燃料电池的交流阻抗测量技术分析

随着保护地球环境意识的提高，燃料电池作为一种储存电能的新方法而受到关注。
从大容量基础设施到中等容量基础设施，再到笔记本电脑等移动设备的超紧凑型基础设施，各地激烈的开发竞争正在激烈进行。
有多种方法可以将氢储存为燃料并将其转化为电能。

测量的意义

电池主要评估静态参数，例如它们可以存储的功率和可以提取的最大电流，但要评估动态响应，有必要知道阻抗的频率特性。
还必须阐明内部电化学反应过程与电性能之间的对应关系。

问题所在

燃料电池的阻抗根据输出的电流值而变化很大。
因此，在连接负载的情况下，必须单独测量燃料电池的阻抗。
不能使用 LCR 仪表进行此测量。

直流电施加到测量仪器

由于对方是电池，因此在测量仪器的测量端子上增加了一个大的直流电。
由于这种直流电压，存在输入和输出电路（如LCR仪表和网络分析仪）饱和或损坏的风险。
可以插入一个电容器来切断直流电，但由于电源的输出阻抗很小，因此需要一个大的耦合电容器。
考虑到低频（例如低于 10 Hz）的测量，这不是一个现实的想法。

存在并联阻抗

有必要在连接负载的情况下进行测量，但您想知道的是电源的阻抗。 它不是与负载的组合阻抗。
LCR仪表检测设备内部的电流，因此不可能仅测量特定部件的阻抗。

• LCR 仪表和测量在电流

这将是极低频率的测量

为了阐明由电化学反应引起的现象，有必要测量1Hz或更低的频率，在某些情况下，极低的频率低至1/1，100（<> μ）Hz。
LCR 仪表、网络分析仪和阻抗分析仪无法处理此频率范围。

溶液

FRA 的工作原理

在极低频测量中，测量可能需要很长时间，因此使用个人计算机自动测量很方便，如右图所示。
交流电子负载装置一起使用，因此可以通过各种方式设置负载电流。

程序如下：
FRA信号源输出信号连接到电子负载的信号输入端，电子负载的电压和电流输出连接到FRA，在电子负载处设置直流负载电流。
接下来，将小的交流负载变化从 FRA 施加到电子负载设备上。
FRA捕获燃料电池的交流电压和电流变化。

优点

• 由于FRA的测量输入具有高耐压，因此根据测量对象的输出，不存在饱和或损坏的风险。
  例如，FRA 5095 的最大输入电压为 250Vrms/350Vp。 更重要的是，它是自动量程的，因此您无需设置范围。

• 由于对直流电没有灵敏度，因此可以对交流电具有最佳灵敏度进行测量。

• FRA 可以从 0.1 mHz 的极低频率测量。 上限因型号而异，但可以测量高达 15 MHz （FRA5096），并且在此范围内可以扫描的频率范围没有限制。

• 由于测量流过负载的电流（=燃料电池的输出电流），因此无需担心与负载并联测量阻抗。
  负载电流的大小可以由电子负载自由设置。

实际测量示例

以下是实际测量的示例。
在电化学测量中，如图所示，在复平面上描绘阻抗随频率变化的轨迹的Kohlkohl图很常见。
此外，由于提取了电压和电流，因此也可以绘制正常的电流-电压特性图（Tafel图*）。

* Tafel 图通过在任意点设置直流电来测量直流电。