一種快速測定產電生物反應系統內部阻力的方法
2023-05-24 16:09:36 1
專利名稱：一種快速測定產電生物反應系統內部阻力的方法
技術領域：
本發明涉及一種產電生物反應系統的內阻測定方法，可應用於電壓補償式產電生 物可滲透反應柵以及常規生物燃料電池系統內阻的測定。
背景技術：
目前，電池系統內阻的測定常見的有電流中斷法、交流阻抗法、極化曲線法。電流 中斷法可以用來測定歐姆內阻，交流阻抗法只適合用應用在簡單的電極反應體系中，這兩 種方法都可以用於暫態測定。目前在生物燃料電池的研究中應用最廣的是極化曲線法，該 方法通過測定外電阻改變時分配在外阻兩端的電壓U，並以公式I = UZRext計算不同外阻下 的電流I，通過U-I曲線的斜率得到反應系統的內阻值。由於這一方法的需要在一個寬幅範 圍內(1 IO5歐姆)改變外電阻，每次改變外電阻後需要等系統穩定後才能讀數，測最一 次內電阻需要花費數小時不等，不僅費時，而且還有一些關鍵缺點。首先，在極化曲線測定 過程中，大部分範圍外電阻遠遠大於內電阻或與內電阻相當，當改變外電阻時，生物電極反 應的狀態即發生較大變化，對產電菌的生理特性和對溶液內部向電極表面的傳質過程產生 衝擊，這樣的衝擊在短時間內很難保證被消除。目前用於測量電流電壓的儀器的靈敏度和 精度可以做得非常高，在實際內阻測量的實驗中經常會觀察到難以獲得電流和電壓穩定值 的現象，為了儘可能獲得可信的穩態數據，只能儘量延長讀數時間。其次，由於整個測定時 間需要花費相當長時間，所測定的內阻值實際上是整個測定時間內電阻的總體反映，不能 用來表徵反應器某個工作狀態下的真實內電阻。另外，採用穩態極化曲線法不可避免地要 對連續運行的生物系統帶來長時間的衝擊，不適合頻繁地測定系統的內電阻，因此很難適 應對實際的產電生物反應系統性能的監測與研究。
發明內容
為了克服極化區曲線法在內阻測定過程中存在的耗時長、幹擾嚴重以及難以準確 反映系統瞬時狀態等方面的問題，本發明提出了一種準暫態的測定方法，可以快速、低幹擾 的實現產電生物反應系統內組的測量。本方法的技術方案如下在反應系統的外電路上串聯一個可變電阻Rm，並使Rm << Rint+R。ut，其中Rint為系統的內電阻，Rout為內阻測定前的外電阻；改變Rm，以電壓表測 量Rm上的電壓降U，並通過歐姆定理計算Rm上通過的電流I，可得U = E-(Rext+Rint)I(1)式中E為系統的電動勢。根據式⑴繪出不同Rm下的U I圖，通過線性擬合即 可以求出系統的電動勢E和內電阻R。ut。在該過程中，通過選取合適的Rm初始值及其調節 區間，使外阻的變化範圍控制在系統整體阻力的10%以下，一方面大大加快了內阻測定過 程的速度，同時將這一過程對系統連續穩定運行狀態的幹擾顯著降低。在Rm調節步長選擇 為10 Ω，穩定時間為Imin的條件下，單次內阻測定的用時在IOmin左右，測定前後系統輸出 電流的變化不超過20 μ A (測定前的電流值與測定完成後IOmin的電流值的差距)。
在本方法中，為確定Rm的初始值及調節範圍，在內阻測定前，通過短暫斷開系統外 電路以電壓表直接測得外電阻R。ut的值，內電阻Rint則通過估測獲得，用於選擇合適的Rm，Rm < < Rint+R0Uto內阻的估測方法是依據已測定的Rout的值選取Rm，，使Rm，< < Rout ；以Rm， 為可變外阻的初始值，按照上文所述內阻測定方法即可測得系統內阻的估測值I int』。在艮 的選取過程中，以I^int』替代Rint。
圖1是內阻測定電路的示意圖，圖中1為日常運行電路，2為內阻測定電路。圖2是內阻測定過程中U-I曲線。
