CN103063714A - 一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统及测试方法，所述的测试系统包括印刷电路板、负载电路、正弦信号发生电路、数据采集模块和数据处理模块，所述的印刷电路板代替阳极板安装在燃料电池上，所述的负载电路和正弦信号发生电路均与印刷电路板连接，所述的数据采集模块的两端分别连接负载电路和正弦信号发生电路，所述的数据处理模块与数据采集模块连接；所述的测试方法为：印刷电路板将燃料电池分割成若干个分区，正弦信号发生电路对燃料电池的每个分区施加正弦微扰，数据采集模块实时采集各分区阻抗的频率响应信号，数据处理模块计算得到每个分区的交流阻抗。与现有技术相比，本发明具有能够实现在线实时测试、测试频率范围宽等优点。

Description

一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池的性能检测系统和方法，尤其是涉及一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统及测试方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，它不受卡诺循环限制，具有能量转换效率高、无污染、噪声低、积木性强、比功率等高优点。燃料电池中水管理与热管理是紧密关联互相耦合的，有效的水热管理对于提高电池的性能和寿命起着关键作用。通过分析不同区域的交流阻抗有助于研究燃料电池内部不同区域的水热分布。因此设计测试燃料电池内部不同区域的交流阻抗的系统，对优化燃料电池的水热分布，并提高燃料电池的性能以及耐久性有重大的实际意义。

燃料电池可以等效为一个理想电压源和一个广义内阻串联的电学模型，其交流阻抗是衡量电子和质子在电极内传输难易程度的主要标志，也是决定电堆发电效率的关键参数。燃料电池分区交流阻抗分布是燃料电池中水含量分布、局部反应不均匀的综合体现。燃料电池内部水热分布不均，会导致反应物和电催化剂的利用率下降，降低电池效率并加速其老化，最终导致电池寿命的下降。因此建立一种燃料电池分区交流阻抗实时检测的系统，对于考察燃料电池内部水热分布、局部电化学反应情况、内部分区的一致性及优化燃料电池的水热操作条件等研究具有很大的指导意义。目前燃料电池内阻检测方法主要有断流法、交流阻抗法、极化曲线法、电化学阻抗谱法等，其中电化学阻抗谱法能获得全面的内阻信息，应用广泛。

电化学阻抗谱技术是通过对电化学体系施加一种正弦微扰，然后测量产生的电流响应的振幅和相移，该测量可以在相当宽的频率范围内进行，从而得到阻抗谱法图。之后可以通过建立对应于被测体系物理模型的等效电路模型，来研究电化学体系的电气特性同电池内部实际三传一反的对应关系，借助数学手段拟合进行定量分析和解释。信号振幅的大小既要达到辨识系统对信号强度的要求，同时还不能破坏电化学体系的线性相关性。交流阻抗测量通常是通过施加一个小的正弦电压微扰V(t)＝V₀cos(wt)，然后监控系统的电流响应

存以上的表达式中，V(t)和i(t)表示时间t时的电势和电流，V₀和i₀是电压信号和电流信号的振幅，w是角频率。角频率和频率f的关系是w＝2πf。

一般情况下，系统的电流响应相对于电压微扰会产生相位变化。这种相位效应用相移

来描述。阻抗Z是随时间变化的电压和随时间变化的电流比值：

另外1，我们也可以用复数形式把系统的阻抗响应表述为实部和虚部：

因此，一个系统的阻抗可以用阻抗数Z₀和相移来表示，或用一个实部和一个虚部来表示。如果以上实部为横坐标，虚部为纵坐标建立坐标系，可以获得不同交流信号频率的阳抗值，称之为Nyquist图，并对应于特定的等效电路；如果以log(f)为横坐标，以log|Z|或

为纵坐标，其对应关系称之为Bode图。两种谱图唯一对应。

目前发表的专利及论文中尚未见燃料电池分区交流阻抗测试方面的内容，已有的文献主要是关于燃料电池整体交流阻抗的测试。因此建立一种燃料电池分区交流阻抗实时检测的系统，对于考察燃料电池内部水热分布、局部电化学反应情况、内部分区的一致性及优化燃料电池的水热操作条件等研究具有很大的指导意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够实现在线实时测试、测试频率范围宽的燃料电池分区交流阻抗在线测试系统及测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，所述的燃料电池包括依次连接的阳极板、膜电极和阴极板，所述的测试系统包括印刷电路板、负载电路、正弦信号发生电路、数据采集模块和数据处理模块，所述的印刷电路板代替阳极板安装在燃料电池上，所述的负载电路和正弦信号发生电路均与印刷电路板连接，所述的数据采集模块的两端分别连接负载电路和正弦信号发生电路，所述的数据处理模块与数据采集模块连接；

印刷电路板将燃料电池分割成若干个分区，正弦信号发生电路对燃料电池的每个分区施加正弦微扰，数据采集模块实时采集各分区阻抗的频率响应信号，数据处理模块根据频率响应信号计算得到每个分区的交流阻抗。

