燃料電池的交流阻抗測量技術(shù)分析

隨著保護(hù)地球環(huán)境意識的提高，燃料電池作為一種儲存電能的新方法而受到關(guān)注。
從大容量基礎(chǔ)設(shè)施到中等容量基礎(chǔ)設(shè)施，再到筆記本電腦等移動設(shè)備的超緊湊型基礎(chǔ)設(shè)施，各地激烈的開發(fā)競爭正在激烈進(jìn)行。
有多種方法可以將氫儲存為燃料并將其轉(zhuǎn)化為電能。

測量的意義

電池主要評估靜態(tài)參數(shù)，例如它們可以存儲的功率和可以提取的最大電流，但要評估動態(tài)響應(yīng)，有必要知道阻抗的頻率特性。
還必須闡明內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)過程與電性能之間的對應(yīng)關(guān)系。

問題所在

燃料電池的阻抗根據(jù)輸出的電流值而變化很大。
因此，在連接負(fù)載的情況下，必須單獨(dú)測量燃料電池的阻抗。
不能使用 LCR 儀表進(jìn)行此測量。

直流電施加到測量儀器

由于對方是電池，因此在測量儀器的測量端子上增加了一個大的直流電。
由于這種直流電壓，存在輸入和輸出電路（如LCR儀表和網(wǎng)絡(luò)分析儀）飽和或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
可以插入一個電容器來切斷直流電，但由于電源的輸出阻抗很小，因此需要一個大的耦合電容器。
考慮到低頻（例如低于 10 Hz）的測量，這不是一個現(xiàn)實(shí)的想法。

存在并聯(lián)阻抗

有必要在連接負(fù)載的情況下進(jìn)行測量，但您想知道的是電源的阻抗。 它不是與負(fù)載的組合阻抗。
LCR儀表檢測設(shè)備內(nèi)部的電流，因此不可能僅測量特定部件的阻抗。

• LCR 儀表和測量在電流

這將是極低頻率的測量

為了闡明由電化學(xué)反應(yīng)引起的現(xiàn)象，有必要測量1Hz或更低的頻率，在某些情況下，極低的頻率低至1/1，100（<> μ）Hz。
LCR 儀表、網(wǎng)絡(luò)分析儀和阻抗分析儀無法處理此頻率范圍。

溶液

FRA 的工作原理

在極低頻測量中，測量可能需要很長時間，因此使用個人計(jì)算機(jī)自動測量很方便，如右圖所示。
交流電子負(fù)載裝置一起使用，因此可以通過各種方式設(shè)置負(fù)載電流。

程序如下：
FRA信號源輸出信號連接到電子負(fù)載的信號輸入端，電子負(fù)載的電壓和電流輸出連接到FRA，在電子負(fù)載處設(shè)置直流負(fù)載電流。
接下來，將小的交流負(fù)載變化從 FRA 施加到電子負(fù)載設(shè)備上。
FRA捕獲燃料電池的交流電壓和電流變化。

優(yōu)點(diǎn)

• 由于FRA的測量輸入具有高耐壓，因此根據(jù)測量對象的輸出，不存在飽和或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
  例如，F(xiàn)RA 5095 的最大輸入電壓為 250Vrms/350Vp。 更重要的是，它是自動量程的，因此您無需設(shè)置范圍。

• 由于對直流電沒有靈敏度，因此可以對交流電具有最佳靈敏度進(jìn)行測量。

• FRA 可以從 0.1 mHz 的極低頻率測量。 上限因型號而異，但可以測量高達(dá) 15 MHz （FRA5096），并且在此范圍內(nèi)可以掃描的頻率范圍沒有限制。

• 由于測量流過負(fù)載的電流（=燃料電池的輸出電流），因此無需擔(dān)心與負(fù)載并聯(lián)測量阻抗。
  負(fù)載電流的大小可以由電子負(fù)載自由設(shè)置。

實(shí)際測量示例

以下是實(shí)際測量的示例。
在電化學(xué)測量中，如圖所示，在復(fù)平面上描繪阻抗隨頻率變化的軌跡的Kohlkohl圖很常見。
此外，由于提取了電壓和電流，因此也可以繪制正常的電流-電壓特性圖（Tafel圖*）。

* Tafel 圖通過在任意點(diǎn)設(shè)置直流電來測量直流電。