燃料電池交流阻抗是燃料電池發(fā)電性能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)行燃料電池的交流阻抗測(cè)試可以識(shí)別有問題的燃料電池單體及其在組裝過程中產(chǎn)生的偏差。完成不同頻率下的交流阻抗測(cè)試后，即可得到燃料電池的電化學(xué)阻抗譜。ITECH IT8900A電子負(fù)載可以簡(jiǎn)化測(cè)量過程，本文將介紹如何使用ITECH電子負(fù)載實(shí)現(xiàn)交流阻抗測(cè)試的方法。

一、為什么需要測(cè)量交流阻抗

由于燃料電池具有非線性阻抗，薄膜阻抗的電學(xué)特性可以表征其內(nèi)部元素的損失，因此燃料電池交流阻抗的測(cè)試至關(guān)重要。

此外，直流測(cè)試法由于無法區(qū)分薄膜阻抗和極化阻抗，因此，只能采用交流測(cè)試法（四線制測(cè)試）。該測(cè)量有助于確定燃料電池系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)阻力，如歐姆電阻（例如，電解液，接觸、滲透層電阻），以及反應(yīng)物的運(yùn)輸限制。影響阻值的燃料電池組件包括電流集電極、滲透層電極、催化層、接觸膜等等。

二、怎樣測(cè)量燃料電池的交流阻抗

測(cè)量交流阻抗的方法有很多種：
電流中斷法（電流跌落法），即電流快速中斷，測(cè)試升高的電壓和電流的比值，此方法歷史悠久，優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試方法簡(jiǎn)單，然而測(cè)試出的單值信息量較少，容易引入導(dǎo)線阻抗。而且，這種方法需要格外小心，因爲(wèi)負(fù)載導(dǎo)線阻抗會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)反向電動(dòng)勢(shì)。

EIS電化學(xué)阻抗譜可測(cè)定的頻率范圍很寬，因此可以測(cè)試出最為全面的數(shù)據(jù)，包括動(dòng)力學(xué)信息和電極界面結(jié)構(gòu)信息。需要使用到電子負(fù)載和頻響分析儀。

下面我們給大家介紹一種交流阻抗測(cè)試法，可以看成是EIS測(cè)試法的簡(jiǎn)化版。此法相較于電流跌落法也更安全。采用信號(hào)發(fā)生器發(fā)生交流正弦波，配合IT8900A外部模擬量接口動(dòng)態(tài)拉載，可以方便測(cè)試電壓和電流波形的相位差。這種測(cè)試方法比電流瞬跌法簡(jiǎn)單易操作，兩種方法測(cè)試結(jié)果一致。

三、測(cè)量燃料電池交流阻抗的設(shè)備

測(cè)量交流阻抗可以用一臺(tái)直流電子負(fù)載IT8900A、一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)裝有相應(yīng)軟件的電腦。其他可選儀器包括一臺(tái)輔助電源。測(cè)試方法如圖一所示，當(dāng)燃料電池輸出電壓過低時(shí)，為保證電子負(fù)載能正常帶載，往往需要一臺(tái)輔助電源。通過信號(hào)發(fā)生器輸出測(cè)試頻率的正弦波信號(hào)，控制電子負(fù)載CC拉載正弦波形，讀取電子負(fù)載內(nèi)部緩存區(qū)的電壓、電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行FFT快速傅里葉變換分析。最后，用數(shù)學(xué)函數(shù)將轉(zhuǎn)換后的電壓除以轉(zhuǎn)換電流以獲得復(fù)阻抗（包含幅值和相位信息）。這個(gè)方法適用于燃料電池全頻帶內(nèi)任何一個(gè)頻率點(diǎn)的測(cè)試，進(jìn)而可以得出電化學(xué)阻抗譜。

圖一、燃料電池測(cè)試連接框圖

信號(hào)發(fā)生器必須具有產(chǎn)生精確可控頻率正弦波的能力，以便確保FFT結(jié)果的準(zhǔn)確性。而IT8900A電子負(fù)載是上述測(cè)量方法的核心硬件，因其具有以下多個(gè)特性，特別適用于燃料電池AC阻抗的測(cè)試。

