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試可以識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)載可以簡化測量過程，本文將介紹如何使用ITECH電子負(fù)載實現(xiàn)交流阻抗測試的方法。

一、為什么需要測量交流阻抗

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試至關(guān)重要。

此外，直流測試法由于無法區(qū)分薄膜阻抗和極化阻抗，因此，只能采用交流測試法（四線制測試）。該測量有助于確定燃料電池系統(tǒng)中的運(yùn)動阻力，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、怎樣測量燃料電池的交流阻抗

測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)在于測試方法簡單，然而測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)線阻抗會產(chǎn)生瞬態(tài)反向電動勢。

EIS電化學(xué)阻抗譜可測定的頻率范圍很寬，因此可以測試出最為全面的數(shù)據(jù)，包括動力學(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試法，可以看成是EIS測試法的簡化版。此法相較于電流跌落法也更安全。采用信號發(fā)生器發(fā)生交流正弦波，配合IT8900A外部模擬量接口動態(tài)拉載，可以方便測試電壓和電流波形的相位差。這種測試方法比電流瞬跌法簡單易操作，兩種方法測試結(jié)果一致。

三、測量燃料電池交流阻抗的設(shè)備

測量交流阻抗可以用一臺直流電子負(fù)載IT8900A、一臺信號發(fā)生器和一個裝有相應(yīng)軟件的電腦。其他可選儀器包括一臺輔助電源。測試方法如圖一所示，當(dāng)燃料電池輸出電壓過低時，為保證電子負(fù)載能正常帶載，往往需要一臺輔助電源。通過信號發(fā)生器輸出測試頻率的正弦波信號，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）。這個方法適用于燃料電池全頻帶內(nèi)任何一個頻率點(diǎn)的測試，進(jìn)而可以得出電化學(xué)阻抗譜。

圖一、燃料電池測試連接框圖

信號發(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)載是上述測量方法的核心硬件，因其具有以下多個特性，特別適用于燃料電池AC阻抗的測試。

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，可在電子負(fù)載已有直流片之下，疊加出需要的正弦激勵信號。當(dāng)負(fù)載的輸入電壓大于或者等于3V時，信號的帶寬可以達(dá)到10KHz，當(dāng)電壓低于3V時，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)載激勵電流不能為負(fù)值，因為這些負(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候，就會在被測儀器到負(fù)載端子的連接線產(chǎn)生較大壓降。為了保證測量精度，負(fù)載在后面端子提供一個遠(yuǎn)端量測端子，用戶可以用該端子量測導(dǎo)線上損失的壓降。在使用遠(yuǎn)端量測功能前，要先設(shè)定負(fù)載為遠(yuǎn)端量測模式。

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對應(yīng)0A，2V對應(yīng)滿量程電流的線性對應(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，可以給被測的燃料電池串聯(lián)一個直流電源來實現(xiàn)（例如IT6500C）。此時，遠(yuǎn)端電壓測量功能依然可以對燃料電池端進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

6、 并聯(lián)操作
若燃料電池需要獲的電流，一個負(fù)載模塊無法實現(xiàn)，可以將多臺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，只需要其中一臺負(fù)載測量交流阻抗，其他負(fù)載工作在直流電流工作模式下。

四、實際測試

利用此方法測試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，測試結(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)載可以大大減少對燃料電池交流內(nèi)阻的測試的成本，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的正弦信號拉載帶寬都是的測試精準(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)字功率計深莞惠區(qū)域唯一授權(quán)代理商。

審核編輯 黃宇