CN1938599A - 测试电化学装置的方法 - Google Patents

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Abstract

用于测试例如燃料电池等电化学装置的方法和相关设备。第一方法涉及：在充电阶段对燃料电池进行充电；在放电阶段对燃料电池进行放电；以及在放电阶段的至少部分上监测燃料电池的响应或监测燃料电池的开路响应。另一种方法涉及：当燃料电池处于钝性状态时对燃料电池进行测试，在所述钝性状态下，燃料电池中基本不发生电化学反应；同时向全部装置施加一激励；独立地监测各个装置对该激励的响应。进一步的方法涉及：从被测试的装置获取测试数据；获取等效电路值；为各等效电路值计算仿真数据组；将仿真数据组与测试数据进行比较；以及在这种比较的基础上选择等效电路值中的一个。该方法使得可以从仅仅一次快速测试中获取电池组中各电池的全部电路参数。

Description

测试电化学装置的方法
技术领域
本发明涉及用于测试电化学装置的不同方法以及相关设备。本发明的某些实施形态涉及燃料电池的测试，而其他实施形态适用于包括(但不限于)燃料电池与双层电容器在内的多种装置。
背景技术
1.测试过程
质子交换膜(PEM)燃料电池测试在被测属性和测试技术方面涉及的范围很广。测试目标可包括：出于控制目的而判断正在运行的燃料电池的状态、识别具体属性或评估总体性能。被测燃料电池特性包括各个损耗项、膜的水合(membrane hydration)以及例如电荷转移电阻(charge transferresistance)等具体电化学属性。已经采用多种技术[1，2，3]对膜离子电阻等多种材料属性进行非现场(ex situ)测量。然而，大多数燃料电池测试在组装完整、正在运行的电池(cell)或电池组(stack)上进行。下面给出对当前所用的测试和分析技术(包括建模)的回顾。
对PEM燃料电池进行测试和特征化的最为常用的方法是获取其稳态电压与电流相比(VI)的曲线。通常，通过将燃料电池运行条件(例如温度、气体计量以及湿度)保持为恒定并在设定的电流值下测量电压来获取VI曲线。为了获得对燃料电池性能的一般数学描述，通过机械[4，5]或经验[6，7]模型方程对结果所得的VI曲线进行特征化。
对VI曲线以及结果得到的模型方程的分析还使得能够推断出各个损耗项，例如活化极化(VI曲线最初的急剧下降)、总体欧姆电阻(VI曲线的线性部分)以及物质传输损耗(mass transport loss)(接近VI曲线的末端)。还研究了这些损耗项受到不同运行条件影响的方式(因此研究了VI曲线受到不同运行条件影响的方式)，包括不同的气流速率或湿度等级的影响[8]。彻底的VI评估需要对电池组功率输出以及运行条件的准确控制。因此，这种燃料电池测试方法被限制为实验室环境而不是应用环境。
AC阻抗测试或电化学阻抗谱(EIS)同样普遍用于确定燃料电池的属性。该技术由向燃料电池上施加小的AC正弦电流(或电压)组成。于是，通过测量相应的电压(或电流)响应的幅值和相位，可以得到复阻抗。人们已经在钝性(非正在运行的)燃料电池以及活性(正在运行的)燃料电池上进行了这种测试方法，在该情况下，AC扰动被叠加到DC负载上。为了获得完整的AC阻抗谱，所用的频率典型地从10mHz到100kHz变化。另外，对于各阻抗扫描，可将燃料电池保持在若干种不同的电流强度下，以便识别某些特性[9，10]。
已经建议，由于损耗机理与某些频率范围之间的联系，为了析出并识别燃料电池的不同损耗机理，AC阻抗测试优于稳态VI曲线评估[11]。例如，已经将电荷转移电阻与高频区域联系起来，而通常将物质传输损耗与频率较低的区域联系起来[12]。
迄今为止，AC阻抗测试仅在各个电池上进行，且其目标在于获取分散的电池属性，而不是对电池性能或功能性进行评估。尽管需要复杂的测试仪器，仍然建议对应用环境中的电池组测试(在这种情况下在各个电池上求得AC阻抗)进行AC阻抗测试，以便提供用于对燃料电池进行有效控制和评估的信息[13，14]。
已有提议将电流中断或电流脉冲法用作获取某些燃料电池特性的、可能较为简单的技术。这些方法不需要AC信号或测量AC响应的幅值和相位，而AC信号或测量AC响应的幅值和相位需要复杂的设备。通过检测当正在运行的燃料电池受到电流阶跃变化时所产生的电压暂态，得到燃料电池电阻以及其他属性[15，16]。看起来欧姆电阻似乎是由这种技术识别的主要属性。然而，当正在运行的熔融碳酸盐燃料电池受到电流中断测试时，已经识别出其他损耗项[17]。这种方法的变体涉及使正在运行的燃料电池经受短持续时间的电流脉冲[18]。通常，这些测试方法——例如AC阻抗——用于确定具体燃料电池属性(主要是电阻)而不是评估一般性能或功能性。还有建议通过采用分流器将电流中断技术在商业应用中实施[19]。
通常，当前的燃料电池测试方法或者通过简单地在其运行范围上运行电池组来评估燃料电池性能，或者采用几种电子测试方法来评估燃料电池的特定属性。一种损耗项的识别(尽管具有指示性)不能用于评判电池的全部功能性。换言之，一项燃料电池参数的识别与其在总性能上的影响之间没有联系。迄今为止，获取燃料电池功能信息的唯一方法是在若干个运行点上运行电池，由此获取其VI曲线。然而，这种测试尚未在应用环境中实施，因此在本质上被限制在实验室类型的环境。
绝大多数测试方法和分析基于单个电池，因此仅找到单个电池的特性。如果例如电流中断测试等测试在电池组上实施，仅能找到电池组作为一个整体的属性，例如总电阻。VI评估可对电池组中的所有电池进行评估(在所有电池被监测的情况下)，然而，正如上面所说的那样，这种技术仅仅用在实验室类型的环境中。
2.用于获取电路参数的方法和等效电路模型
2.1对等效电路模型的介绍
等效电路建模是对例如蓄电池(battery)或电解电池等电化学装置进行描述的一般方法。随着近来燃料电池技术的发展，人们向燃料电池的等效电路建模投入了更多的注意。结果得到的等效电路模型用于多种目的，例如用于预测在负载变化下的燃料电池动态响应等。已采用例如AC阻抗(或电化学阻抗谱)、电流中断法以及稳态VI评估等多种技术对电路模型及其相应的电路参数进行确定。通常，许多基础理论以及许多所用的技术对电化学电池来说是通用的。
2.2现有的燃料电池等效电路模型(活性模型(active models))
最简单、常用的燃料电池等效电路模型(ECM)之一在图1a中示出[16]。这一模型通常称作Randels等效电路，并且，它是对任何电化学电池的简单描述。模型封装了燃料电池的主要属性，这些主要属性为欧姆电阻(或内阻)(Rint)、活化损耗(或电荷转移电阻Ract)、电容性效应(C)以及由于电化学反应产生的电势(E)。尽管这种模型已用于对燃料电池在负载变化情况下的动态响应进行仿真[20，21]，其是一种简化的描述，且捕捉的仅仅是燃料电池的主要动态。
