电阻箱的电阻，每次调节后稳定1min。根据测量的电压计算测试电路的电流，并绘制极化电压～电流曲线，通过线性拟合，得到系统内阻。测定一次内阻需要包括初始阻值在内的六组外电阻及其对应的电压数据，一次完整的测量用时10min。

对系统内阻进行三次平行测定，其U-I曲线如附图2所示。内阻的三次测定结果分别为128.7Ω、129.5Ω和127.4Ω，平均值为128.5Ω，标准偏差仅为0.87。

Claims (5)

1.一种快速测定产电生物反应系统内部阻力的方法，将一可变电阻Rm串联于系统外部电路，通过检测Rm阻值变化时分配在其两端的电压，获得系统的极化曲线；通过计算极化曲线的斜率，得到反应系统的内阻值。其特征是：可变电阻的初始值及变化范围远小于系统的整体阻力；内阻的单次测定过程，可变电阻的调节频次控制在6次左右。

2.依照权利要求1所述的快速测定产电生物反应系统内部阻力的方法，其中所述的产电生物反应系统，包括：产电生物可渗透反应栅、电压补偿式产电生物可渗透反应栅以及常规的生物燃料电池系统。

3.依照权利要求1所述的快速测定产电生物反应系统内部阻力的方法，其中所述的串联于系统电路的可变电阻包括：直接串联常规商用可变电阻仪器，如可变电阻箱、滑变电阻等；通过自制电路变相串联可变电阻到系统电路，如利用包含可变电阻的测定电路直接替代外电路等。

4.依照权利要求1所述的快速测定产电生物反应系统内部阻力的方法，其中所述的可变电阻的初始值及变化范围，包括：直接串联可变电阻仪器时可变电阻的初始值及变化范围；变相串联可变电阻时系统整体外阻的变化值。

5.依照权利要求1所述的快速测定产电生物反应系统内部阻力的方法，其中所述的可变电阻的初始值及变化范围一般控制在反应系统整体阻力的10％以下。

Images