具體實施例方式在本部分內阻的實際測定過程中，為便於操作，以測試電路直接替換了系統中的 部分電路，包括電流檢測器以及電路的外電阻(電流檢測器的內阻)。測試電路由可變電阻 箱以及並聯的電壓表組成，後者用於測定電阻箱兩端的電壓，見附圖1所示。調節可變電阻 箱的初始值，使其接近於原電路中外電阻的值，通過這種方式，測定電路的替換就相當於在 外電路中串聯一個可變電阻Rm，與前文所述是一致的。內阻的具體測定步驟如下將日常運行電路替代為內阻測定電路(見附圖1)，調 節可變電阻箱電阻為90 Ω，穩定5min後開始用電壓表測量並自動記錄外電阻兩端的電壓， 記錄頻率為1次/秒；以10Ω的調節步長不斷減小電阻箱的電阻，每次調節後穩定lmin。 根據測量的電壓計算測試電路的電流，並繪製極化電壓 電流曲線，通過線性擬合，得到系 統內阻。測定一次內阻需要包括初始阻值在內的六組外電阻及其對應的電壓數據，一次完 整的測量用時IOmin。對系統內阻進行三次平行測定，其U-I曲線如附圖2所示。內阻的三次測定結果 分別為128. 7Ω、129· 5Ω和127. 4 Ω，平均值為128. 5 Ω，標準偏差僅為0. 87。
權利要求
1.一種快速測定產電生物反應系統內部阻力的方法，將一可變電阻Rm串聯於系統外 部電路，通過檢測Rm阻值變化時分配在其兩端的電壓，獲得系統的極化曲線；通過計算極 化曲線的斜率，得到反應系統的內阻值。其特徵是可變電阻的初始值及變化範圍遠小於系 統的整體阻力；內阻的單次測定過程，可變電阻的調節頻次控制在6次左右。
2.依照權利要求1所述的快速測定產電生物反應系統內部阻力的方法，其中所述的產 電生物反應系統，包括產電生物可滲透反應柵、電壓補償式產電生物可滲透反應柵以及常 規的生物燃料電池系統。
3.依照權利要求1所述的快速測定產電生物反應系統內部阻力的方法，其中所述的串 聯於系統電路的可變電阻包括直接串聯常規商用可變電阻儀器，如可變電阻箱、滑變電阻 等；通過自製電路變相串聯可變電阻到系統電路，如利用包含可變電阻的測定電路直接替 代外電路等。
4.依照權利要求1所述的快速測定產電生物反應系統內部阻力的方法，其中所述的可 變電阻的初始值及變化範圍，包括直接串聯可變電阻儀器時可變電阻的初始值及變化範 圍；變相串聯可變電阻時系統整體外阻的變化值。
5.依照權利要求1所述的快速測定產電生物反應系統內部阻力的方法，其中所述的可 變電阻的初始值及變化範圍一般控制在反應系統整體阻力的10%以下。
全文摘要
一種快速測定產電生物反應系統內部阻力的方法。該方法克服了常規極化曲線法在內阻測定過程中存在的耗時長、幹擾嚴重以及難以準確反映系統瞬時狀態等方面的問題。在本方法中，可變電阻被串聯在反應系統的外電路中，通過測定可變電阻阻值變化時分配在其兩端的電壓變化，獲得系統的U-I極化曲線；通過線性擬合計算曲線的斜率，得到系統的內阻值。為實現系統內阻的快速測定，可變電阻的初始值和調節範圍被控制在系統總體阻力的10％以下，將電阻調節後的穩定時間減小到1min；同時內阻的單次測定過程，可變電阻的調節頻次控制在6次，從而使內阻的單次測量用時僅為10min。本發明可應用於電壓補償式產電生物可滲透反應柵以及常規生物燃料電池系統內阻的測定。
文檔編號G01R27/08GK102128987SQ20101003438
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者朱仕坤, 朱高英, 範彬 申請人:中國科學院生態環境研究中心