电化学装置的交流阻抗测试系统及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种电化学装置的交流阻抗测试系统，包括电化学装置、控制装置、直流调节支路以及与直流调节支路并联的扰动调节支路，电化学装置连接控制装置；直流调节支路包括第一输出负载，扰动调节支路包括用于产生扰动电流的电流扰动装置和第二输出负载，控制装置用于在控制电流扰动装置开启后，将电流扰动装置的输入电流调整至预设扰动电流，并根据电化学装置的待测单片的输出电流及输出电压计算与预设扰动电流的扰动频率对应的交流阻抗。本发明专利技术还提供了一种电化学装置的交流阻抗测试方法。本发明专利技术的电化学装置的交流阻抗测试系统及方法，电路结构简单、通用性强，且进一步提高了该测试系统的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学装置
，特别是涉及一种电化学装置的交流阻抗测试系统及方法。
技术介绍
氢氧质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，简称PEMFC)是一种电化学装置，直接将化学能转换为电能，传统内燃机能量转换受到卡诺循环限制，而氢氧质子交换膜燃料电池能量转换不受卡诺循环限制，理论上其能量转换效率更高。由于参与反应的物质为氢气和空气，反应产物为水，没有产生有害排放物，因此受到人们的青睐，逐渐应用于备用电站、交通运输和移动电源等领域。质子交换膜燃料电池输出特性为直流，其单片输出电压小于1V，典型为0.7V，为了能够提供更高的电压，需要将很多燃料电池单片串联在一起，形成燃料电池电堆，其输出功率相应提高。燃料电池单片由阳极气体扩散层(GasDiffusionLayer，简称GDL)、膜电极组件(MembraneElectrodeAssemblies，简称MEA)和阴极气体扩散层组成。燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心部件，在电堆外围有许多附件系统辅助燃料电池电堆进行工作，包括空气系统、氢气系统、冷却系统、功率调节系统、增湿系统和控制系统等。空气系统负责为电堆提供适量的氧化剂即空气，需要根据工况调节进入电堆的空气的温度、压力和流量；氢气系统负责为电堆供应氢气，需要根据工况调节进入电堆的氢气压力和流量；冷却系统则通过冷却剂循环的方式使电堆温度保持合适水平，保证电堆稳定可靠运行；功率调节系统则通过调节燃料电池电堆输出电压或输出电流的方式使燃料电池系统输出特性能满足负载需求；增湿系统负责调节进入电堆的空气的湿度，过干或过湿对质子交换膜和电堆都有不利的影响，因此需要对进入电堆的空气进行湿度控制；控制系统是整个燃料电池发电系统的“大脑”，尤其对电堆外围的各个子系统进行优化控制，使得电堆处于最佳工作状态，保证电堆长期稳定可靠运行。图1为一种典型的燃料电池系统，环境空气经由空压机压缩后进入散热器，由散热器冷却后进入增湿器进行增湿，增湿后进入电堆，发生电化学反应，阴极侧的氧气会和来自阳极的氢离子发生化学反应，在输出电能的同时生产水(气态或者液态)，并大部分由阴极空气侧流出，因此参与反应后的阴极空气中氧气含量下降，水含量(湿度)增加，在电堆出口空气经冷凝器回收水分后，通过流量控制阀2排入环境中。其中空气系统能够通过空压机、流量控制阀1和2的协调控制来控制进入电堆的空气流量和空气压力，能够通过散热器调整进气温度，通过增湿器控制进气湿度。根据PEMFC的工作原理和性能特点可知，由于电堆内部反应生成的水(气态或者液态)需要经过阴极反应通道带出，如果生成的液态水不及时排除，生成的水会阻碍流道，即所谓的水淹现象，导致电堆性能下降，影响燃料电池的使用。为了提高排水能力，需要提高空气的流量或流速以便顺利吹除液态水。在怠速或小负荷时，由于生成的水量偏小，如果一直保持较大的空气流量，则容易把流道和质子交换膜表面水都吹干，导致膜过干而性能下降；如果一直保持较小的空气流量，则不容易吹走流道内的液态水而导致水淹。