对于最常用的ECM的一个在图1b中示出，其中，阳极、阴极以及电解质属性已被分开[15]。总电阻在膜的离子电阻(Rele)和与阳极有关的电阻(Ra)及与阴极有关的电阻(Rc)之间划分。燃料电池电容在两个电荷层之间划分，这两个电荷层在电解质/阴极交界面(Cc)以及电解质/阳极交界面(Ca)处产生(双电荷层效应)。燃料电池电势在发生在阳极和阴极处的半电池反应之间划分。已有提议为参数识别进行若干电流中断测试，然而，如果Larminie所陈述的那样，仅用这种技术不能获得对阳极和阴极属性的唯一确定。尽管对于若干种不同的燃料给出了电路元件值，但仅呈现对电流中断测试的理想电压响应，与实验结果不能相比。
O’Hayre等人[22]用了与图1b所示的类似的模型，然而，电极电阻被归因于阴极和阳极上存在的活化损耗，且在阳极上放置了一个电势项(图1c)。电极上的活化电阻具有电压依赖性(封装了活化损耗的非线性)，并且，出于仿真目的，实际上被建模为具有电压依赖性的电流源。当对电池组进行建模时，添加将一个电池的膜连接到相邻电池的膜的附加电阻。这一附加电阻对侧面离子传导(lateral ionic conduction)进行建模，侧面离子传导是当电池处于平面构造(共用的膜电解质、电池从外部串联连接)中时发生的一种现象。采用AC阻抗和稳态VI曲线测试以推出电路模型的电路参数。除了这些典型实验外，一些涉及不同平面构造的开路实验使得阴极上的损耗以及侧面离子传导的大小能被识别。采用P-Spice对结果得到的ECM进行的仿真与实验结果有良好的可比性。然而，仅仅进行了实验结果和建模结果之间的稳态比较，否认了模型中存在的电容器的效应。
2.3现有燃料电池等效电路模型(钝性模型(passive models))
为了对由于氧电极(阴极)处存在的、有限的物质传输(扩散)导致的附加损耗进行描述，Wagner采用了包含附加的RC并联支路的ECM(图2a)[9，10]。这一模型的推导是通过AC阻抗测试(电化学阻抗谱)得到的，这些测试中某些是在燃料电池处于钝性状态、氧或氢在两个电极处存在时进行的。通过比较单个电池的AC阻抗谱与仿真谱，实现了模型的证实。然而，由于ECM中的电容器用相位恒定的元件代替、且没有给出电路元件值，这种证实多少有些含混。
较为复杂的模型之一由Li等人[11](及其中的参考文献)采用，其为单个电极的传输线模型。用由并联的电容器(C)连接到离子电阻轨(rail)(Rionic)的电子电阻轨(Rele)对电极进行建模。图2b中只示出三个Rele-C-Rionic支线，然而，在对模型的AC阻抗响应进行仿真时，Li等人采用了数量为40的序列。该论文的目标在于研究作为距离的函数的离子电阻。在采用AC阻抗谱的比较对所找到的函数进行验证的情况下，通过试错法对多个电极寻找该函数。
对模型仿真和燃料电池之间的AC阻抗谱进行比较是验证特定ECM正确性的最常用的方法。尽管已有建议采用阻抗的傅里叶变换[23]，最常进行的是直接进行AC阻抗效应的比较。
2.4双层电容器(DLC)的等效电路模型
上面所回顾的燃料电池模型以及识别电路参数所用的技术主要来自对于包含化学反应物的常规电化学电池——例如蓄电池或电解电池——所进行的工作。然而，另一种在构造上与燃料电池非常类似、并且表现出类似特性(特别是当燃料电池处于钝性/非运行状态下时)的电化学装置是双层电容器(DLC)，其也以电化学超级电容器或超级电容器为人们所知。
任何DLC的基本构造由两个电极组成，电极由含有自由移动的离子的电解质隔开。由于在电极/电解质交界面形成双电荷层，可获得非常大的电容。在该层中，电解质中的离子与电极上的电荷之间的电荷间距非常小，这给电解质膜带来了非常大的介电效应，因此使整个装置的电容非常大。
由于活性碳无电抗性、并且可获得大的表面积，其最常用于电极。这与PEM燃料电池中所用的电极材料相同。通常，DLC包含有机基质的电解质，这是由于其使得能够采用更高的电压。然而，也可采用水性的H2SO4(类似于PEM燃料电池中存在的酸)，并已实现了采用Nafion(PEM燃料电池中常见的一种聚合物膜)的少数DLC、且对它们的属性进行了测试[24，25]。
尽管DLC的构造非常类似于其他电化学电池(例如燃料电池和蓄电池)，基于其中所发生过程的类型可区分DLC。在DLC中，只能发生非法拉第过程——例如离子的移动和吸收；然而，对于其他的电化学电池，还发生法拉第过程——即由于电解质与电极之间的电荷转移导致的电化学反应。据报导，在某种程度上由于法拉第过程(有限的电化学反应)，某些DLC电容器存储电荷；然而，与非法拉第过程存储的电荷相比，这是次要的效应。由于PEM燃料电池与DLC之间的物理相似性，特别是由于下面考虑的燃料电池实验方法，考虑用于这些装置的电路模型和测试技术是卓有成效的。
DLC的表现不同于理想电容器，因此，为了理解其电荷存储方式并对之进行建模，人们做了大量的工作，特别是在双电荷层方面。与多种基于理论的数学模型一样，人们提出了多种复杂的ECM模型[25，27]，它们中的大多数包含并联连接的许多电阻器与电容器分支。然而，已经示出一种如Goalous等人所采用的、简单的两分支模型[28]，其对DLC的本质特性进行了预测(见图3a)。
该模型包含说明漏电流(或自放电)的电阻器(Rp)以及能够对DLC的动态响应进行建模的两个电阻器与电容器分支(R1C1R2C2)。尽管示出了电感器(L)，它的值倾向于非常低，并且仅在对高频进行建模时才考虑。该模型的特征为电容器C1的、可变的电容值。这一广为人知的特性是由于DLC存储电荷的方式引起的，并导致了随着电压线性增大的电容值。
为得到DLC电路参数所采用的方法可粗略分为两组，一些采用AC技术，一些采用DC技术。AC方法(电化学阻抗谱)已被广泛采用[25，26，29]，且非常类似于关于燃料电池所讨论的那些方法，因此，下面的讨论将对DC方法进行检验。
所用的DC方法非常相似，并包括测量对所施加的恒定电流充电、放电或充/放电步骤序列的暂态电压响应。基于R-C值具有不同的时间常数这一事实，Goalous等人对R-C值进行识别。这使得两个不同的电压暂态能被识别，且电路参数可用最小限度的计算来获得。Zubieta等人将寻找参数方面的类似技术用到了3R-C分支模型(图3b)中。采用这种方法确定参数要求DLC的初始电压为零(因此，模型中的电容器的初始电压也将为零)。在Zubieta等人的实例中，DLC被保持了一周的短路状态，以便满足零初始电压条件。尽管已经进行了许多这些DC类型的测试，但它们全都相当类似，测试和相应的分析在仅仅一个电池的两端进行[27，28，30，31]。
2.5确定电路参数的方法总结
