专利名称：燃料电池阻抗的测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池阻抗的测量，尤其涉及用于进行燃料电池内阻实时测量的便携式独立装置。
背景技术：
正如在2000年对燃料电池30亿美元的市场估算所看到的那样，燃料电池作为替代能源正变得日益重要起来。这是由于它们优于常规能源如蓄电池和内燃机。例如，因为能持续不断地给它提供空气和燃料(即氢、重整的天然气(富氢气体)和甲醇)，所以燃料电池比蓄电池能在较长时段内提供电能。而且，燃料电池不会耗尽也无需再充电。燃料电池也是高效设备，其效率高达60％。这比效率达到40％的内燃机还高。燃料电池也没有有害气体放出，因为相对于燃烧而言，燃料电池依赖于化学反应，而且在运行时产生很小的噪音。所有这些特性使得燃料电池是用于小汽车、公共汽车、城市电站、空间飞行和蜂窝电话的理想能源。
为了评价燃料电池的电效率，其内阻的测定是通过交流(AC)阻抗测量来实现的。此测量是重要的，因为它为研究燃料电池的各种物理和化学特性创造了条件。此阻抗测量也可以用在反馈机制中以提高燃料电池的性能。
文献指出燃料电池的复数阻抗测量只能使用昂贵的顶级实验室装备来实施，这些装备包括许多相互对接的子系统。例如T.E.Springer，T.A.Zawodzinski，M.S.Wilson and S.Gottesfield，“Characterization of polymer electrolyte fuel cells using ACImpedance spectroscopy”，Journal of the ElectrochemicalSociety of America，143(2)，p.587-599，1996；H.R.Selman andY.P.Lin，“Application of AC impedance in fuel cell researchand development”，Electrochemical Acta，38(14)，p.2063-2073，1993；B.Elsener and H.Bolmi，“Computer-assisted DC and ACtechniques in electrochemical investigations of theactive-passive transition”，Corrosion Science，23(4)，p.341-352，1983.。这种已知装备没有安装自动机构是手控的。没有一个已知方法能够使用便携式集成测量系统。加之，也没有将测量装备组合成允许修改燃料电池运行参数的系统。
而且，该专利文献说明复数阻抗测量起初知道是用于蓄电池。加之，这些专利只对测量单一的量提出保护，即“阻抗” (美国专利4,697,134和5,773,978)或“电阻”(美国专利3,753,094，3,676,770和5,047,722)。先前涉及测量电化学电池的阻抗，并不一定是燃料电池。专利(美国专利6,002,238)，其使用了一种完全不同而且复杂的方法。另外，由于同后者相关的强电流造成此方法不能直接应用于燃料电池。
因此在燃料电池阻抗测量中仍需说明和改进的问题是轻便性、燃料电池的适用性、测量的多样性和分辨率、自动化和成本。
一般来说，燃料电池是一种将化学反应能转变成电的设备。它不同于蓄电池之处在于只要提供燃料和氧化剂燃料电池就能够产生能量。
