CN104597407A - 一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备及测试方法，燃料电池包括依次连接的阴极板、膜电极和阳极板，测试设备包括依次连接的分区性能检测PCB板、电化学工作站和数据处理器，分区性能检测PCB板设于阳极板与膜电极之间，分区性能检测PCB板包括多个独立的检测分区，检测分区与电化学工作站连接，电化学工作站与阴极板连接。与现有技术相比，本发明测试设备采用分区性能检测PCB板代替阳极板的方式，在不破坏燃料电池结构的前提下，该发明操作方便，施加的小负载及微扰能有效提升测量值精度的优点。

Description

一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备及测试方法

技术领域

本发明涉及一种阻抗测试技术，尤其是涉及一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备及测试方法。

背景技术

燃料电池汽车作为一种利用氢气和氧气反应化学能的新型的绿色能源汽车，具有能量转换率高，环境友好等优点。通过燃料电池内部分区阻抗研究可以了解到电池内部水热分布特征，进而有助于优化燃料电池流道以及操作条件，从而提升燃料电池性能。如何测量燃料电池的分区阻抗以及分区电流密度分布对于水热管理研究具有重要的作用。从而指导燃料电池的优化。国内现有测量燃料电池阻抗测试方法中，只能测量燃料电池的平均阻抗，无法了解电池中不同区域阻抗的差异性，对于研究电池中湿度分布情况以及水热管理等缺乏指导意义。因此建立一种燃料电池分区阻抗以及电流密度测试系统和方法对于考察燃料电池内部不同区域阻抗分布规律的变化情况、考察燃料电池局部分区电流密度、温度分布规律对分区阻抗分布、湿度分布的影响，进而提升燃料电池寿命，具有重要的意义。

目前在燃料电池分区阻抗测试装置和方法方面的研究较少。申请号为US8043754的美国发明专利公开了一种测量燃料电池阻抗的测试装置和方法，该装置包括阳极板、MEA、阴极分区流道板以及阴极分区集流板组合为燃料电池，其中阴极集流板可连接EIS测试装置，对燃料电池分区阻抗进行测量。该方法是使用顶针式接触进行燃料电池分区阻抗测试，对于MEA阻抗数量级仅为10mΩ的测量误差较大，而且操作比较复杂，采用仪器较多。本发明采用的是分区性能检测PCB板上，采用插入式燃料电池分区阻抗测试，具有操作方便，测量误差小等优点，并且能够测量分区电流密度分布。

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双功能燃料电池分区阻抗测试设备及测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备，所述燃料电池包括依次连接的阴极板、膜电极和阳极板，所述测试设备包括依次连接的分区性能检测PCB板、电化学工作站和数据处理器，所述分区性能检测PCB板设于阳极板与膜电极之间，所述分区性能检测PCB板包括多个独立的检测分区，所述检测分区与电化学工作站连接，所述电化学工作站与阴极板连接。

所述每个检测分区均包括电流传感电阻和温度传感电阻，所述电流传感电阻和温度传感电阻均与电化学工作站连接。

所述测试系统还包括负载电路，所述负载电路正负极分别与分区性能检测PCB板和阴极板连接。

所述分区性能检测PCB板和电化学工作站之间设有信号采集模块，用于将分区性能检测PCB板输出信号转换成数字信号的，所述信号采集模块包括多个数据采集通道，所述多个数据采集通道的一端分别与多个检测分区一一对应连接，另一端与电化学工作站连接。

所述电化学工作站依次连接每个数据采集通道进而分别测得各个检测分区对应的电池区域的阻抗。

所述信号采集模块通过通用接口总线与电化学工作站连接，所述电化学工作站通过USB端口与数据处理器连接。

一种双功能燃料电池分区阻抗测试方法，该方法包括步骤：

A.电化学工作站与分区性能检测PCB板的一个检测分区连接；

B.电化学工作站对所连接的检测分区施加测试负载及微扰，并测得所连接的检测分区对应的电池区域的阻抗，并发送至数据处理器；

C.更换电化学工作站连接的检测分区，重复步骤B，分别获得所有检测分区对应区域的阻抗；

D.数据处理器根据各个检测分区对应电池区域的阻抗得到燃料电池各个区域的阳极活化损耗、欧姆电解质损耗、阴极活化损耗以及湿度分布。

所述步骤B具体包括步骤：

B1.电化学工作站对所连接的检测分区施加测试负载及微扰，所述测试负载 为恒压负载；

B2.电化学工作站获得检测分区中电流传感电阻的电流响应；

B3.电化学工作站根据施加的微扰和电流响应得到该检测分区对应电池区域的阻抗：

Z＝V(t)/i(t)-R

其中：Z为所述检测分区对应电池区域的阻抗，V(t)为电化学工作站施加的微扰，i(t)为所述检测分区的电流响应，R为电流传感电阻的阻值。

所述微扰为交流微扰。

所述步骤B2中，电化学工作站获得检测分区中电流传感电阻的电流响应的同时，也获得检测分区中温度传感电阻的响应信号，进而得到对应检测分区温度。

所述步骤D中，数据处理器根据各个检测分区的温度，得到燃料电池各个区域的温度分布。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明测试设备采用分区性能检测PCB板代替阳极板的方式，在不破坏燃料电池结构的前提下，该发明操作方便，施加的小负载及微扰能有效提升测量值精度的优点；