在等效电路建模中，用于识别参数的实验方法和相应的技术仅在一个电池上实施。因此，为了对电池组进行测试，需要在各个电池上进行单独的测试。燃料电池电路模型和相应的参数通常通过比较仿真的与实验的AC阻抗谱或稳态VI数据进行证实。DC技术(例如施加恒定电流)用于与AC方法一起验证超级电容器模型。
发明内容
燃料电池测试过程
本发明的第一实施形态提供了一种测试燃料电池的方法，该方法包含：在充电阶段对燃料电池进行充电；在放电阶段对燃料电池进行放电；以及在放电阶段的至少部分上监测燃料电池的响应。
本发明的第二实施形态提供了一种测试燃料电池的方法，该方法包含：在充电阶段对燃料电池进行充电；并在充电阶段之后使燃料电池开路并监测燃料电池的开路响应。
本发明的第一与第二实施形态各自消除了对用于产生及测量复杂的测试信号——例如频率可变的正弦波、一系列电流脉冲或电流斜升——所需的复杂测试设备的需要。
所提议的测试过程中被监测的响应典型地为电压暂态或电压暂态特性的具体部分，例如电压的变化率，或充电/放电测试条件不连续变化造成的、电压中的阶跃变化。被监测的响应还可包括在测试过程的任何部分经过燃料电池的电流特性的任何部分和/或电流暂态。通常，响应可为作为所用测试方法(testing protocol)的结果、给出关于燃料电池的信息的任何东西。
燃料电池的响应还可在至少一个其他阶段被监测。其他阶段可包括充电阶段和/或放电阶段和/或任何充电/放电测试过程之前的初始阶段、和/或放电阶段后的自动重充电阶段。在两个或两个以上阶段中进行监测提供了附加的信息，该信息可用于提供电池物理本性/状况的更为完整的情况。例如，初始阶段中的监测可用于确定初始等效电路条件，初始等效电路条件显示了时变电路条件(例如电压)的初始值。
典型地，在向测试电路放电的过程中测量燃料电池的响应，测试电路包括一个或一个以上的无源测试元件，例如(但不限于)电阻器和电容器。由于不需要复杂的测试电路，可以清楚地了解采用具有已知值的简单电路元件的好处。测量无源测试元件的响应还提供了附加信息。在下面介绍的优选测试中，元件的响应包含充电期间R1TC两端的电压以及放电期间R2TC两端的电压。在这种情况下，在放电期间监测R2TC不会提供附加信息，这是由于其等于电池组两端的电压。然而，如果燃料电池被放电到R2TCC2TC，那么，监测R2TC两端的电压将提供附加信息。
钝性燃料电池测试
本发明的第三实施形态提供了一种测试燃料电池的方法，该方法包含当燃料电池处于钝性状态时对燃料电池进行测试，在所述钝性状态中，燃料电池中基本上不发生电化学反应。
本发明的第三实施形态考虑到在对钝性燃料电池进行测试中的好处。由于不发生实质上的电化学反应，可主要在电容器的意义上对燃料电池进行充电和/或放电。换言之，不发生法拉第反应，仅发生非法拉第过程。
与要求燃料电池处于燃料和氧化剂经过电池且发生电化学反应的运行状况的、前面的方法相比，本方法较为简单。因此，钝性燃料电池测试可在生产线上或在备用电源系统(由于所存储的氢否则将必须被使用、损害了后备运行时间)中实施。在这两种情况下，燃料电池都处于钝性状态。对钝性燃料电池进行测试还使得燃料电池的不同特性能被检测，这是因为测试结果不受测试过程中发生的电化学反应所影响。结果，可找到与燃料电池的物理状况或构造更加紧密相关的方面。
燃料电池的状况
本发明第一、第二、第三实施形态的方法可用于评定燃料电池的某些方面，例如其运行能力。对钝性燃料电池(其主要表现为电容器)的电气属性进行测试和测量可与燃料电池在活性时的性能有关。例如，如果钝性测试显示出电池的大电容(表示较大的表面积)，这可表示活性时更多的反应位置(reaction sites)，因此表示增进的性能。因此，钝性测试结果可与活性电池的功能性等级有关，且因此可用于测量燃料电池的健康等级。
显然，可以明了，采用钝性测试不能找到影响燃料电池性能的全部因素。测试过程仅仅对电池自身的电气本性进行了探索，因此仅仅测试了电池的物理属性。例如物质传输(mass transport)、溢流(flooding)或气流场效应等方面完全没有呈现。然而，由于燃料电池状况中的变化主要发生在电池层面(例如劣化或脱水)，连续钝性测试的结果可用于预测应用环境中电池状态的变化。
燃料电池的钝性测试结果与活性功能性之间的关系可通过对钝性结果的比较分析找到。通过直接检验充电/放电测试的结果(如上面讨论的那样)，可获得对电池属性的定性(或比较性的)测量，因此可找到电池组的钝性与活性功能性之间的相互关系。
在一个实例中，钝性测试的直接结果可包含放电阶段的一部分上电池电压的阶跃变化，或开路阶段电池电压的变化率。在被测试的一个燃料电池中，已经发现这些测量与活性电池性能有关。其他的测试方法要求对燃料电池响应的进一步计算，例如由AC阻抗或电流中断技术计算燃料电池电阻。物理量——例如电阻——一旦被计算出，其接着可被用作燃料电池性能或状况的指标。然而，除计算所得量以外的其他因素可能影响燃料电池的状况。因此，上述方法的优点在于钝性燃料电池测试结果与活性性能之间的可能的直接关系。
多种装置
本发明的第五实施形态提供了一种对两个或两个以上电气连接的电化学装置进行测试的方法，该方法包含向被连接的装置的末端施加一个激励，并独立地监测各装置对此激励的响应。
由于全部装置仅需要一个激励和一个测试电路，本发明的第五实施形态使得可以高效地测试多个装置。装置可串联连接、并联连接或串并联混合连接。
典型地，通过测量和存储一系列电压读数来监测装置的响应。接着，如果需要，可对这些电压读数(在电气连接的各装置两端测量)进行进一步的分析，以便如上面的章节所介绍的那样对装置的状况进行评定。
获取装置模型参数的算法
本发明的第六实施形态提供了一种测试电化学装置的方法，该方法包含：从装置获取测试数据、获取等效电路模型参数的两个或两个以上的电路值、为各参数值计算相应的一组仿真数据、将各组仿真数据与测试数据进行比较、基于比较选择参数值中的一个。
本发明的第六实施形态提供了采用测试数据达成等效电路模型参数准确值的系统性方法。测试数据典型地为装置在测试方法——例如本发明第一或第二实施形态的方法之一——之下时的、测量到的响应。接着，通过对作用于装置等效电路模型的测试方法进行仿真，计算出仿真数据(例如采用PLECS等电路仿真程序)。
等效电路参数可表示电路元件(例如电阻器或电容器)的值，或为表示时变电路条件初始值的条件，例如电容器的初始电压。
本发明的第七实施形态提供了一种对电化学装置进行测试的方法，该方法包含：从装置获取测试数据、由测试数据计算等效电路模型参数，其中，参数包括：
a.一个或一个以上的值，每个值表示等效电路模型中电路元件的值，以及
b.一个或一个以上的条件，每个条件表示时变电路条件的初始值。
本发明的第七实施形态提供了一种替代测试方法，其既计算与等效电路模型有关的电路元件值(例如电阻和/或电容值)，又计算与等效电路模型有关的初始条件值(例如初始电压值)。这与要求(或假设)初始条件为零——例如，要求DLC的初始电压为零、因此该模型的所有初始电压条件为零——的传统方法形成对比。
