测量多电池电化学装置中电池的阻抗和电压特性的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了用来测量诸如电池或燃料电池组等多电池电化学装置中电池的阻抗和电压特性的一种方法和装置。在个别电池或一组电池上测量电压。同时将一个负载与电化学装置串联连接。优选地，利用一个可以包括某种形式微处理器的控制器总体控制电压测量装置和负载。这样就能控制负载提供所需的直流和交流电流特性组合。设置适当的直流和交流电流特性就能测量出个别电池的所需阻抗特性。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到测量燃料电池组的电压和高频电阻的系统和方法。本专利技术具体涉及到测量单个燃料电池电压和电池串联层叠的一个燃料电池组的电阻的系统和方法。
技术介绍
燃料电池是一种电化学装置，通过使燃料(通常是氢)和氧化剂(通常是空气)与两个相配的电极和一种电解液形成接触而产生电动势。从第一电极即阳极上引入的燃料例如是氢气与电解液发生电化学反应在第一电极中产生电子和阳离子。电子通过连接在电极之间的电路从第一电极被引向第二电极。阳离子通过电解液到达第二电极。同时，一种氧化剂例如是氧气或空气被引入第二电极，使氧化剂与电解液和催化剂发生电化学反应产生阴离子并消耗循环通过电路的电子；阳离子在第二电极上被消耗。在第二电极或阴极上形成的阴离子与阳离子发生反应形成反应产物。第一电极或阳极也被称作燃料或氧化电极，而第二电极或阴极也被称作氧化剂或还原电极。两个电极上的半电池反应分别表示如下外部电路消耗电流并因此从电池接收电能。完整的燃料电池反应按上述独立半电池反应的合成产生电能。反应的副产品主要是水和热量。实际的燃料电池不是作为一个单位来工作的。而是将燃料电池串联连接，逐个层叠，或是并排连接。一串燃料电池称为一个燃料电池组通常被包在一个外壳内。燃料和氧化剂直接由集管通到电极，而冷却是通过反应物或是通过单独的冷却介质实现的。在电池组内还有一个集流器，电池与电池之间被密封和隔离，用管路和仪器从外部连接到燃料电池组。电池组，外壳，和相关的硬件组成燃料电池模块。为了确保燃料电池组正常工作并且评估其性能，必须要监视各种参数。这些参数包括燃料电池组中各个电池上的电压，以下称为电池电压，以及各个燃料电池的内部电阻。文献显示只有用昂贵的工作台面实验室设备才能对燃料电池执行复数阻抗测量，它包括相互接口的许多子系统。例如有T.E.Springer，T.A.Zawodzinski，M.S.Wilson和S.Gottesfield发表在Journal of theelectrochemical Society of America，143(2)，p.587-599，1996上的“Characterization of polymer electrolyte fuel cells using AC impedancespectroscopy”；J.R.Selman和Y.P.Lin 发表在ElectrochemicaActa，38(14)，p.2063-2073，1993上的“Application of AC impedance in fuel cellsresearch and development”；B.Elsener and H.Bolmi发表在CorrosionScience，23(4)，p.341-352，1983上的“Computer-assisted DC and AC techniques inelectrochemical investigations of the active-passive transition”。这种公知设备是人工控制的，没有自动化替代品。没有一种公知方案能采用便携集成的测量系统。也没有在这些系统中集成能够修改燃料电池工作参数的测量设备。另外，专利文献显示复数阻抗的测量主要是用在电池上。另外，这些专利仅仅提供了测量单一量值即“阻抗”(美国专利US4,697,134和5,773,978)或“电阻”(美国专利US3,753,094，3,676,770和5,047,722)的技术。所述专利涉及到测量电化学电池(不一定是燃料电池)的阻抗(美国专利US6,002,238)，采用更复杂的完全不同方案。