通过使燃料和氧化剂同两个适当的电极和电解质接触，燃料电池就产生电动势。例如，在第一电极上引入一种燃料，如氢气，在存在电解质和催化剂情况下，在那里它发生电化学反应在第一电极上产生电子和阳离子。这些电子通过连接电极间的电路从第一电极环流到第二电极。阳离子则经过电解质传输第二电极。同时，引入一种氧化剂，典型地空气、浓集了氧的空气或氧，到第二电极上，在存在电解质和催化剂情况下，在那里氧化剂起电化学反应，产生阴离子并消耗通过电路环流的电子；阳离子在第二电极上被消耗。在第二电极或阴极上产生的阴离子同阳离子作用形成一种反应产物如水。换句话说第一电极或阳极可以叫做燃料或氧化电极，以及第二电极可以叫做氧化剂或还原电极。在两个电极上的半电池反应是，分别如下第一电极第二电极外电路提取电流并因此接受电池的电功率。整个燃料电池反应产生电能，它是上面描写的独立的半电池反应的总和。水和热是该反应的典型副产品。
实际上，燃料电池不以单个的单元来运行。而是，将各燃料电池串联，将一个堆叠在另一个上面，或并排安放。一组燃料电池，叫做燃料电池堆，通常包封在外壳中。燃料和氧化剂通过集气管(mainfold)被引向各电极，而用反应物或用冷却介质来提供冷却。而且所述燃料电池堆的内部是集电器，电池到电池密封和绝缘，而在燃料电池堆的外部提供所需的抽运系统和仪器设备。该块、外壳、相关硬件组成燃料电池模件。
燃料电池可以根据电解质是液体或是固体的电解质的类型来分类。本发明起初牵涉到的是使用固体电解质的燃料电池，如质子交换膜(PEM)，的燃料电池。该PEM必须保持以水来湿润，因为目前可用的膜在干燥时将不能有效地运行。因此，在燃料电池运行期间该膜需要保持湿润，一般是给反应物气体，通常为氢和空气，加水。
用于固体聚合物燃料电池中的质子交换膜充当电解质以及作为防止各反应物气体混合的阻挡层。一种适当的膜的实例是共聚全氟化碳材料，它含有氟化碳链和磺酸组的基本单元。此膜的分子构型可以有变化。如果燃料电池运行在完全水合的、基本饱和的条件下，使用这些膜能获得极好的性能。因此此膜必须不断地加湿，但同时此膜不必过度加湿或被淹没，因为这会降低性能。而且，为防止此块冻结燃料电池堆的温度必须保持在冰点以上。
冷却、湿润和加压的要求提高了燃料电池的价格和复杂性，降低了它在许多应用中作为替代能源的商业吸引力。因此，燃料电池研究的进展正使燃料电池能在无需反应物调节、和在呼吸空气、大气压条件下运行，而维持可用的功率输出。
在使用固体聚合物质子交换膜(PEM)的场合，一般来说这是在由多孔的、导电的材料构成的两个电极之间进行配置。各电极一般是用疏水的聚合物如聚四氟乙烯浸透或涂敷。在每个膜/电极的界面上提供催化剂，典型地使用细分的催化剂，以催化需要的电化反应。该膜/电极组件安装在两个导电的平板之间。其每个至少在其中形成一条(流体)流道。典型地由石墨构成流体流经的导电燃料平板。此流道将燃料和氧化剂引导到各自的电极上，即在燃料一侧的阳极和在氧化剂一侧的阴极。各电极通过电路进行电连接，以给电极问导电的电子提供通路。像任何常规电路一样，在电路中可以安装气电开关等装备。用于这样的燃料电池的燃料通常是氢，或来自其他燃料的富氢重整产品(“重整产品”指通过重整烃燃料成为包含氢和其他气体的气体燃料而得到的一种燃料)。在阴极一侧的氧化剂可以由各种来源提供。对某些应用，为了制造更小型的燃料电池、减少流道的尺寸等，希望提供纯氧。然而，通常是提供空气作为氧化剂，因为这容易得到和不需任何独立的或瓶装的气源。而且，在空间限制不是问题，例如固定式应用等，以大气压条件下提供空气是方便的。在此情况下，通常是简单地提供通过燃料电池堆的通道以为作为氧化剂的空气的流动创造条件，由此大大地简化整个燃料电池组件的结构。而不是为氧化剂提供独立的回路，就能简单布置燃料电池堆以提供排气口，和可能的某种风扇或其他同类的东西来增强空气的流动。
发明内容