本发明的第六与第七实施形态可在多种装置上进行，包括(但不限于)燃料电池或双层电容器(DLC)。
假设等效电路模型是在被测装置物理本性的基础上得到的，等效电路参数值典型地与装置的物理属性有关。这使得这些值能直接用于评定装置的物理状况/状态。当前的等效电路模型或者被构建用于预测装置的终端特性，而对元件不赋予物理意义(特别是DLC的模型)；而其他等效电路试图将电路元件与物理属性联系起来(例如燃料电池模型)，但不能充分预测装置的动态特性。
附图说明
下面将参照附图通过举例介绍本发明的实施例，在附图中：
图1示出了对于活性燃料电池的一组已知的等效电路模型；
图2示出了对于钝性燃料电池的一组已知的等效电路模型；
图3示出了对于双层电容器(DLC)的一组已知的等效电路模型；
图4示出了用于实现本发明的测试设备；
图5a)为一流程图，其示出了测试方法；
图5b)示出了测试电路；
图6为单个电池在测试方法(单个电池的电极连接到测试电路)之下时单个电池的电压响应以及相应的模型结果；
图7示出了电池组在测试方法(电池组的端子连接到测试电路)之下时的电池组端子电压响应；
图8示出了电池组在测试方法(测试电路连接到电池组端子)之下时各个电池的响应；
图9示出了活性电池组的VI性能；
图10示出了钝性燃料电池的等效电路模型；
图11示出了对于测试方法的各个电池响应的实验数据和模型数据；
图12示出了标准等效模型(见嵌入物)对实验测试数据的最佳拟合；
图13示出了标准等效模型(见嵌入物)对实验数据的最佳拟合；
图14示出了用于确定电路参数的算法的概览。
具体实施方式
3.测试过程
3.1引言
本发明提出了一种新的测试方法，该方法提供了能够表示燃料电池组中各个电池的相关性能的结果。性能信息不是通过运行电池组获得的，而是通过在电池组处于钝性、不运行状态下时对电池组进行测试获得的。测试方法和分析相对较为简单，使其可在多种情况下实施。下面参照特殊的燃料电池对该测试方法进行介绍。然而，本方法还可用于对其他电化学装置进行测试，例如双层电容器(DLC)等。
3.2燃料电池测试
该测试方法在燃料电池处于钝性(不运行)状态下时进行实施。电池组中不存在氢，阳极室与阴极室含有空气。结果，任何电池两端不会形成电势。尽管燃料电池组处于这种钝性状态，由于电池与DLC之间相似的物理结构(如上面的章节2.4所介绍)，各电池主要表现为DLC。在两种情况下，在电极/电解质交界面上形成双电荷层。
采用图5a)所示的电气测试方法，在测试过程中对燃料电池组进行有效的充电与放电(开发钝性燃料电池的电容性能)。对结果得到的、电池组中各电池的暂态电压响应进行记录与分析，以便评定电池的物理/电气属性，并由此指示电池组的功能性。
电气测试方法由图4所示的测试系统进行。测试系统包含图5b)详细示出的测试电路，该电路可向电池组施加电压以便对其进行充电、保持电池组开路，或者可以允许电池组上的电荷通过电阻器耗散。测试系统还包含数据采集和控制器模块，该模块在测试过程中测量各个电池的电压以及电池组的端子电压。数据采集和控制器模块还对测试电路进行监测和控制。基于PC的管理器/分析器将具体的测试方法下载到该数据采集与控制器模块，并对测试结果进行分析，以便对电池组进行评定。
测试方法将电池组置于电池组端子上的一系列DC电气条件之下，由此对电池组进行充电和放电。这里介绍的具体测试方法由五个不同的阶段组成：
1.从时刻t0到时刻t1，对电池组端子的和电池的初始电压进行测量。
2.接着，在从t1到t2的时间段上，采用与电阻器R1TC串联的恒压源对电池组进行充电。
3.在时刻t2，断开电压源，燃料电池保持开路、一直到时刻t3。
4.接着，在从t3到t4的时间段上，燃料电池保持的剩余电荷通过电阻器R2TC耗散。
5.再次将电池组保持为开路，记录电池组的和电池的电压、一直到达到时刻t5，在时刻t5上结束测试过程。
数据采集和控制器模块设置时间值t0至t5(通过控制开关S1TC和S2TC)，并设置可调电压源的值。与在测试过程中始终受到监测的电池的以及电池组的电压一样，R1TC两端的电压也受到监测，由此测量充电步骤过程中流经电池组的电流。下面介绍测试方法的细节和其他实验细节。
3.4具体实验实施例
测试过程已在MerCorp制造的小型PEM燃料电池组上实施。该电池组包含6个串联堆叠的电池，各电池具有32cm2的有效面积和以Nafion为基质的膜。电池组设计是完全对称的，也就是说，对于阳极和阴极的电极结构和气流场(gas flow-field)设计相同。测试电路元件值为R1TC＝100Ω以及R2TC＝4.9Ω，取决于实施什么测试，VTC被设置为多种值。对于数据采集和控制，采用了HP 34970A数据采集/开关单元，其包含用于测量目的的、内部的数字万用表。数据采集/开关单元包含HP 34901A二十通道多路复用器卡(其使得能够测量电池电压、电池组端子和R1TC两端电压中的全部)以及HP 34907A多功能模块(其提供用于控制测试电路的输出)。运行Matlab 6.5 R13的P4m 2GHz笔记本电脑用作管理器/分析器用途。在Matlab环境下直接对HP数据采集/开关单元进行编程，并经由RS232连接进行通信。Matlab还用于分析电压数据，这些电压数据以1Hz采样。
3.5燃料电池测试结果
通过检验单个燃料电池的响应，可非常容易地观察测试方法对燃料电池的一般作用。因此，测试电路仅连接在电池#3的两端，结果(采用VTC＝0.05V)在图6中示出。
测试方法的五个部分产生五个区域，其被标识为初始稳态、充电、自然衰减、放电和自动重充电。下面给出对各区域中燃料电池内所发生的现象以及相应的电压响应的简短描述。
1.初始稳态(t0-t1)：电池组被保持为开路，记录开始时在电池两端的任何电势。在这种情况下，开始时在电池两端大概为0V。
2.充电(t1-t2)：在此区域中，在S1TC闭合的情况下，如图5b所示，电压施加在与电阻器R1TC串联的电池(表现为电容器)的两端。这导致电池组电势的指数型上升。电池组电压的上升不是纯指数函数，这是因为燃料电池(类似于DLC)并非表现为理想电容器。
3.自然衰减(t2-t3)：作为S1TC被断开的结果，电压以指数型方式衰减。电压衰减是由于膜的电子传导性(由于膜不是理想的电子绝缘体)以及膜中的电荷再分布引起的。由于燃料电池电压两端的电压没有近似达到所施加的电压，膜的电子传导的存在还可在充电区域中观察到。膜中的电荷再分布还是电压衰减的主要原因。由于H+离子将继续从负电电极向正电电极移动，这有效地增大了膜的介电常数，由此减小了电池两端的电势(假设电荷保持为接近固定值)
4.放电(t3-t4)：燃料电池上的剩余电荷通过电阻器R2TC迅速放电。由于R2TC的值小，燃料电池在此阶段被有效地短路，导致燃料电池两端的电压趋近于零。