在燃料电池控制系统中，基于现有的传感器配置，包括阴阳极进口温度和压力传感器、阴阳极出口温度和压力传感器、阴极进出口湿度传感器，通常采用集总参数模型对燃料电池电堆内部工作状态进行观测，但由于燃料电池电堆由许多单片串联而成，受电堆供气系统结构的限制，每个燃料电池单片进气压力、温度、湿度和进气组分都有所差异，单片供气状态差异和温度差异导致单片电压出现不一致性，当供系统结构不合理和单片数量增加时，单片电压不一致性更加明显。由于不能实时观测燃料电池单片的工作状态，尤其不能及时有效判断单片是否出现水淹或膜干现象，因此通过对燃料电池供气系统和增湿系统的控制实现调节燃料电池内部工作状态难以避免出现局部燃料电池单片出现水淹或膜干现象，这对燃料电池系统性能提升是非常不利的。但是随着科学技术的进步，通过不断地深入研究，人们发现燃料电池的性能特性可以用等效电路的方式进行研究，燃料电池的工作状态与等效电路中阻抗元之间具有一定的对应关系。根据燃料电池等效电路与燃料电池性能之间的关系，以及燃料电池等效电路电阻元、电容元与燃料电池电堆不同组件所处状态之间的对应关系，通过实时获取燃料电池等效电路中电阻元和电容元的阻抗值变化，就可以准确预测燃料电池单片工作状态和燃料电池电堆整体工作状态。为获取燃料电池等效电路中电阻和电容参数，需要进行交流阻抗研究，目前市场上的商业化交流阻抗分析设备，其价格都在十万元人民币以上，其工作电压范围和电流范围都无法满足现有燃料电池广泛的应用要求，特别是燃料电池堆的单片数量可以从一片到上百片变化和燃料电池单片面积可以从几平方厘米到上百平方厘米变化。虽然商业化交流阻抗分析设备的频率测量范围广泛，但是根据文献调研结果表明，在进行燃料电池交流阻抗分析时，其可接受的频带范围是并没有这些仪器设备所描述的那么宽。
技术实现思路
鉴于上述商业化交流阻抗分析设备的成本高且通用性较差的问题，本专利技术的目的在于提供一种电化学装置的交流阻抗测试系统及方法，上述测试系统成本低且通用性高。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种电化学装置的交流阻抗测试系统，包括电化学装置、控制装置、直流调节支路以及与所述直流调节支路并联的扰动调节支路，所述电化学装置连接所述控制装置；所述直流调节支路包括第一输出负载，所述第一输出负载的输入端连接至所述电化学装置，所述第一输出负载的输出端与所述控制装置信号连接，所述控制装置监控所述第一输出负载的工作状态；所述扰动调节支路包括用于产生扰动电流的电流扰动装置和第二输出负载，所述电流扰动装置的输入端连接至所述电化学装置，所述电流扰动装置的输出端连接所述第二输出负载，且所述电流扰动装置及所述第二输出负载均连接至所述控制装置；所述控制装置用于在控制所述电流扰动装置开启后，将所述电流扰动装置的输入电流调整至预设扰动电流，并根据所述电化学装置的待测单片的输出电流及输出电压计算与所述预设扰动电流的扰动频率对应的交流阻抗。在其中一个实施例中，所述控制装置包括控制器及用于监测所述电化学装置的各个待测单片的输出电压的电压巡检装置；所述电化学装置的各个单片的电压测量端均连接至所述电压巡检装置，所述电压巡检装置连接所述控制器，所述控制器用于选定待测单片，并控制所述电压巡检装置采集选定的所述待测单片的输出电压。在其中一个实施例中，所述电压巡检装置包括与所述电化学装置的各个单片连接的单片选通模块和信号处理模块；所述单片选通模块用于根据所述控制器的控制信号采集所述待测单片的输出电压；所述信号处理模块与所述控制器连接，用于将所述待测单片的输出电压传送至所述控制器。在其中一个实施例中，还包括第一电压检测装置及用于检测所述电化学装置输出电流的第一电流检测装置；所述第一电压检测装置的输入端连接在所述电化学装置的输出端，所述第一电压检测装置的输出端连接至所述电压巡检装置和所述控制器的公共端；所述第一电流检测装置串联设置在所述电化学装置的输出端，所述第一电流检测装置连接至所述电压巡检装置和所述控制器的公共端。