所述的印刷电路板包括由上而下设置的分区流场层和分区测试层，所述的分区流场层上设有阳极流场，该分区流场层与膜电极连接，所述的分区测试层分别连接负载电路和正弦信号发生电路。

所述的阳极流场由若干个相互绝缘的子流场组成。

所述的分区测试层由若干个导线组成，每个导线的两端分别连接负载电路和正弦信号发生电路。

所述的子流场的个数与导线的个数相等。

所述的数据处理模块包括计算机。

一种燃料电池分区交流阻抗在线测试方法，包括以下步骤：

1)印刷电路板代替阳极板安装在燃料电池上，并将燃料电池分割成若干个分区；

2)向燃料电池供给燃料和氧气，使其开始工作；

3)负载电路给燃料电池加载使其稳定工作；

4)正弦信号发生电路对燃料电池的每个分区施加待测频率的正弦微扰；

5)燃料电池稳定工作后，数据采集模块实时采集各分区阻抗的频率响应信号，并传输给数据处理模块；

6)数据处理模块根据接收到的各分区的频率响应信号计算每个分区的交流阻抗；

7)改变正弦信号发生电路的频率，重复步骤4)至6)，获得不同频率下的分区交流阻抗。

所述的步骤6)中计算每个分区的交流阻抗的具体步骤为：

61)数据处理模块接收数据采集模块传输的频率响应信号，包括各分区的电压和电流波形信号；

62)数据处理模块对所获得的各分区的电压和电流数据进行快速傅立叶变换；

63)用各分区电压数据的傅立叶结果除以对应分区的电流数据傅立叶结果以得到分区交流阻抗。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过了解内部不同区域的阻抗分布情况，有利于了解燃料电池内部的水热分布，有效的水热管理对于提高电池的性能和寿命起着关键作用。

2)本发明在不破坏燃料电池内部结构的前提下，利用印刷电路板技术实现燃料电池多个分区交流阻抗的测试，而且测试系统能够实现在线测试，实时监控燃料电池分区阻抗。

3)本发明采用的印刷电路板是一块多层的印刷电路板，其具有实现分区阻抗在线测试的功能，它不仅起到替代阳极流场功能，而且实现分区相互绝缘功能。

4)本发明建立的燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，对于考察燃料电池内部物质传递与局部电化学反应耦合的变化规律、燃料电池分区的一致性及优化燃料电池的水热操作条件等研究具有很大的指导意义。

5)本发明测试系统使用的电化学阻抗法能获得全面的内阻信息，可测定的频率范围很宽，因而可以比常规电化学方法得到更多的动力学信息和电极界面结构信息。

附图说明

图1为本发明测试系统的电路原理图；

图2为本发明测试系统中印刷电路板的结构图；

图3为本发明测试系统中印刷电路板的安装示意图；

图4为本发明方法的流程图；

图5为本发明燃料电池分区示意图；

图6为本发明分区交流阻抗测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，燃料电池包括依次连接的阳极板、膜电极和阴极板5，测试系统包括印刷电路板1、负载电路2、正弦信号发生电路3、数据采集模块4和数据处理模块，印刷电路板1代替阳极板安装在燃料电池上，负载电路2和正弦信号发生电路3均与印刷电路板1连接，数据采集模块4的两端分别连接负载电路2和正弦信号发生电路3，数据处理模块与数据采集模块4连接。印刷电路板1将燃料电池分割成若干个分区，每个分区均连接有负载电路2、正弦信号发生电路3和数据采集模块4。

如图2所示，印刷电路板1包括由上而下设置的分区流场层11和分区测试层12，分区流场层11上设有阳极流场，该分区流场层11与膜电极连接，阳极流场由若干个相互绝缘的子流场组成，使每个分区产生的电流从印刷电路板流场层对应分区流出，防止其互相传导。

分区测试层12由若干个导线组成，每个导线的两端分别连接负载电路2和正弦信号发生电路3。子流场的个数与导线的个数相等，即为燃料电池的分区数。

图3为印刷电路板的安装示意图，将印刷电路板代替阳极板安装在燃料电池内部，形成从左到右依次为印刷电路板1、膜电极、阴极板5的燃料电池系统，膜电极包括质子交换膜6和设置在质子交换膜6两侧的催化层和扩散层7。

负载电路2通过印刷电路板中的导线与燃料电池的每个分区相连，从而给燃料电池加载，使其在一定直流电流下稳定工作。

正弦信号发生电路3通过印刷电路板中的导线，与燃料电池的每个分区相连，从而给各个分区施加正弦微扰。

数据采集模块与数据处理模块通过测量燃料电池各个分区阻抗的频率响应信号，经过计算，得出燃料电池的分区阻抗大小。

如图4所示，一种燃料电池分区交流阻抗在线测试方法，具体步骤包括：

1)将印刷电路板代替燃料电池阳极板安装在燃料电池上，测试面积25cm²，将燃料电池分割成25个分区，每个分区通过导线引出，与外电路形成测试回路；

2)启动测试系统，给燃料电池供给100mL/min的氢气和830mL/min的空气，氢气过量系数1.4，空气过量系数2.5，电池工作温度60℃，加湿温度60℃，氢气、空气加湿100％，进气压力200KPag，无背压，负载电路通过印刷电路板给燃料电池整体施加5A负载，使其稳定工作；