本发明涉及一种设备独立的便携式装置，它用于以分立的频率来测量燃料电池的复数阻抗的实分量和虚分量。该系统包括中央处理机(CPU)、频率合成器、燃料电池、负载组和测量及获取电路。该CPU接收来自软件程序的输入参数并把该参数传输到信号发生设备，此设备产生具有给负载组遥控编程的直流(DC)补偿的AC波形。该负载组从燃料电池引出电流。燃料电池两端的电压和通过燃料电池的电流利用电压和电流读出电路来测量，然后用示波器或模/数(A/D)转换器来数字化和取平均。这样记录的数据传送CPU，在那里计算交流(AC)相位的提前和滞后。于是许多输出，包括实阻抗、虚阻抗、相差、提前分量、滞后分量、电流幅度、电压幅度和施加的AC电压，都能由本发明来显示。
本发明的另一方面在于此装置考虑了能够不断更新的实时测量。这些测量能自动进行以提高测量速度和简易性，这使之在评估大量的燃料电池中非常有用。此外，当燃料电池同此测量系统对接时，可以容易地监测参数的变化如流速、燃料电池的温度，和湿润水平对燃料电池阻抗的影响。这就能允许对燃料电池的运行参数进行修改。
根据本发明的第一方面，提供一种装置用以至少确定燃料电池的复数阻抗的实部，此装置包括，一种能同燃料电池连接的负载设备以从燃料电池引出电流；一种跨接在燃料电池两端的电压读出电路用于读出燃料电池两端电压；一种电流读出电路，用以读出由负载设备从燃料电池引出的电流；其中配置负载设备以为引出具有叠加交流信号的直流；以及一种分析设备，它同电压读出电路和电流读出电路相连，用以分析测得的电压和电流来确定在不同的频率下燃料电池阻抗的实部和虚部，由此能够确定燃料电池阻抗的实部。
根据本发明的另一方面，提出至少确定燃料电池复数阻抗实分量的一种方法，该方法包括(1)施加一个负载到燃料电池上以便从燃料电池引出电流，该电流包括直流成份和交流成份；(2)改变交流成份的频率；(3)测量燃料电池两端的电压和从燃料电池引出的电流；(4)由测得的电流和测得的电压来确定不同频率下的实阻抗和虚阻抗；以及(5)根据在前面步骤中确定的实阻抗和虚阻抗，来确定实阻抗，对于零虚阻抗，就表示燃料电池的总实阻抗。
为了更好地理解本发明和更清楚地说明它是如何实现的，作为实例，现在来参看附图，其中图1是同本发明的一种优选实施方案相一致的装置示意图，其中结合有CPU、频率合成器、试验燃料电池、负载组、和测量与获取电路；和图2是表示实阻抗和虚阻抗随频率变化的Nyquist曲线图。
优选实施方式参看图1，它说明一种设备独立的、便携式装置10的优选实施方案，如以下描述那样用于在分立的频率进行燃料电池的阻抗测量。CPU20，经过RS-232串行链接协议40接收软件程序30(在此情况下一种用户内部软件程序-FCATS，为Fuel Cell Automated TestStation的缩写)的输入。某些输入包括频率、AC幅度、DC补偿电流和燃料电池活性区。该CPU20经过数据总线60传送输入参数到频率合成器50。该CPU20也经过RS-232串行链接协议80接收数据，所述数据包括来自波形获取设备70的测得的燃料电池两端的电压和测得的通过燃料电池的电流。然后该CPU20计算各种所关心的参数并经过RS-232串行链接协议40将这些参数输出到软件程序30。输出的参数包括实阻抗、虚阻抗、相位差、提前分量、滞后分量、电流幅度、电压幅度和施加的AC电压。
测试的燃料电池以90表示并同负载组100串联。应当明白在所述方面和各项权利要求中，燃料电池意思是单一的燃料电池、燃料电池堆或在电池块中选出的一个或更多的电池。负载组100是一种标准的负载组，它能被设定以施加所需的电压，或引出所需的电流。如下面的详述，为了测量电流，在包括燃料电池90和负载组100的电路中装配了分路器110。
频率合成器50同负载组60相连，其用途有二。第一，频率合成器以需要的频率产生周期的A.C.波形，以及第二，频率合成器提供DC补偿，它用于为负载组60遥控编程。该DC补偿或控制信号给负载组60编程以引出所需的、大的DC电流。该A.C.波形或信号叠加在DC电流上并且一般较小。频率合成器50经过去耦电容器/缓冲器组合140也同波形获取设备70的触发器输入相连。