2)本发明采用的插入式测量相比顶针式测量具有测量误差小，测量精度准确等优点；

3)能够对分区阻抗以及电流密度进行测量，且受到外界因素影响较小，分区间相互隔绝，测量时互不影响；

4)对于考察燃料电池分区电流密度、温度分布规律对分区阻抗分布、湿度分度的影响较为方便，有利于研究分区阻抗和湿度分布规律，进而对优化燃料电池内部水热管理操作条件研究提供一定的实验指导。

附图说明

图1为本发明测试设备的结构示意图；

图2为实施例测试设备接线示意图；

图3为图2的内部图；

图4为燃料电池分区阻抗测试装置解析图；

图5为燃料电池分区阻抗测试装置测得的不同区域的阻抗值；

图6为分区性能检测PCB板内部示意图；

其中：1、阴极板，2、膜电极，3、阳极板，4、分区性能检测PCB板，5、负载电路，6、电化学工作站，7、信号采集模块，8、数据处理器，61、工作电极，62、对电极，63、传感器电极，64、参比电极。 

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。

一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备，如图1至图4所示，燃料电池包括依次连接的阴极板1、膜电极2和阳极板3，测试设备包括依次连接的分区性能检测PCB板4、电化学工作站6和数据处理器8，分区性能检测PCB板4设于阳极板3与膜电极2之间，分区性能检测PCB板4包括多个独立的检测分区，检测分区与电化学工作站6连接，电化学工作站6与阴极板1连接，图3中的椭圆部分即测试分区。

每个检测分区均包括电流传感电阻和温度传感电阻，电流传感电阻和温度传感电阻均与电化学工作站6连接。

具体的，如图6所示，分区性能检测PCB板4内部分为6层，其中第三层为温度层，布置温度传感电阻，第五层为电阻层，布置电流传感电阻。各层之间不互相连接，但是外部各有用于连接电化学工作站6的接口，每个检测分区设置两个电阻，是为了分别测量该处的电流密度值与温度值大小。

测试系统还包括负载电路5，负载电路5正负极分别与分区性能检测PCB板4和阴极板1连接。

分区性能检测PCB板4和电化学工作站6之间设有信号采集模块7，用于将分区性能检测PCB板4输出信号转换成数字信号的，信号采集模块7包括多个数据采集通道，多个数据采集通道的一端分别与多个检测分区一一对应连接，另一端与电化学工作站6连接。

信号采集模块7通过通用接口总线与电化学工作站6连接，电化学工作站6通过USB端口与数据处理器8连接。

阴极板1、膜电极2、分区性能检测PCB板4板和阳极板3构成单电池，阳极 板3采用绝缘材料，仅用于导通进气流量。

电化学工作站6有四个接口，分别为工作电极61、对电极62、传感器电极63和参比电极64，其中，工作电极61和传感器电极63连接阴极板1上插口，对电极62和参比电极64连接分区性能检测PCB板4。分区性能检测PCB板4的每个检测分区上设有多个接口，对电极62和参比电极64插头并联后连接上测试区域接口，而其余区域直接跟负载电路5连接，如图2所示。

如上所述测试设备在使用时，组装燃料电池，将分区性能检测PCB板4插入至阳极板3与膜电极2之间，并检查燃料电池密封性；再连接分区性能检测PCB板4、信号采集模块7、电化学工作站6和数据处理器8。

测试过程包括步骤：

A.电化学工作站6与分区性能检测PCB板4的一个检测分区连接；

B.电化学工作站6对所连接的检测分区施加测试负载及微扰，并测得所连接的检测分区对应的电池区域的阻抗，并发送至数据处理器8，具体包括步骤；

B1.电化学工作站6对所连接的检测分区施加测试负载及微扰，测试负载为恒压负载，微扰为交流微扰，V(t)＝V₀cos(ωt)，微扰大小为20mV；

在数据处理器8上设置电化学工作站6参数，电化学工作站6采用恒电压模式，PEMFC施加负载及微扰，恒电压负载为0.7V，则施加电压微扰V(t)＝V₀cos(ωt)，

B2.电化学工作站6获得检测分区中电流传感电阻的电流响应：

i(t)＝i₀cos(ωt-θ)；

B3.电化学工作站6根据施加的微扰和电流响应得到该检测分区对应电池区域的阻抗：

Z＝V(t)/i(t)-R

其中：Z为检测分区对应电池区域的阻抗，V(t)为电化学工作站6施加的微扰，i(t)为检测分区的电流响应，R为电流传感电阻的阻值。

步骤B2中，电化学工作站6获得检测分区中电流传感电阻的电流响应的同时，也获得检测分区中温度传感电阻的响应信号，进而得到对应检测分区温度。

C.更换电化学工作站6连接的检测分区，重复步骤B，分别获得所有检测分区对应区域的阻抗；

D.数据处理器8根据各个检测分区对应电池区域的阻抗得到燃料电池各个区 域的阳极活化损耗、欧姆电解质损耗、阴极活化损耗以及湿度分布，具体过程如下：

由数据处理器8读取对应分区的阻抗数据，通过分析Nyquist图，可以得到阳极活化损耗、欧姆电解质损耗和阴极活化损耗，所测量出来的阻抗值即为该区域的阻抗值。数据处理器8对接收到的信号进行处理，获取燃料电池内部与检测分区对应的各个区域的电流密度值和温度值，并根据所述的电流密度值和温度值生成各个区域电流密度和温度的分布图像，记录于文件内。

