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1、第41卷第3期华中师范大学学报(自然科学版)Vol.41No.32007年9月JOURNALOFHUAZHONGNORMALUNIVERSITY(Nat.Sci.)Sept.2007文章编号:100021190(2007)0320377205燃料电池内阻在线测试系统研究3陈启宏,舒芝锋,全书海(武汉理工大学自动化学院,武汉430070)摘要:内阻是反应燃料电池性能的重要指标,设计燃料电池内阻在线测试系统具有重要意义。但燃料电池内阻具有明显的非线性和时变特性,一般难以精确测量。为了解决这个问题,本文在对燃料电池
2、内阻进行分析的基础上,结合电化学阻抗谱测试思想,提出了一种改进的燃料电池欧姆内阻在线测试法———交流变频调幅测量法,并基于高性能数字信号处理器设计了测试系统硬件电路和软件,得到了较好的测量效果。关键词:燃料电池;欧姆内阻;在线测试;频率调整中图分类号:TP274文献标识码:A[2]质子交换膜燃料电池(ProtonExchange的在线监测系统。K.R.Cooper等通过利用一MembraneFuelCell,简称PEMFC)是一种环境台外置的交流毫欧表为燃料电池提供稳定的高友好、能量转化效率高的发电装置,它能
3、将氢气频(一般为1kHz)正弦电流信号,测试燃料电池和氧气的化学能通过电化学反应直接转换成电内阻与负载电阻的并联值。由于实际运行中负能,是21世纪首选的“绿色”发电方式。由于其载是不可预知变化的,所以测到的欧姆内阻是不具有工作温度低(即能室温快速启动)、发电效率太准确的。不过该方法和断流法一样方便、简高、无污染、噪音小、可靠性高、使用灵活、维修方单,而且它对电池的正常运行基本没有影响。电便等优点[2],是最有希望应用于未来电动汽车的动化学阻抗谱法(ElectrochemicalImpedanceSpec2力源
4、,目前已成为电化学和能源科学领域中的研troscopy,简称EIS)也称为“交流阻抗法”,是用一究热点。种小振幅的正弦波电流或电压信号作激励对系从工程电路角度出发,燃料电池可以等效成统进行扰动,然后测定其响应信号的测量方法。一个理想电压源与一个交流阻抗串联的电学模交流阻抗法既不是稳态法,也不是暂态法,而是型,可见燃料电池内阻是个重要指标,是衡量电在一个稳态下施加一个小的扰动,是一种准稳态子和质子在电极内传输难易程度的主要标志,也方法。该方法的优点在于可避免扰动对系统产是决定电堆发电效率的关键参数。另外,燃料电
5、生较大的影响,使扰动与系统的响应之间保持近池内阻是关于燃料电池电流、湿度、温度等实时似的线性关系,从而使测量结果的数学处理变得参数的复杂函数,所以很有必要通过在线测试系简单。统实时测试燃料电池内阻,便于主控系统对燃料本文在对燃料电池内阻进行分析的基础上,电池进行实时控制,并进行故障诊断。结合EIS测试思想,提出了一种燃料电池内阻交[1]T.Mennola等基于断流法进行内阻测试。流变频调幅在线测试法,并基于DSP设计了测试该方法以直流理想电路为基础,先测量电流切断系统硬件电路和软件。前后(20μs左右)电池两
6、端电压及带负载运行时的电流,然后计算燃料电池的欧姆内阻。该测试1PEMFC结构及其工作原理装置简单易操作,不过切断电流会给电路带来很PEMFC由阳极、电解质膜和阴极构成,阳极大扰动,对燃料电池的寿命有一定的影响,只能和阴极分别由多孔结构的扩散层和催化剂层组成,用于低频(电流切断频率)、测试精度要求不太高其结构如图1所示.收稿日期:2006211212.基金项目:湖北省科技攻关项目(2005lg0004b).3E2mail:chenqh@mail.whut.edu.cn378华中师范大学学报(自然科学版)第41
7、卷决定,当电池体系和结构确定后,其Ract也随之而定。(2)欧姆内阻Rohm:包括电池内部的电极、隔膜、电解液、连接条和极柱等组成部分的电阻,在每次检测电池内阻过程中可以认为Rohm近似不变。(3)浓差极化内阻Rcon:由反应离子浓度变化产生,只要电化学反应在进行,反应离子的浓度就在变化,Rcon的数值也处于变化状态。图1PEMFC结构原理图Fig.1SchematicofsinglechipPEMFC燃料电池工作时,燃料(纯H2或重整气)和氧图2单电池的电流和电压的典型关系曲线化剂(O2或空气)分别送入阳极
8、和阴极流道,并通Fig.2TypicalV2IcarveofsinglechipPEMFC过各自扩散层到达催化层,阳极H2在催化剂Pt的在Pt催化剂上氢的氧化速率比氧的还原速率快作用下发生氧化反应:得多,所以阴极阻抗在燃料电池内阻中起主导作+H2=2H+2e.(1)[4][5]用,于是可用Randles电路模型表示燃料电池等+生成的H穿过电解质膜到达阴极,电子经过效电路,如图3所示.该模型正是基于阴
