[發(fā)明專利]一種燃料電池全工況在線阻抗測試裝置和方法

有效

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• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113253123B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 李航越;韓敏芳
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01R31/378
• 分類號: G01R31/378;G01R31/389
• 代理公司: 北京中創(chuàng)云知識產權代理事務所(普通合伙) 11837
• 代理人: 徐輝

本發(fā)明涉及一種燃料電池全工況在線阻抗測試裝置和方法，交流阻抗分析儀向燃料電池施加不同頻率的擾動電流或擾動電壓；恒流單元與電感單元串聯后，與燃料電池形成抑制交流電流的直流電流通路；通過所述恒流單元的瞬時電流恒定；交流阻抗分析儀測量交流電壓或交流電流，獲得阻抗。本發(fā)明實現了直流電子負載與交流阻抗分析儀的協同運行，為燃料電池測試系統的模塊化及靈活配置提供技術基礎，也為設計低成本、高精度的帶載阻抗測試儀器提供參考。以較低的設備和調試成本規(guī)避了燃料電池大電流帶載阻抗測試易受測試電路中其他設備干擾的問題，實現了直流電子負載與交流阻抗分析儀的協同運行。

技術領域

本發(fā)明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種燃料電池全工況在線阻抗測試裝置和方法。

背景技術

燃料電池是將燃料的化學能通過電化學反應轉化成電能的能量轉換裝置，包括但不限于固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等。針對該燃料電池的電化學表征通常包括測量該燃料電池的電化學阻抗譜，即多個頻率下燃料電池的電化學阻抗。利用電化學阻抗譜，我們可以對燃料電池內部具有不同時間尺度的各個極化過程進行分別的定量研究，準確、直接、在線地獲得燃料電池內的物理化學過程信息。因此，電化學阻抗譜對燃料電池的監(jiān)測和研究十分重要。

同時，燃料電池內部的傳遞和反應過程通常隨著通過燃料電池的直流電流大小而變化，電化學阻抗譜也隨之變化，于是燃料電池在未帶載狀態(tài)下的電化學阻抗譜并不能直接反映其在帶載狀態(tài)下的電化學阻抗譜。不同帶載狀態(tài)下的電化學阻抗譜，能夠反映相應帶載狀態(tài)下電池內部來自電化學反應、氣體傳輸和吸附、電荷轉移等過程的能量損失。在燃料電池的壽命及穩(wěn)定性測試中，燃料電池處于持續(xù)帶載狀態(tài)，一旦載荷變化，長期實驗的結果可能發(fā)生明顯改變，所以壽命及穩(wěn)定性測試中不能中斷載荷進行阻抗測試。因此，測量帶載狀態(tài)下的電化學阻抗譜，對尋找高效長壽命穩(wěn)定運行的燃料電池、研究當前燃料電池性能及穩(wěn)定性在帶載狀態(tài)下的關鍵制約因素，實現在線監(jiān)測及診斷，有著不可替代的作用。

在實際應用中，測量帶載狀態(tài)下——即發(fā)電或電解狀態(tài)下——燃料電池的電化學阻抗譜較為困難。受限于燃料電池內部反應和傳輸過程的時間尺度，燃料電池交流阻抗測量的常用頻率范圍下至100mHz，上至100kHz。目前市場上具有交流阻抗測試功能的電子負載大都不能準確測量上述頻率范圍內的交流阻抗，而能夠在上述頻率范圍內測量的交流阻抗分析儀卻往往不允許直流大電流通過。因此，一種常用且便捷的測試手段為，將直流電子負載和交流阻抗分析儀經電路并聯后與被測燃料電池電連接。

然而，交流阻抗分析儀所施加的交流擾動電流還會流經與被測燃料電池電連接的直流電子負載，致使交流阻抗分析儀所施加的交流擾動電流偏離實際流經被測燃料電池的電流，進而使交流阻抗分析儀測得的阻抗偏離燃料電池的實際阻抗。

發(fā)明內容

為了準確獲得燃料電池帶載時的電化學阻抗，本發(fā)明提供一種燃料電池全工況在線阻抗測試裝置和方法，通過減小交流阻抗分析儀所施加擾動電流與實際流經被測燃料電池擾動電流的差異，或通過測量實際流經被測燃料電池的擾動電流，配合現有儀器，實現帶載阻抗的準確測量。

為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種燃料電池全工況在線阻抗測試裝置，包括交流阻抗分析儀、恒流單元以及電感單元；

所述燃料電池，包括含有至少一個正極-電解質-負極結構(PEN)的被測單元；

所述交流阻抗分析儀，向燃料電池施加不同頻率的擾動電流或擾動電壓，測量交流電壓或交流電流，獲得阻抗；

所述恒流單元與所述電感單元串聯后，與燃料電池形成抑制交流電流的直流電流通路；通過所述恒流單元的瞬時電流恒定。

進一步地，所述恒流單元包括串聯連接的直流電子負載；

通過所述直流電子負載的瞬時電流恒定，電流通過的方向與所述燃料電池提供電流方向相同。