如图5所示，分区阻抗测试，整体负载0.7V，干扰20mA，可以发现：(1)入口极化阻抗较中间、出口分区小；(2)入口分区欧姆阻抗较中间、出口分区小。由图5我们可以算出，入口分区G1的阻抗为13.75mΩ，中间分区D4的阻抗为18.25mΩ，出口分区A7的阻抗为18.15mΩ。

通过一种双功能燃料电池分区阻抗测试系统及方法，采用插入式连接方式，具有操作方便，测量误差小等优点，可有效测试燃料电池分区阻抗，得出电池不同分区的阻抗值和电流密度值，从而得到不同区域相对湿度分布，同时步骤D中，数据处理器8根据各个检测分区的温度，得到燃料电池各个区域的温度分布。因而结合分区性能检测PCB板测量的分区电流密度和温度分布，探讨不同工作情况下湿度对燃料电池输出性能的影响，对于考察燃料电池分区电流密度、温度分布规律对分区阻抗分布、湿度分度的影响较为方便，有利于研究分区阻抗和湿度分布规律，进而对燃料电池内部水热管理研究提供一定的实验价值。

Claims (10)

1.一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备，所述燃料电池包括依次连接的阴极板、膜电极和阳极板，其特征在于，所述测试设备包括依次连接的分区性能检测PCB板、电化学工作站和数据处理器，所述分区性能检测PCB板设于阳极板与膜电极之间，所述分区性能检测PCB板包括多个独立的可检测分区，所述检测分区与电化学工作站连接，所述电化学工作站与阴极板连接。

2.根据权利要求1所述的一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备，其特征在于，所述每个检测分区均包括电流传感电阻和温度传感电阻，所述电流传感电阻和温度传感电阻均与电化学工作站连接。

3.根据权利要求1所述的一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备，其特征在于，所述测试系统还包括负载电路，所述负载电路正负极分别与分区性能检测PCB板和阴极板连接。

4.根据权利要求1所述的一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备，其特征在于，所述分区性能检测PCB板和电化学工作站之间设有信号采集模块，用于将分区性能检测PCB板输出信号转换成数字信号，所述信号采集模块包括多个数据采集通道，所述多个数据采集通道的一端分别与多个检测分区一一对应连接，另一端与电化学工作站连接；

所述电化学工作站依次连接每个数据采集通道进而分别测得各个检测分区对应的电池区域的阻抗。

5.根据权利要求4所述的一种双功能燃料电池分区阻抗测试设备，其特征在于，所述信号采集模块通过通用接口总线与电化学工作站连接，所述电化学工作站通过USB端口与数据处理器连接。

6.一种如权利要求2所述的双功能燃料电池分区阻抗测试设备的测试方法，其特征在于，该方法包括步骤：

A.电化学工作站与分区性能检测PCB板的一个检测分区连接；

B.电化学工作站对所连接的检测分区施加测试负载及微扰，并测得所连接的检测分区对应的电池区域的阻抗，并发送至数据处理器；

C.更换电化学工作站连接的检测分区，重复步骤B，分别获得所有检测分区对应区域的阻抗；

D.数据处理器根据各个检测分区对应电池区域的阻抗得到燃料电池各个区域的阳极活化损耗、欧姆电解质损耗、阴极活化损耗以及湿度分布。

7.根据权利要求6所述的一种双功能燃料电池分区阻抗测试方法，其特征在于，所述步骤B具体包括步骤：

B1.电化学工作站对所连接的检测分区施加测试负载及微扰，所述测试负载为恒压负载；

B2.电化学工作站获得检测分区中电流传感电阻的电流响应；

B3.电化学工作站根据施加的微扰和电流响应得到该检测分区对应电池区域的阻抗：

Z＝V(t)/i(t)-R

其中：Z为所述检测分区对应电池区域的阻抗，V(t)为电化学工作站施加的微扰，i(t)为所述检测分区的电流响应，R为电流传感电阻的阻值。

8.根据权利要求7所述的一种双功能燃料电池分区阻抗测试方法，其特征在于，所述微扰为交流微扰。

9.根据权利要求7所述的一种双功能燃料电池分区阻抗测试方法，其特征在于，所述步骤B2中，电化学工作站获得检测分区中电流传感电阻的电流响应的同时，也获得检测分区中温度传感电阻的响应信号，进而得到对应检测分区温度。

10.根据权利要求9所述的一种双功能燃料电池分区阻抗测试方法，其特征在于，所述步骤D中，数据处理器根据各个检测分区的温度，得到燃料电池各个区域的温度分布。