1、 CC模式（CV模式和CR模式）
將負(fù)載處于定電流模式下，設(shè)置定電流值為燃料電池的直流電流測(cè)試點(diǎn)。

2、 外部模擬量輸入
負(fù)載后面板的EXT PRG（正負(fù)）模擬量端口可以控制負(fù)載的帶載電壓或電流。在EXT PRG 端子處接入0-10V 可調(diào)電壓來模擬0-滿量程的輸入，從而調(diào)節(jié)負(fù)載的輸入電壓和電流的值（10V 對(duì)應(yīng)負(fù)載滿量程的電壓或電流值）。在電子負(fù)載的外部模擬端子輸入正弦信號(hào)，可在電子負(fù)載已有直流片之下，疊加出需要的正弦激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)負(fù)載的輸入電壓大于或者等于3V時(shí)，信號(hào)的帶寬可以達(dá)到10KHz，當(dāng)電壓低于3V時(shí)，帶寬減小為1KHz。另外，盡管模擬量輸入電壓可以為負(fù)值，但負(fù)載激勵(lì)電流不能為負(fù)值，因?yàn)檫@些負(fù)載單極性的。

3、 同步輸入V-I曲線
精確同步獲取V-I曲線是做FFT分析的必要條件，以保證正常工作，在內(nèi)部高精度晶振的控制下，IT8900A系列電子負(fù)載具有內(nèi)部緩存區(qū)，可獲取輸入電壓、電流數(shù)據(jù)，AD采樣率可任意設(shè)定，最高可達(dá)50kHz。

4、 遠(yuǎn)端補(bǔ)償電壓
IT8900A具有遠(yuǎn)端補(bǔ)償功能，當(dāng)負(fù)載消耗較大電流的時(shí)候，就會(huì)在被測(cè)儀器到負(fù)載端子的連接線產(chǎn)生較大壓降。為了保證測(cè)量精度，負(fù)載在后面端子提供一個(gè)遠(yuǎn)端量測(cè)端子，用戶可以用該端子量測(cè)導(dǎo)線上損失的壓降。在使用遠(yuǎn)端量測(cè)功能前，要先設(shè)定負(fù)載為遠(yuǎn)端量測(cè)模式。

5、 低電壓操作
艾德克斯電子負(fù)載在低電壓輸入下，服從0V對(duì)應(yīng)0A，2V對(duì)應(yīng)滿量程電流的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。典型的組合型燃料電池蓄電電壓一般大于2V，然而，擔(dān)心燃料電池的電壓會(huì)低于1V。因此，如果在低電壓下產(chǎn)生符合要求的大電流，可以給被測(cè)的燃料電池串聯(lián)一個(gè)直流電源來實(shí)現(xiàn)（例如IT6500C）。此時(shí)，遠(yuǎn)端電壓測(cè)量功能依然可以對(duì)燃料電池端進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。

6、 并聯(lián)操作
若燃料電池需要獲的電流，一個(gè)負(fù)載模塊無法實(shí)現(xiàn)，可以將多臺(tái)IT8900A的電子負(fù)載進(jìn)行并機(jī)以增加總電流的容量。該操作并不復(fù)雜，只需要其中一臺(tái)負(fù)載測(cè)量交流阻抗，其他負(fù)載工作在直流電流工作模式下。

四、實(shí)際測(cè)試

利用此方法測(cè)試1mR的分流器，電源、IT8906A之間串接1mR分流器，負(fù)載開啟sense功能，使用trace功能，捕捉電壓電流信號(hào)，測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

圖二、1kHz電流拉載的電壓、電流曲線及其FFT

記錄電壓、電流FFT頻譜上1KHz點(diǎn)的幅值：

可見，測(cè)試結(jié)果精度較高，此法同樣可類推到其他頻率的AC阻抗的測(cè)試。

艾德克斯IT8900A電子負(fù)載

利用IT8900A電子負(fù)載可以大大減少對(duì)燃料電池交流內(nèi)阻的測(cè)試的成本，其中，IT8900A電子負(fù)載四線接線法、500kHz的電壓、電流采樣率、低電壓大電流工作特性、從直流到10kHz的正弦信號(hào)拉載帶寬都是的測(cè)試精準(zhǔn)的重要保證。

以上內(nèi)容由深圳科瑞杰分享，如在選型/使用過程中有任何問題可留言咨詢，深圳科瑞杰是橫河DLM3000系列示波器、GP10/GP20無紙記錄儀、WT310E數(shù)字功率計(jì)深莞惠區(qū)域唯一授權(quán)代理商。

審核編輯 黃宇