3)正弦信号发生电路给每个分区施加一个频率可变的10mV的正弦波电压微扰；

4)数据采集模块采集各个分区交流阻抗的频率响应信号并传输经数据处理模块，采集频率范围为100mHz～100KHz；

5)数据处理模块通过计算得到燃料电池各个分区的交流阻抗，从而得到分区阻抗谱图；

6)改变正弦信号发生电路的频率，重复步骤3)至5)，获得不同频率下的分区交流阻抗。

所述的步骤5)中计算每个分区的交流阻抗的具体步骤为：

1)数据处理模块接收数据采集模块传输的频率响应信号，包括各分区的电压和电流波形信号；

2)数据处理模块对所获得的各分区的电压和电流数据进行快速傅立叶变换；

3)用各分区电压数据的傅立叶结果除以对应分区的电流数据傅立叶结果以得到分区交流阻抗。

图5为本发明燃料电池分区示意图，即燃料电池阳极5×5的分区结构，其中编号的是要测试交流阻抗的分区。如图5所示燃料电池25个分区结构示意图，每个分区1cm2，其中要测试交流阻抗的9个点分区都编号(1、2、3.....9)，其中分区2是气体入口区，分区8是出气口区。

图6为本发明分区交流阻抗测试结果图，图中，横坐标为阻抗的实部(Ohm为单位Ω)，纵坐标为阻抗的虚部。通过本发明测试系统测得的9个点的分区交流阻抗及平均阻抗，由分区阻抗图谱可以看出各个分区的交流阻抗是不一样的。分区交流阻抗实部起始位置在0.25mΩ左右，即燃料电池的欧姆损耗，圆弧中间横坐标距离表示燃料电池阳极活化损耗和阴极活化损耗，大约在0.3～0.4mΩ左右。其中分区5的欧姆损耗相比其他分区较大，这可能是由于中间水含量较大，淹没了部分扩散层使得燃料及氧气到达反应区域物质的量变少，使得燃料电池中间易产生水淹，降低了燃料电池的性能。分区8的交流阻抗实部比较大，可能是由于出气口水含量高，而且反应物质浓度低，造成出口分区交流阻抗较大。由此可以看出研究燃料电池内部交流阻抗分布对优化燃料电池的水热管理有十分重要的意义。

Claims (8)

1.一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，所述的燃料电池包括依次连接的阳极板、膜电极和阴极板，其特征在于，所述的测试系统包括印刷电路板、负载电路、正弦信号发生电路、数据采集模块和数据处理模块，所述的印刷电路板代替阳极板安装在燃料电池上，所述的负载电路和正弦信号发生电路均与印刷电路板连接，所述的数据采集模块的两端分别连接负载电路和正弦信号发生电路，所述的数据处理模块与数据采集模块连接；

印刷电路板将燃料电池分割成若干个分区，正弦信号发生电路对燃料电池的每个分区施加正弦微扰，数据采集模块实时采集各分区阻抗的频率响应信号，数据处理模块根据频率响应信号计算得到每个分区的交流阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的印刷电路板包括由上而下设置的分区流场层和分区测试层，所述的分区流场层上设有阳极流场，该分区流场层与膜电极连接，所述的分区测试层分别连接负载电路和正弦信号发生电路。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的阳极流场由若干个相互绝缘的子流场组成。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的分区测试层由若干个导线组成，每个导线的两端分别连接负载电路和正弦信号发生电路。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的子流场的个数与导线的个数相等。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的数据处理模块包括计算机。

7.一种如权利要求1所述的燃料电池分区交流阻抗在线测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)印刷电路板代替阳极板安装在燃料电池上，并将燃料电池分割成若干个分区；

2)向燃料电池供给燃料和氧气，使其开始工作；

3)负载电路给燃料电池加载使其稳定工作；

4)正弦信号发生电路对燃料电池的每个分区施加待测频率的正弦微扰；

5)燃料电池稳定工作后，数据采集模块实时采集各分区阻抗的频率响应信号，并传输给数据处理模块；

6)数据处理模块根据接收到的各分区的频率响应信号计算每个分区的交流阻抗；

7)改变正弦信号发生电路的频率，重复步骤4)至6)，获得不同频率下的分区交流阻抗。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试方法，其特征在于，所述的步骤6)中计算每个分区的交流阻抗的具体步骤为：

61)数据处理模块接收数据采集模块传输的频率响应信号，包括各分区的电压和电流波形信号；

62)数据处理模块对所获得的各分区的电压和电流数据进行快速傅立叶变换；

63)用各分区电压数据的傅立叶结果除以对应分区的电流数据傅立叶结果以得到分区交流阻抗。

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