燃料电池90两端的电压降通过差分放大器120以公知的方式测量。通过使用差分放大器130测量分路器电阻110两端的电压降，来间接地测量通过燃料电池90的电流。
使用波形获取设备70将测得的燃料电池90两端的电压降和通过燃料电池90的电流数字化和取平均，波形获取设备70可以是示波器。另一方面，A/D转换器也可用于此目的。其次经过RS-232串行链接协议80将测得的值传送到CPU20(在那里它们被储存起来用于处理)。CPU20使用此数据来计算测得的燃料电池90两端的电压降和通过燃料电池90的电流之间的AC相位提前或滞后(以度为单位)。然后CPU20计算燃料电池90阻抗的实分量和虚分量。在每个需要的频率重复进行这些计算。接着采用每个频率一个点通过绘制实阻抗分量相对虚阻抗分量的曲线产生Nyquist曲线图。此频率扫描使人们能够确定在哪个频率该虚分量降到零。在此频率的实分量就是燃料电池90内阻的精确量度。当将本发明同非常昂贵的顶级的、非集成化系统相比，发明者们已经指明误差水平其幅度小于1％而相位小于1度。
现在参看图2，它展示使用本发明的装置获得的示范的Nyquist曲线图。水平轴表示以Ωcm2为单位的实阻抗以及垂直轴表示以Ωcm2为单位的虚阻抗。这些数值是通过用该电池或电池块中一个电池的表面积乘实际的阻抗值来确定的。于是这就产生出不依赖于电池面积，即刚好由电池特性确定的阻抗值的表示。如所展示的那样，随频率变化的电阻是从100kHz起而改变，如150所指示的，经过所取的各点，包括1kHz，2kHz，直到10kHz，以152指示。此曲线的第一部分是在水平轴的上面，表示负的虚阻抗，而第二部分是在该轴之下，代表正的虚阻抗。该曲线同该轴相交之处，即那里存在零虚阻抗，以154指示，该实阻抗近似是0.098Ωcm2。由于此点虚分量是零，此点是该电阻的实分量的值。
生产出的同现发明相一致的燃料电池阻抗测量系统10有若干好处。一旦确定了燃料电池的内阻，就可以就它们的电效率水平对燃料电池进行快速和方便的评价，这将为在不同的燃料电池之间进行简易的比较创造了条件。消除了旧式阻抗测量系统的局限性如笨重和过高的价格。该装置可以是便携式，重量在30磅之下，以及同使用RS-232通信协议的个人计算机(PC)应用兼容，并且应当理解可以采用任何其他标准的通讯协议。
燃料电池阻抗测量系统10也为能不断更新的实时测量创造了条件。这些测量可以自动进行以提高测量速度和简易性。因此当燃料电池既同燃料电池阻抗测量系统10又同FCATS软件30对接时，参数的变化如流速、燃料电池的温度、和湿润性水平对燃料电池阻抗的影响都可以方便地检测。此软件30允许对燃料电池的运行参数进行修改。
本发明对燃料电池膜的评价、最佳调节估价、和作为一种反馈机制(指导设备的平衡，或在高阻抗期间燃料电池的调节)(但不限于此)是特别有用的。最后，可以预期本发明能够用于机动或交通工具的应用设备以及固定式的应用设备中，而燃料电池的参数如气体的流量、湿润性和温度作为一种控制器。
该不用说，在不偏离所附权利要求规定的本发明范围的情况下，能够对在此描述和说明的优选实施方案进行各种修改。
权利要求
1.一种用于确定至少燃料电池复数阻抗实分量的装置，该装置包括，一种可与燃料电池连接的负载设备用于从燃料电池中引出电流；一种可跨接在燃料电池两端的电压读出电路用于读出燃料电池两端的电压；一种电流读出电路，用于通过该负载设备读出从燃料电池引出的电流，其中配置该负载设备以引出具有叠加的交流信号的直流；以及一种与电压读出电路和电流读出电路相连接的分析设备，用于分析测出的电压和测出的电流，以确定不同频率处的燃料电池阻抗的实部和虚部，由此能够确定燃料电池阻抗的实部。