在其中一个实施例中，所述直流调节支路还包括用于检测所述第一输出负载的输入电流的第二电流检测装置，所述第二电流检测装置连接至所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，包括电化学装置、控制装置、直流调节支路以及与所述直流调节支路并联的扰动调节支路，所述电化学装置连接所述控制装置；所述直流调节支路包括第一输出负载，所述第一输出负载的输入端连接至所述电化学装置，所述第一输出负载的输出端与所述控制装置信号连接，所述控制装置用于监控所述第一输出负载的工作状态；所述扰动调节支路包括用于产生扰动电流的电流扰动装置和第二输出负载，所述电流扰动装置的输入端连接至所述电化学装置，所述电流扰动装置的输出端连接所述第二输出负载，且所述电流扰动装置及所述第二输出负载均连接至所述控制装置；所述控制装置用于在控制所述电流扰动装置开启后，将所述电流扰动装置的输入电流调整至预设扰动电流，并根据所述电化学装置的待测单片的输出电流及输出电压计算与所述预设扰动电流的扰动频率对应的交流阻抗。

【技术特征摘要】
1.一种电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，包括电化学装置、控制装置、直流调节支路以及与所述直流调节支路并联的扰动调节支路，所述电化学装置连接所述控制装置；所述直流调节支路包括第一输出负载，所述第一输出负载的输入端连接至所述电化学装置，所述第一输出负载的输出端与所述控制装置信号连接，所述控制装置用于监控所述第一输出负载的工作状态；所述扰动调节支路包括用于产生扰动电流的电流扰动装置和第二输出负载，所述电流扰动装置的输入端连接至所述电化学装置，所述电流扰动装置的输出端连接所述第二输出负载，且所述电流扰动装置及所述第二输出负载均连接至所述控制装置；所述控制装置用于在控制所述电流扰动装置开启后，将所述电流扰动装置的输入电流调整至预设扰动电流，并根据所述电化学装置的待测单片的输出电流及输出电压计算与所述预设扰动电流的扰动频率对应的交流阻抗。2.根据权利要求1所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述控制装置包括控制器及用于监测所述电化学装置的各个待测单片的输出电压的电压巡检装置；所述电化学装置的各个单片的电压测量端均连接至所述电压巡检装置，所述电压巡检装置连接所述控制器，所述控制器用于选定待测单片，并控制所述电压巡检装置采集选定的所述待测单片的输出电压。3.根据权利要求2所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述电压巡检装置包括与所述电化学装置的各个单片连接的单片选通模块和信号处理模块；所述单片选通模块用于根据所述控制器的控制信号采集所述待测单片的输出电压；所述信号处理模块与所述控制器连接，用于将所述待测单片的输出电压传送至所述控制器。4.根据权利要求2所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，还包括第一电压检测装置及用于检测所述电化学装置输出电流的第一电流检测装置；所述第一电压检测装置的输入端连接在所述电化学装置的输出端，所述第一电压检测装置的输出端连接至所述电压巡检装置和所述控制器的公共端；所述第一电流检测装置串联设置在所述电化学装置的输出端，所述第一电流检测装置连接至所述电压巡检装置和所述控制器的公共端。5.根据权利要求2所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述直流调节支路还包括用于检测所述第一输出负载的输入电流的第二电流检测装置，所述第二电流检测装置连接至所述控制器。6.根据权利要求2所述的电化学装置的交流阻抗测试系统，其特征在于，所述扰动调节支路还包括用于检测所述电流扰动装置的输入电流的第三电流检测装置，所述第三电流检测装置连接至所述控制器，所述控制器还用于根据所述第三...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪坡，江宏亮，李建秋，徐梁飞，欧阳明高，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11