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燃料電池的交流阻抗測量技術(shù)分析

  • 發(fā)布日期:2023-07-13      瀏覽次數(shù):794
    • 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。
      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

      使用FRA(頻率響應(yīng)分析儀)是可靠的方法。

      image.png

      頻率響應(yīng)分析儀 FRA51615

      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。

      image.png
      阻抗測量系統(tǒng)

      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。
        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。

      image.png
      燃料電池的阻抗特性(呼叫-呼叫圖)
      image.png
      燃料電池的負(fù)載特性(塔菲爾圖)



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