2.如权利要求1中所要求的装置，其中分析设备包括波形获取设备，当用电压测量电路和电流测量电路进行测量时，所述波形获取设备接收燃料电池两端地电压和通过燃料电池的电流的测量数据；以及连接到所述波形获取设备的单独数据处理设备。
3.如权利要求2中所要求的装置，其中负载设备包括可编程的负载组，以提供所需的直流负载和所需电压之一，以及用于将交流信号叠加在流经燃料电池和负载组的直流上的设备。
4.如权利要求3中所要求的装置，其中叠加交流信号的设备包括频率合成器。
5.如权利要求4中所要求的装置，其中频率合成器与负载组连接，用以把交流信号施加到负载组以及给负载组提供编程信号，以将负载组编程到需要的水平。
6.如权利要求5中所要求的装置，其中频率合成器通过一个电容器和一个缓冲器之一连接到波形获取设备。
7.如权利要求6中所要求的装置，其中数据处理设备连接到频率合成器，用以给频率合成器提供信号参数。
8.如权利要求7中所要求的装置，其中数据处理设备连接到软件程序用以提供关于燃料电池特性的数据。
9.如权利要求8中所要求的装置，其中数据处理设备包括嵌入的CPU或微处理器之一。
10.如权利要9中所要求的装置，其中频率合成器包括一个附属的产生需要波形的数/模转换器。
11.如权利要1，2或10中所要求的装置，其中电压读出电路包括差分放大器。
12.权利要11中所要求的装置，其中电流读出电路包括一个分路电阻，用以同燃料电池和负载设备串联，和跨接在分路电阻两端的第二差分放大器。
13.如权利要12中所要求的装置，其中波形获取设备包括示波器。
14.如权利要12中所要求的装置，其中波形获取设备包括A/D转换器。
15.确定至少燃料电池复数阻抗实分量的方法，该方法包括(1)给燃料电池施加负载以便从燃料电池引出电流，该电流包括直流成份和交流成份；(2)改变该交流成份的频率；(3)测量燃料电池两端的电压和从燃料电池引出的电流；(4)由测得的电流和测得的电压确定不同频率下的实阻抗和虚阻抗；和(5)由在上述步骤中确定的实阻抗和虚阻抗，确定实阻抗，对于零虚阻抗，就表示燃料电池的总实阻抗。
16.如权利要15中所要求的方法，它包括提供负载组，该负载组与燃料电池串联连接，同时把负载组设定到需要的值以确定从燃料电池引出的DC电流。
17.如权利要16中所要求的方法，它包括提供来自频率合成器的AC电流和将此AC电流叠加在流经负载组的直流上。
18.如权利要17中所要求的方法，它包括提供跨接在燃料电池两端的第一差分放大器，用以确定燃料电池两端的电压，提供同燃料电池和负载组相串联的分路器，和提供跨接在分路器两端的第二差分放大器和从分路器两端电压确定流经燃料电池的电流。
19.如权利要18中所要求的方法，它包括在波形获取设备中处理来自第一和第二差分放大器的波形，和把测量数据从波形获取设备传送到数据处理设备中。
20.如权利要19中所要求的方法，它包括提供频率合成器与波形获取设备之间的连接以及数据处理设备与频率合成器之间的连接，这些连接用于传送数据，和把信号参数从数据处理设备供给频率合成器。
全文摘要
本发明公开了一种设备独立的价格合理的便携式装置，用于以分立的频率测量燃料电池复数阻抗的实分量和虚分量。该装置包括CPU、信号发生设备、燃料电池、负载组、电流和电压读出电路和波形获取设备。可以实时和自动地进行测量。计算燃料电池的内阻，由此提供该燃料电池电效率的指示。
文档编号H01M8/04GK1466689SQ01816509
公开日2004年1月7日 申请日期2001年9月27日 优先权日2000年9月29日
发明者N·A·弗雷曼, S·马西, R·B·戈帕尔, P·里瓦德, N A 弗雷曼, 叩, 戈帕尔 申请人:洁能氏公司