专利名称：一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统及测试方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池的性能检测系统和方法，尤其是涉及一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统及测试方法。
背景技术：
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，它不受卡诺循环限制，具有能量转换效率高、无污染、噪声低、积木性强、比功率等高优点。燃料电池中水管理与热管理是紧密关联互相耦合的，有效的水热管理对于提高电池的性能和寿命起着关键作用。通过分析不同区域的交流阻抗有助于研究燃料电池内部不同区域的水热分布。因此设计测试燃料电池内部不同区域的交流阻抗的系统，对优化燃料电池的水热分布，并提高燃料电池的性能以及耐久性有重大的实际意义。燃料电池可以等效为一个理想电压源和一个广义内阻串联的电学模型，其交流阻抗是衡量电子和质子在电极内传输难易程度的主要标志，也是决定电堆发电效率的关键参数。燃料电池分区交流阻抗分布是燃料电池中水含量分布、局部反应不均匀的综合体现。燃料电池内部水热分布不均，会导致反应物和电催化剂的利用率下降，降低电池效率并加速其老化，最终导致电池寿命的下降。因此建立一种燃料电池分区交流阻抗实时检测的系统，对于考察燃料电池内部水热分布、局部电化学反应情况、内部分区的一致性及优化燃料电池的水热操作条件等研究具有很大的指导意义。目前燃料电池内阻检测方法主要有断流法、交流阻抗法、极化曲线法、电化学阻抗谱法等，其中电化学阻抗谱法能获得全面的内阻信息，应用广泛。电化学阻抗谱技术是通过对电化学体系施加一种正弦微扰，然后测量产生的电流响应的振幅和相移，该测量可以在相当宽的频率范围内进行，从而得到阻抗谱法图。之后可以通过建立对应于被测体系物理模型的等效电路模型，来研究电化学体系的电气特性同电池内部实际三传一反的对应关系，借助数学手段拟合进行定量分析和解释。信号振幅的大小既要达到辨识系统对信号强度的要求，同时还不能破坏电化学体系的线性相关性。交流阻抗测量通常是通过施加一个小的正弦电压微扰v(t) = VciCOS(Wt),然后监控系统的电流响应i(i) = 4cos(wf-p)。存以上的表达式中，V (t)和i(t)表示时间t时的电势和电流，V。和i0是电压号和电流号的振幅，w是角频率。角频率和频率f的关系是w = 2 π f。—般情况下，系统的电流响应相对于电压微扰会产生相位变化。这种相位效应用相移辦来描述。阻抗Z是随时间变化的电压和随时间变化的电流比值
权利要求
1.一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，所述的燃料电池包括依次连接的阳极板、膜电极和阴极板，其特征在于，所述的测试系统包括印刷电路板、负载电路、正弦信号发生电路、数据采集模块和数据处理模块，所述的印刷电路板代替阳极板安装在燃料电池上，所述的负载电路和正弦信号发生电路均与印刷电路板连接，所述的数据采集模块的两端分别连接负载电路和正弦信号发生电路，所述的数据处理模块与数据采集模块连接； 印刷电路板将燃料电池分割成若干个分区，正弦信号发生电路对燃料电池的每个分区施加正弦微扰，数据采集模块实时采集各分区阻抗的频率响应信号，数据处理模块根据频率响应信号计算得到每个分区的交流阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的印刷电路板包括由上而下设置的分区流场层和分区测试层，所述的分区流场层上设有阳极流场，该分区流场层与膜电极连接，所述的分区测试层分别连接负载电路和正弦信号发生电路。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的阳极流场由若干个相互绝缘的子流场组成。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的分区测试层由若干个导线组成，每个导线的两端分别连接负载电路和正弦信号发生电路。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的子流场的个数与导线的个数相等。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统，其特征在于，所述的数据处理模块包括计算机。
7.—种如权利要求1所述的燃料电池分区交流阻抗在线测试方法，其特征在于，包括以下步骤 1)印刷电路板代替阳极板安装在燃料电池上，并将燃料电池分割成若干个分区； 2)向燃料电池供给燃料和氧气，使其开始工作； 3)负载电路给燃料电池加载使其稳定工作； 4)正弦信号发生电路对燃料电池的每个分区施加待测频率的正弦微扰； 5)燃料电池稳定工作后，数据采集模块实时采集各分区阻抗的频率响应信号，并传输给数据处理模块； 6)数据处理模块根据接收到的各分区的频率响应信号计算每个分区的交流阻抗； 7)改变正弦信号发生电路的频率，重复步骤4)至6)，获得不同频率下的分区交流阻抗。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池分区交流阻抗在线测试方法，其特征在于，所述的步骤6)中计算每个分区的交流阻抗的具体步骤为 61)数据处理模块接收数据采集模块传输的频率响应信号，包括各分区的电压和电流波形信号； 62)数据处理模块对所获得的各分区的电压和电流数据进行快速傅立叶变换； 63)用各分区电压数据的傅立叶结果除以对应分区的电流数据傅立叶结果以得到分区交流阻抗。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池分区交流阻抗在线测试系统及测试方法，所述的测试系统包括印刷电路板、负载电路、正弦信号发生电路、数据采集模块和数据处理模块，所述的印刷电路板代替阳极板安装在燃料电池上，所述的负载电路和正弦信号发生电路均与印刷电路板连接，所述的数据采集模块的两端分别连接负载电路和正弦信号发生电路，所述的数据处理模块与数据采集模块连接；所述的测试方法为印刷电路板将燃料电池分割成若干个分区，正弦信号发生电路对燃料电池的每个分区施加正弦微扰，数据采集模块实时采集各分区阻抗的频率响应信号，数据处理模块计算得到每个分区的交流阻抗。与现有技术相比，本发明具有能够实现在线实时测试、测试频率范围宽等优点。
文档编号G01N27/14GK103063714SQ20121059394
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者林瑞, 翁元明, 张轶之 申请人:同济大学