5.自动重充电(t4-t5)：在短路被移除后，电池组两端的电势重建，接着，开始如自然衰减区域中那样衰减。据信，即使是在电极上只存在极少的电荷或没有电荷时，这种自动重充电是由于膜所保持的残余电荷引起的。残余电荷由具有慢的弛豫时间的H+离子产生，也就是说，在电极上的电荷已经减少到零之后的某时间内，膜上H+离子的分布仍然是不均匀的。H+分布的不均匀性导致：一旦燃料电池两端的短路被移除时，在电池两端建立起电势。当在自然重充电区域中达到最大电压后，燃料电池组的电荷接着像自然衰减区域中那样自然衰减。由于离子将继续移动到平衡值、因此减小了膜的有效介电常数，并导致电势的上升(假设某些电荷留在电极上)，电荷再分布可又一次地解释自动重充电。
注意，如果在整个电池组两端实施该测试方法，也就是说，如果测试电路连接在电池组端子之间，将显示出相同的暂态电压特性。这在图7中示出，其中，以VTC＝0.109V在电池组两端进行相同的测试过程。串联堆叠的许多电池(本实例中为6个)的综合特性正巧与一个电池自身的一样。然而，当在电池组端子之间实施测试、并监测各电池两端的电压时，各电池表现的电压暂态特性相当不同，如图8所示。
图8所示各电池的电压响应与电池组电压的结果来自同一测试。电池电压之和总计给出图7所示的电池组端子电压响应。具有不同的电容及电子传导值等等的各电池导致了范围相当宽广的电池电压响应。例如，电池5表现出特别低的电子传导(电池中所希望的品质)，其构成了测试开始时初始电压相对较高的原因，也就是说，电池仍然存在来自前一天的运行的剩余电荷。电池间电气属性的偏差以及电池在测试过程中的相互作用(由于它们串联连接)导致了所观察到的电压暂态特性的大范围分布。
已经发现，钝性燃料电池测试所观察到的不同的电池特性与电池组为活性时各个电池的性能(或其健康状态)有关。换言之，电池之间不同的电压响应是与导致电池在不同健康等级下运行的物理差异相同的物理差异导致的。结果，钝性燃料电池测试可用于预测电池组中各电池的相对功能性。为了证明这一点，在进行钝性测试后运行燃料电池，在电池组中各电池的运行功能性与钝性燃料电池测试结果的某些区域之间可建立起相互关系。
3.6活性电池组实验细节
为了将钝性测试的结果与燃料电池的功能性联系起来，以这样一种方式获取运行状况和VI曲线的采集：限制对燃料电池状态的改变。因此，一得到某种程度上的稳态时就获取VI曲线，保证活性燃料电池的物理状况与进行钝性燃料电池测试的状况尽可能接近。由于对燃料电池组运行的这些限制，只能获得低电流、低功率。另外，已经知道，电池组具有性能问题，因此也是获得低功率等级的原因。
燃料电池的VI曲线在26.5℃的电池组温度下获得，而钝性燃料电池测试为23.5℃。空气(1.31/min的恒定气流速率)作泡状通过蒸馏水，并进入温度为25℃的燃料电池，防止了可能发生的脱水。氢(末端不通的、干燥的)和空气都略高于大气压，这是由于它们经由等高的水柱离开燃料电池组，保证了阳极与阴极处近乎相等的压力。
在获取VI曲线之前，允许电池组进入稳态，稳态被定义为任何特定的电池上的电压变化小于1.2×10-3V/s。这通过在几种不同的电流下最低限度地运行电池组获得，从氢第一次进入电池组起大约400s获得稳态。恒流负载用于获取VI曲线。为给定的电流值取各电池的三个电压读数(在6s的时间段上)，且电压读数以电流增大的顺序读取。结果得到的各电池的VI曲线在图9中示出。
图9所示的VI曲线示出了电池组中的各电池以不同的性能等级或健康等级运行。最健康的电池在给定电流下产生高的电压，因此，对电池的健康进行定量的最简单的方法是采用0.56A电流下的电池电压(下面列在表1中)。如前面的章节所述，钝性燃料电池测试的结果可用于指示电池的性能(或健康)。通过检验钝性燃料电池测试结果的两个区域——即刚好在时刻t2之后的电压变化率(斜度)以及t3时发生的电压阶跃的大小，已经发现这种预计。在图8中为电池5示出了这两个量，并且，下面在表1中列出了各电池的斜度、电压阶跃大小以及对应的功能电池电压。
电池#(按健康顺序) 0.560A时的Max V t2时的斜度(V/s 10-6) t3时的电压阶跃大小(V 10-3)
2 0.725 -105 6.28
3 0.652 -174 8.58
6 0.615 -223 13.3
4 0.612 -217 11.7
5 0.610 -225 12.5
1 0.501 -336 178
表1钝性燃料电池与活性电池组性能的关系
表1显示，在t2时具有较小的斜度、在t3时具有较小的电压阶跃的电池与较为健康的电池有关。电池4、5、6在性能上非常类似，因此它们在性能测试上存在某些差异。在这一特殊电池组上重复多次这样的过程：在燃料电池上进行钝性测试、运行燃料电池、接着将性能与电压阶跃以及斜度进行比较。在钝性与活性结果组之间总是可以看到相互关系，然而，这并不总像表1所示的关系那样清楚。显然，其他运行因素可能影响电池的性能，但不会影响钝性测试的结果(例如气流以及电池可能出现的溢流)。这些方面可能影响所观察到的相互关系的强度。对于MerCorp的电池组，通常某些电池运行非常好，而其他电池运行勉强合格。好的电池群体与坏的电池群体的之间的区别总是可以从钝性测试中识别出。
观察不同电池在电子传导率上的范围是有趣的，电子传导率可由钝性结果的充电区域的最终电压值推断出(该电压越低，电子传导率越高)。尽管这可能对电池性能有某种影响(允许更大的寄生电流流过)，其不能用作电池性能的指标、如结果所示出的那样。
为了揭示燃料电池状况的更多情况，并揭示燃料电池在活性时如何运行，可对钝性测试结果的其他区域进行研究。
3.7钝性测试与活性关系的总结
提出了一种对质子交换燃料电池进行测试的新方法，该方法基于在钝性状态时对燃料电池进行测试。钝性测试的结果表示各电池在燃料电池组处于活性时的相对健康或功能性。
电池健康状态可从测试结果的特性趋势直接得出，并且需要极小的计算工作量。由于测试电路连接到电池组端子，钝性测试在整个电池组上进行。通过记录在一个测试过程中各个电池上的电压暂态，可对各电池进行比较性评定。先前的电子测试方法在一个电池上进行、以便识别其属性；或者，如果测试在电池组上进行，则仅能获得净电池组属性。这一新方法具有多种可能的用途。由于其简单性，其可以简单地在应用环境下使用，特别是用于燃料电池备用系统——在该系统中燃料电池组大部分时间处于钝性状态。这种测试可在电池组变为活性之前提供预测电池组性能的简单方法。该测试还可被用作从生产线上进行的快速检查，使得电池性能的快速指示成为可能。
4.等效电路建模
4.1引言
直接对章节3所示钝性测试结果进行分析，显示出钝性燃料电池测试的电势值及其如何可与燃料电池特性以及活性功能性有关。对这些结果进行分析的、可能更为深刻的方法是采用如章节2中现有技术所介绍的等效电路模型(ECM)。仅仅在处于钝性状态的燃料电池的基础上对ECM进行研究，包括对电路参数的确定方法进行研究。
