一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統及測試方法

2023-04-28 06:38:31

專利名稱：一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統及測試方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池的性能檢測系統和方法，尤其是涉及一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統及測試方法。
背景技術：
燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在於燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置，它不受卡諾循環限制，具有能量轉換效率高、無汙染、噪聲低、積木性強、比功率等高優點。燃料電池中水管理與熱管理是緊密關聯互相耦合的，有效的水熱管理對於提高電池的性能和壽命起著關鍵作用。通過分析不同區域的交流阻抗有助於研究燃料電池內部不同區域的水熱分布。因此設計測試燃料電池內部不同區域的交流阻抗的系統，對優化燃料電池的水熱分布，並提高燃料電池的性能以及耐久性有重大的實際意義。燃料電池可以等效為一個理想電壓源和一個廣義內阻串聯的電學模型，其交流阻抗是衡量電子和質子在電極內傳輸難易程度的主要標誌，也是決定電堆發電效率的關鍵參數。燃料電池分區交流阻抗分布是燃料電池中水含量分布、局部反應不均勻的綜合體現。燃料電池內部水熱分布不均，會導致反應物和電催化劑的利用率下降，降低電池效率並加速其老化，最終導致電池壽命的下降。因此建立一種燃料電池分區交流阻抗實時檢測的系統，對於考察燃料電池內部水熱分布、局部電化學反應情況、內部分區的一致性及優化燃料電池的水熱操作條件等研究具有很大的指導意義。目前燃料電池內阻檢測方法主要有斷流法、交流阻抗法、極化曲線法、電化學阻抗譜法等，其中電化學阻抗譜法能獲得全面的內阻信息，應用廣泛。電化學阻抗譜技術是通過對電化學體系施加一種正弦微擾，然後測量產生的電流響應的振幅和相移，該測量可以在相當寬的頻率範圍內進行，從而得到阻抗譜法圖。之後可以通過建立對應於被測體系物理模型的等效電路模型，來研究電化學體系的電氣特性同電池內部實際三傳一反的對應關係，藉助數學手段擬合進行定量分析和解釋。信號振幅的大小既要達到辨識系統對信號強度的要求，同時還不能破壞電化學體系的線性相關性。交流阻抗測量通常是通過施加一個小的正弦電壓微擾v(t) = VciCOS(Wt),然後監控系統的電流響應i(i) = 4cos(wf-p)。存以上的表達式中，V (t)和i(t)表示時間t時的電勢和電流，V。和i0是電壓號和電流號的振幅，w是角頻率。角頻率和頻率f的關係是w = 2 π f。—般情況下，系統的電流響應相對於電壓微擾會產生相位變化。這種相位效應用相移辦來描述。阻抗Z是隨時間變化的電壓和隨時間變化的電流比值
權利要求
1.一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統，所述的燃料電池包括依次連接的陽極板、膜電極和陰極板，其特徵在於，所述的測試系統包括印刷電路板、負載電路、正弦信號發生電路、數據採集模塊和數據處理模塊，所述的印刷電路板代替陽極板安裝在燃料電池上，所述的負載電路和正弦信號發生電路均與印刷電路板連接，所述的數據採集模塊的兩端分別連接負載電路和正弦信號發生電路，所述的數據處理模塊與數據採集模塊連接； 印刷電路板將燃料電池分割成若干個分區，正弦信號發生電路對燃料電池的每個分區施加正弦微擾，數據採集模塊實時採集各分區阻抗的頻率響應信號，數據處理模塊根據頻率響應信號計算得到每個分區的交流阻抗。
2.根據權利要求1所述的一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統，其特徵在於，所述的印刷電路板包括由上而下設置的分區流場層和分區測試層，所述的分區流場層上設有陽極流場，該分區流場層與膜電極連接，所述的分區測試層分別連接負載電路和正弦信號發生電路。
3.根據權利要求2所述的一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統，其特徵在於，所述的陽極流場由若干個相互絕緣的子流場組成。
4.根據權利要求3所述的一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統，其特徵在於，所述的分區測試層由若干個導線組成，每個導線的兩端分別連接負載電路和正弦信號發生電路。
5.根據權利要求4所述的一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統，其特徵在於，所述的子流場的個數與導線的個數相等。
6.根據權利要求1所述的一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統，其特徵在於，所述的數據處理模塊包括計算機。
7.—種如權利要求1所述的燃料電池分區交流阻抗在線測試方法，其特徵在於，包括以下步驟 1)印刷電路板代替陽極板安裝在燃料電池上，並將燃料電池分割成若干個分區； 2)向燃料電池供給燃料和氧氣，使其開始工作； 3)負載電路給燃料電池加載使其穩定工作； 4)正弦信號發生電路對燃料電池的每個分區施加待測頻率的正弦微擾； 5)燃料電池穩定工作後，數據採集模塊實時採集各分區阻抗的頻率響應信號，並傳輸給數據處理模塊； 6)數據處理模塊根據接收到的各分區的頻率響應信號計算每個分區的交流阻抗； 7)改變正弦信號發生電路的頻率，重複步驟4)至6)，獲得不同頻率下的分區交流阻抗。
8.根據權利要求7所述的一種燃料電池分區交流阻抗在線測試方法，其特徵在於，所述的步驟6)中計算每個分區的交流阻抗的具體步驟為 61)數據處理模塊接收數據採集模塊傳輸的頻率響應信號，包括各分區的電壓和電流波形信號； 62)數據處理模塊對所獲得的各分區的電壓和電流數據進行快速傅立葉變換； 63)用各分區電壓數據的傅立葉結果除以對應分區的電流數據傅立葉結果以得到分區交流阻抗。
全文摘要
本發明涉及一種燃料電池分區交流阻抗在線測試系統及測試方法，所述的測試系統包括印刷電路板、負載電路、正弦信號發生電路、數據採集模塊和數據處理模塊，所述的印刷電路板代替陽極板安裝在燃料電池上，所述的負載電路和正弦信號發生電路均與印刷電路板連接，所述的數據採集模塊的兩端分別連接負載電路和正弦信號發生電路，所述的數據處理模塊與數據採集模塊連接；所述的測試方法為印刷電路板將燃料電池分割成若干個分區，正弦信號發生電路對燃料電池的每個分區施加正弦微擾，數據採集模塊實時採集各分區阻抗的頻率響應信號，數據處理模塊計算得到每個分區的交流阻抗。與現有技術相比，本發明具有能夠實現在線實時測試、測試頻率範圍寬等優點。
文檔編號G01N27/14GK103063714SQ20121059394
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者林瑞, 翁元明, 張軼之 申請人:同濟大學