另外，由于燃料电池的电流大，这种方案不能直接应用于燃料电池。因此仍然存在需要解决的问题，例如有便携性，例如电池适用性，测量变量，分辨率，自动化和成本。这些问题在本申请人未决的美国专利申请US09/672,040号中在一定程度上得到了解决，其中提供了一种内含测量燃料电池阻抗的便携式装置/系统及其方法。该系统包括一个CPU，频率合成器，燃料电池，负载排，及一个测量和采集电路。CPU从软件程序接收输入参数，并将参数发送给信号发生装置产生一个带直流偏移的交流波形，用来对负载排执行遥控程序。负载排从燃料电池吸取电流。用电压和电流检测电路测量燃料电池上的电压和流经燃料电池的电流，然后用一个示波器或A/D变换器数字化并取平均值。记录数据被发送给CPU计算交流相位超前或滞后。可以用监视器显示数值输出，包括实部阻抗，虚部阻抗，相位差，超前分量，滞后分量，电流幅值，电压幅值和施加的交流电压。然而，在先申请的专利技术在对大量燃料电池组成的燃料电池组进行测量时的用途是有限的，采用常规测量装置难以测量电压。在先专利申请没有具体描述实时测量燃料电池组内个别燃料电池内部电阻的方案。为了测量电池电压，在每个燃料电池的两个端子(即阳极和阴极)上需要测量差分电压。然而，由于燃料电池是串联连接的，并且电池数通常很大，有些端子上的电压对于直接测量电流有效值的当前半导体测量装置可能是过高了。例如对于每个电池电压为0.95V的100个电池组成的燃料电池组，顶端电池负端子(阴极)上的实际电压是94.05V(即0.95*100-0.95)。这一电压会超过一般用来测量电压的大多数电流差分放大器的最大允许输入电压。本申请人未决的美国专利申请US09/865,562号为这一问题提供了一种解决方案。这一专利申请所提供的系统用来监视燃料电池组中个别燃料电池的电池电压；美国专利申请09/865,562和09/672,040号的内容可供本文参考。该系统包括多个差分放大器，一个多路复用器，模数变换器，控制器和一台计算机。各个差分放大器读出各个燃料电池两端的电压。模数变换器通过多路复用器读出差分放大器的输出，多路复用器能在每一时间接入这些差分放大器之一。模数变换器的数字输出被提供给计算机进行分析。计算机控制模数变换器和多路复用器的操作。然而，该专利申请中的电压监视系统仅能测量个别燃料电池上的直流电压。与此相反，美国专利申请09/672,040对燃料电池阻抗的测量包括在整个燃料电池组上施加交流和直流电压，无论它是单个燃料电池还是许多燃料电池的电池组。因此，仍然需要有一种适合用来测量燃料电池组，特别是对于大量燃料电池组成的电池组内个别燃料电池内部电阻的系统。专利技术概述按照本专利技术的一方面提供了一种测量燃料电池电压和阻抗的系统或装置。该装置包括电压测量装置，它包括跨接在电化学装置的电池之间的多个测量点之间的多个输入端，用来产生指示测量电压的电压信号；能够与电化学装置串联连接的负载；以及连接并且控制电压测量装置和负载的一个控制器，用来测量负载的特性并且从电压测量装置接收电压信号。负载适合吸取带叠加的交流波动电流的直流电流，并且控制器适合控制负载提供所需的直流和交流负载电流特性。电压测量装置能够为电压信号提供多个主通道，其中有一个通道用于相邻测量点上的电压，电压测量装置包括一个通道分离器，用来将主通道分离成用于相邻测量点上电压的直流分量的第一通道，以及可选的用于相邻测量点上电压的交流分量的第二通道。电压测量装置还优选包括连接到电压测量装置输入端的多个仪器放大器，并具有提供多个主通道的输出以本文档来自技高网...

【技术保护点】
用来测量多电池电化学装置中电池的阻抗和电压特性的一种装置，该装置包括：电压测量装置，它包括跨接在电化学装置的电池之间的多个测量点上的多个输入端，用来产生指示测量电压的电压信号；能够与电化学装置串联连接的负载；以及连接 并且控制电压测量装置和负载的一个控制器，用来控制负载的特性并且从电压测量装置接收电压信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：NA弗里曼，S马西，RB戈帕尔，
申请(专利权)人：水吉能公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]