4.1A结果和讨论
在测试电路只连接到电池#3两端的情况下，在单个电池上实施上文简述的钝性测试方法。用于这项实验的测试电路的值为R1TC＝100Ω、R2TC＝4.9Ω以及VTC＝0.05V。在测试过程中结果得到的、电池3的电压特性在图7中示出。
4.1B对结果的解释以及ECM的公式化
下面阐释测试过程的不同部分中在电池中发生的现象以及如何推断对应的钝性燃料电池ECM(在图10中示出)。
充电(t1-t2)：曲线的第一部分表征了用与电阻器(R1TC)串联的恒压源进行充电的电容器。因此，ECM包含电容器C1。
自然衰减(t2-t3)：在自然衰减区域(燃料电池开路)，电压犹如电容器C1通过电阻器放电那样发生下降。结果，ECM包含与C1并联的电阻器RP，其表征膜的电子传导。由于电阻Rp描述了H+离子而不是电子通过膜的传导，该电阻不能与其它燃料电池模型中存在的膜电阻混淆。
放电(t3-t4)：在放电区域，由于电池中的电荷通过电阻器R2TC耗散，电池两端的电压如所期望的那样迅速达到零。由于电阻器的值R2TC小，电池在此阶段被有效地短路。
自动重充电(t4-t5)：当电池组在这种迅速放电后(时刻＝t4)接下来开路时，电池两端的电压在衰减之前上升到最大值，因此这一区域被称为自动重充电区域。如同前面的章节所述，据信，这种现象是由于膜中自由移动的离子而产生的。当电池被充电时，离子被迫远离正电极而向着负电极移动，因此在电解质/电极交界面上产生了典型的双电荷层。即使电极的电荷能够被迅速减小到零(通过对电池进行短路)，离子在膜上的不均匀分布需要较多的时间通过扩散达到均匀分布。当短路被移除时仍然存在的、不均匀的离子分布迫使在电极上建立电荷。为了对ECM中的自动重充电效应进行建模，串联的电容器和电阻器(C2R2)被并联放置在第一电容器C1的两端。在上面所给出阐述的基础上对R2、C2的可能解释是：R2在某种程度上与膜中的离子电阻有关，C2与自由移动离子的增加的电容(介电效应)有关。该模型的最终元件为电阻器R1，其被归因于由于电极及接触电阻等等引起的、燃料电池中的欧姆损耗。
4.2燃料电池等效电路模型的公式化
当对燃料电池的等效电路模型(ECM)进行公式化时，目标在于从燃料电池的物理观点得出该模型。这样，可为电路模型参数赋予物理意义。为了对ECM进行公式化，考虑燃料电池(在钝性状态下)的基本元件。首先考虑电极(没有膜)，其在PEM燃料电池中本质上为相互平行放置的两个表面积较大的导体。这清楚地意味着必须在等效电路模型的端子之间放置电容器。因此，燃料电池等效电路模型(图10所示)在电池端子之间具有电容器C1。C1的电容值与电极的表面积和间距有关。膜以多种方式影响电池(当其处于钝性状态时)的特性。第一，膜不是理想的电子绝缘体，因此在C1两端添加电阻器RP。由于电阻RP表征H+离子而不是电子通过膜的传导，该电阻不能与其它燃料电池模型中存在的膜电阻混淆。RP的值依赖于多种东西，不仅仅有膜，还有电极是否由于某种缺陷等等碰巧在某区域接触。膜对电池总体电容的影响将会使之增大。由于移动的离子(以及双电荷层的形成)，膜具有非常大的介电效应。因此，在等效电路模型中并联添加附加电容器C2，以便对电容上的这种增大进行描述。另外，由于离子在膜中受到电阻，将电阻器R2与该电容器串联地放置。最后，如果将多个电池连接起来，各电池之间将存在电阻，因此，将电阻器R1与电路串联地放置。
图10所示的钝性燃料电池模型与DLC的已有模型非常类似，仅有的不同在于电阻器R1的放置(见图3a)以及C1的不可变性。基于上面给出的理由，由于电荷引起的任何经过RP的电流必然经过R1，因此，R1的放置必然是电路模型中的第一元件(与标准DLC ECM中的放置相比)。在DLC模型中，C1中的变化性(由于双电荷层)还存在于燃料电池的钝性模型。然而，在给定上述理由的情况下，由于C2被归因于膜的属性，如果向C2赋予不可变性会更有意义。钝性燃料电池模型与DLC模型之间的相似性可归因于燃料电池具有与DLC相同的基本构造。另外，由于在两个燃料电池电极上存在空气，且测试电压远远低于电解水(在膜中存在)需要的等级，在测试过程中不会发生电化学反应。这使得在燃料电池中仅发生法拉第过程，其是DLC中所发生的仅有的过程。图10所示的模型在仅考虑燃料电池的基本物理本性的情况下得出，因此相对较为简单。可以采用更为复杂的模型(例如包含具有电压依赖性的电容的模型)，然而，据发现，此模型足以对钝性燃料电池进行建模，如下面的章节所示。
4.3钝性燃料电池等效电路模型的验证
将电路仿真程序PLECS(在Matlab Simulink环境下运行)用于对具有如表2所示电路参数(电路模型值的推导在章节4.5中介绍)的钝性燃料电池模型进行仿真。比较仿真和实验结果(实验细节在章节3.4 3.5中给出)可以看出，模型数据与实验数据以相当好的准确度拟合(见图6)。因此，从考虑钝性燃料电池物理本性中得到的等效电路模型提供了钝性燃料电池的良好模型。
模型参数 RP  R1  C1  R2  C2
钝性FC模型 285  7.28  0.633  399  0.202
表2电池#3的电路模型值
在考虑电路模型元件物理意义的情况下(如章节4.2所述)，下面简单介绍电路模型能够对钝性燃料电池测试的电压暂态特性进行重现的方法。
1.初始稳态：指定给电路模型中电容器C1与C2的初始电压值模拟在钝性电池两端测量到的初始电势。
2.充电(t1-t2)：在充电区域，电池两端的电压以指数般方式上升。由于通过电阻器R1TC+R1对电容器C1进行充电，电路模型再现了这种电压暂态。电池两端电压的上升不是纯指数，且R2、C2和Rp的存在导致模型的电压上升也不是纯指数。
3.自然衰减(t2-t3)：电池电压中的自然衰减应归因于通过膜的内部传导，以及膜中的H+离子的继续移动(如章节3.5所述)。通过使电容器C1经电阻器Rp被放电以及C1通过电阻R2向C2放电，电路模型捕捉到了这两种特性。
4.放电(t3-t4)：在放电区域，电池被连接在放电电阻器R2TC的两端，且电势以指数般方式迅速下降。由于电容器C1通过R2TC被放电、因此模型两端的电压下降到接近于零的值，电路模型捕捉到了这一特性。然而，由于增加的电阻R2，C2上的电荷保持为某种程度。
5.自动重充电(t4-t5)：在自动重充电区域，电池两端的电势建立为最大值，接着如同自然衰减区域中那样衰减。如同章节3.5所介绍的那样，这种电压暂态是由于膜中保持的残余电荷引起的。由于电容器C2通过R2向C1放电、因此如所观察到的那样增大了电池两端的电势，该等效电路模型重现了这种暂态电压特性。由于电容器Rp将继续传导，C1两端的电势将在衰减前建立到最大值，因此重现了自动重充电区域中所观察到的完整的电压暂态。
4.4讨论
新提出的钝性燃料电池ECM(其与DLC模型非常相似)与以前提出的燃料电池模型之间存在显著区别。第一，已有的燃料电池电路模型(活性或钝性)无一包括膜的电子传导，膜的电子传导在活性燃料电池中将是附加的损耗项。或许膜电子传导效应仅在上面介绍的钝性测试中可以注意到，而在活性燃料电池中，其他的损耗机理——特别是氢交换(hydrogencrossover)——将会掩蔽电子传导效应。如章节3.4所述，钝性燃料电池测试不能测试燃料电池的全部属性，分子氢交换(molecular hydrogencrossover)就是这样的一种属性。然而，即使膜的电子传导非常小，其会一直存在，并能表示燃料电池的其他物理情况。
在所有的已有电路模型(除非常简单的模型外)中，串联放置至少两个电容器，并且，这些电容器归因于阳极和阴极处存在的各电荷层。不能将这种解释赋予钝性燃料电池ECM，因为该模型中的电容器是并联放置的。已经提出对这两个电容器的替代解释，其中，一个电容器(C1)描述仅电极的电容，另一电容器(C2)描述膜中的离子提供的、增加的电容(提供介电效应)。显然，仅仅提出了燃料电池的钝性模型，因此，当比较主要基于活性燃料电池的已有电路模型时，可预期到存在区别。然而，现有模型的有效性(特别是当简化到钝性模型时)在章节4.8中研究。
4.5用于获取模型值的方法
PLECS是一种运行在Matlab Simulink环境下的电子电路仿真器程序，其用于获取电路仿真结果。为了得到电路参数，在Matlab中编写算法，其采用了PLECS所产生的仿真结果。该算法简化的概观如图14所示，其示出了存在两个主要部分，一个部分用于寻找电路元件值，另一部分用于计算模型中电容器的初始电压条件。通过重复对各参数进行单步调试(stepping through)、并连续选择减小仿真结果与实验结果间误差(以最小平方方法或通过采用其他误差计算)的值，对电路模型参数进行计算。一种选择新的电路值的方法是为特定的电路参数产生一组可能的值，采用各可能值对该模型进行若干次仿真，并接下来比较各次仿真给出的误差。
用扩展向量乘以已有的参数值——例如R2——可产生该组值，即：
R2×(0.75，0.90，0.99，1.00，1.01，1.10，1.25)
这给出了R2的6个新值，加上原始值，即n+1个。这样产生的这组R2值包含以原始值为中心的许多值，而有少数值较远。可能的值的这种模式使得算法收敛到解。改变扩展向量将改变算法收敛时间以及准确度。例如，增加0.995和1.005将获得更好的拟合，但算法收敛耗时更长。
于是，用参数的各个新值对电路进行仿真。随着电路的各次仿真，记录实际测试数据与模型测试数据之间的误差。接着，基于仿真数据与测试数据之间的最小误差选择新的参数值。
为了寻找电容器的初始电压条件，进行与寻找电路元件值的过程相同的过程。用于产生该组电路元件值的扩展向量与用于产生该组初始电压条件值所用的扩展向量不必相同，因此，在算法图中给出n和m个值。如果采用图10的模型，则对电池只需要寻找一个初始条件，其为C2的电压(C1的初始电压在t0直接进行测量)。然而，如果采用不同的模型，可能需要寻找一个以上的初始条件。或者，当需要整个电池组的初始值时，有6个要寻找的C2值。由于算法判定模型电容器的初始电压条件，这克服了现有的参数识别方法的问题之一，即需要0V的初始电势。
当对于所有参数的初始值产生最小误差时，算法收敛到解。在采用上面给出的扩展向量的情况下，这意味着当任何一个变量中1％的任何变化产生仿真数据与实验数据之间较大的误差时算法收敛到解。通过减小1％的允许误差(因此改变扩展向量)可获得仿真结果与实验结果之间更好的拟合，但1％的值被发现是解的准确度与计算时间之间的适当折中。另外，所用的电路模型仍然相当基本，因此，可能不存在相同的拟合(因此不存在唯一的解)。所提出的、寻找电路参数的方法的灵活性在于可采用任何电路模型，包括包含具有电压依赖性的电容器的模型在内。
4.6整个电池组的仿真
为了进一步验证等效电路模型，测试过程在整个电池组上实施(测试电路连接到电池组端子)，并测量各个电池的电压响应。采用PLEC对相应的6电池的电池组模型(采用表3中的参数)进行仿真，仿真结果(虚线)和实验结果(实线)在图11中进行比较。
电路参数  RP  R1  C1  R2  C2
电池1  139  12.1  0.421  340  0.190
电池2  1490  3.58  0.713  1160  0.100
电池3  289  4.73  0.630  415  0.200
电池4  108  7.74  0.656  220  0.272
电池5  1200  10.3  0.558  197  0.392
电池6  1700  8.18  0.469  386  0.239
表3从采用拟合算法的测试过程得到的电路模型值
采用章节4.5介绍的方法获取电路参数的优点在于其可以容易地扩展到从图11所示的数据寻找各单个电池的参数。这省去了不得不对各电池进行单独测试并接着单独获取各电池的参数的步骤。有三十个要寻找的电路值(6个电池，每个电池有5个值)，并且与寻找一个电池的值相比，计算时间简单地增加。采用相同的收敛条件获得电路参数(表3所示)，且图11还示出了对具有这些参数的电路的仿真。可以看到，仿真模型结果与来自电池组的数据有很好的可比性。
4.8现有燃料电池模型的仿真
对文献中提出的其他模型能够对图11所示的钝性燃料电池测试结果进行多好的仿真进行比较是有趣的。因此，相同的算法被用于寻找如图12和13所示的两种另外的燃料电池模型的最优解。在两种情况下，所仿真的燃料电池模型是基于图1b所示的通用ECM。然而，由于对钝性燃料电池进行建模，电压源被视为开路(图12所示)或闭路(图13)。另外，增加了描述电子传导的电阻器，这是由于该属性没被包括在图1b的原始ECM中。根据原始模型中的参数所依据的理由，图13所示的模型最可能描述处于钝性状态的燃料电池，因为对于钝性燃料电池仍然存在电容器属性(Ca Cc)(描述阳极和阴极处的双电荷层)、就像膜中的离子电阻(Rint)一样。然而，图12中存在的其他电阻(Ra Rc)通常归因于活化损耗(电荷转移电阻)——一种仅在电化学反应中发生的现象，因此当燃料电池处于钝性状态时不存在。
电路参数 RP Rint Ca Cc Ra Rc
电池1  177  17.6  0.934  1.24  630  43.1
电池2  2420  6.83  0.850  0.105  3110  0.0705
电池3  3670  9.29  1.12  3.33  127  205
电池4  195  11.1  1.58  1.91  209  27.6
电池5  7878  15.2  1.07  2.04  1390  23.7
电池6  6550  12.6  0.699  1.79  2490  30.5
表4图12所示钝性模型的电路模型值
                picture.doc
电路参数  RP  Rint  Ca  Cc
电池1  146  42.7  2.34  1.47
电池2  739  6.90  7.29  1.23
电池3  344  22.1  1.71  2.48
电池4  117  26.7  4.70  1.85
电池5  761  23.8  1.96  2.51
电池6  3060  30.5  1.44  1.76
表5图13所示钝性模型的电路模型值
初看起来，图12和13中的ECM似乎捕捉到了钝性燃料电池的一般特性，然而，却存在着显著的差异。在图12中(其为两种模型中的较好拟合)，主要的差异在充电区域开始时(t1)观察到。模型结果在t1显示出非常大的电压阶跃(在所示出的图中难以看出)，而这种电压阶跃在实验结果中不存在。同样，仿真的初始稳态区域不能被匹配到实验数据。另外，在向其元件所赋予物理解释的基础上最大程度地描述处于钝性状态的燃料电池的模型(图13所示)不能全面捕捉钝性燃料电池的特性。
4.9结论
提出了对钝性PEM燃料电池进行建模的新的等效电路模型。该模型类似于DLC模型、除了归因于欧姆损耗的电阻器的放置以外，并且，采用了恒定电容，这不同于DLC中典型采用的、具有电压依赖性的电容(然而，可变的C可归因于C2)。用两种方法对该ECM进行了验证。第一，通过识别燃料电池与DLC之间的相似性。这种相似性在于两种装置的物理构造以及每一装置中所发生过程的类型(即仅有法拉第过程，没有电化学反应)。对仿真的与实验测试的结果进行比较也验证了该模型。该模型不仅再现了一个电池的特性，还再现了串联的许多电池的特性。当两种另外的钝性ECM(从活性电池组模型中简化得到)不能对电池组的响应进行仿真时，显示出对该模型的进一步的确认。
提出了获取等效电路模型的电路参数的一种新方法。该方法采用迭代算法，并将钝性燃料电池测试结果与仿真数据进行比较。该算法基于测试过程所产生的结果，并依赖于为各个电池产生一组特殊的电压变化的测试过程，由之获得最优拟合解。测试过程与先前进行的其他DC测试不同，这是由于其含有若干个不同的步骤，这些步骤大体如下所述：
1.燃料电池组被充电的过程(以已知的外部充电条件、在电容器意义上)。
2.接着，允许被充电的燃料电池与若干个附加无源电路装置相互作用(在详细的实施例中，开路→R2TC→开路)，其产生了附加的电压暂态特性。
3.具有一组特殊参数的ECM可再现该测试的电压特性，由此可实现找到这些参数的算法。
尽管先前已采用了最小平方拟合技术，但它们仅仅用于匹配仿真的与实验AC阻抗谱数据。
获取电路参数的这种测试过程和相应技术可用于整个电池组。用于寻找电池组(或DLC)的电路参数的、以前的全部方法只能在单个电池上实施。所提出的新方法允许从仅仅一次测试中获得电池组中各电池的全部电路参数，其以分钟的数量级完成。由于这些优点，钝性测试和电路模型分析技术可具有多种用途。例如，通过在生产线下进行钝性燃料电池测试并结合电路模型分析，可识别出制造中存在的问题。
尽管通过介绍本发明的实施例说明了本发明，并且同时详细介绍了这些实施例，申请者无意将所附权利要求的范围限制在这些细节上。本领域技术人员将会容易地发现其他优点和更改。因此，本发明在其更宽的实施形态上并不限于所示出和所介绍的具体细节、典型装置与方法以及说明性实例。因此，在不脱离申请者总体发明构思的条件下，可进行与这些细节不同的改变。
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Claims (20)

1.一种测试燃料电池的方法，该方法包含：在充电阶段对所述燃料电池进行充电；在放电阶段对所述燃料电池进行放电；在所述放电阶段的至少部分上对所述燃料电池的响应进行监测。
2.根据权利要求1的方法，其中，通过在所述放电阶段的所述至少部分上对所述燃料电池两端的电压中的跃变进行监测，监测所述燃料电池的所述响应。
3.根据权利要求1或2的方法，其还包含：在所述充电阶段后使所述燃料电池开路，并监测所述燃料电池的开路响应。
4.根据权利要求1至3中任意一项的方法，其中，在所述放电阶段的所述至少部分上，通过一个或一个以上的无源测试元件对所述燃料电池进行放电。
5.一种测试燃料电池的方法，该方法包含：在充电阶段对所述燃料电池进行充电；在所述充电阶段之后使所述燃料电池开路，并监测所述燃料电池的开路响应。
6.根据权利要求5的方法，其中，通过监测所述燃料电池两端的电压的变化率，监测所述燃料电池的所述开路响应。
7.根据权利要求1至6中任意一项的方法，其还包含根据所述燃料电池的、所述被监测的响应计算一个或一个以上的等效电路值。
8.一种测试燃料电池的方法，该方法包含：当所述燃料电池处于钝性状态时对所述燃料电池进行测试，在所述钝性状态下，所述燃料电池中基本不发生电化学反应。
9.一种对两个或两个以上的电化学装置进行测试的方法，该方法包含：同时向全部所述装置施加激励，并独立地监测各个所述装置对所述激励的响应。
10.根据权利要求9的方法，其还包含：根据各个装置的、所述被监测的响应，为相应的所述装置计算一个或一个以上的等效电路参数。
11.根据权利要求9或10的方法，其中，所述装置为燃料电池或双层电容器。
12.一种对电化学装置进行测试的方法，该方法包含：获取来自所述装置的测试数据；获取两个或两个以上的等效电路值；为各等效电路值计算相应的一组仿真数据；将各组仿真数据与所述测试数据进行比较；基于所述比较选择所述等效电路值中的一个。
13.根据权利要求12的方法，其中，各等效电路值为表示等效电路模型中电路元件值的参数。
14.根据权利要求12或13的方法，其中，各等效电路值为表示时变电路条件初始值的条件。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述时变电路条件为电压。
16.根据权利要求12、13、14或15的方法，其中，所述装置为燃料电池或双层电容器。
17.一种对电化学装置进行测试的方法，该方法包含：获取来自所述装置的测试数据；由所述测试数据计算等效电路参数；其中，所述等效电路参数包含：
a.一个或一个以上的值，每个所述值表示等效电路模型中电路元件的值，以及
b.一个或一个以上的条件，每个条件表示时变电路条件的初始值。
18.根据权利要求17的方法，其中，所述时变电路条件为电压。
19.根据权利要求17或18的方法，其中，所述装置为燃料电池或双层电容器。
20.用于对电化学装置进行测试的装置，该装置被编程为执行根据权利要求1-19中任意一项的方法。
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