如何可靠的測(cè)量燃料電池的電阻值？

經(jīng)常會(huì)有用戶表示所使用的測(cè)量?jī)x器的精度雖然很高，卻無(wú)法準(zhǔn)確并可靠的測(cè)量燃料電池的電阻。對(duì)于這種測(cè)量?jī)x器無(wú)法發(fā)揮其能力導(dǎo)致測(cè)量值缺乏再現(xiàn)性的煩惱該如何去解決呢？

為何需要測(cè)量電阻值呢？

將利用電化學(xué)反應(yīng)的燃料電池的電阻值使用等效電路進(jìn)行表示時(shí)，可以參考下圖《圖1》。

Rs在燃料電池中被稱為膜電阻，是由電極、隔膜、觸媒以及離子交換膜的電阻相結(jié)合而組成。

Rc被稱為反應(yīng)電阻，是由于燃料的氫放出電子后，氫接受了電子的反應(yīng)中用于使其活性化的能量損失而產(chǎn)生的。

Cd是被稱為雙電層電容的靜電容量，當(dāng)與Rc并聯(lián)時(shí)將會(huì)形成時(shí)間常數(shù)。

由于該等效電路的電容Cd不流動(dòng)直流，所以燃料電池的直流電阻為膜電阻Rs與反應(yīng)電阻Rc相加的值。也就是在直流電中只能測(cè)量該合計(jì)值，卻無(wú)法確認(rèn)Rs與Rc、Cd分別的值。但是，在不同的2點(diǎn)以上的頻率下測(cè)量電阻時(shí)，可以根據(jù)其測(cè)量值計(jì)算出《圖2》等效電路中包含Cd的各個(gè)常數(shù)。并且還可作為了解燃料電池的哪個(gè)部分發(fā)生了什么的線索。

什么是電阻測(cè)試儀

直流電阻的情況下，無(wú)論是與電感L串聯(lián)、或是與電容C并聯(lián)，其值都不會(huì)變化。但是在使用交流的電阻的情況下，還需考慮由電感L與電容C所產(chǎn)生的電抗。電阻Z通常被認(rèn)為是實(shí)際電阻成分R與電阻成分X之間的連接。電阻測(cè)試儀為測(cè)量該R與X的裝置。

電感的影響

在燃料電池實(shí)用化時(shí)會(huì)發(fā)生的其中一個(gè)問題是提高單位體積的輸出功率。為了可以提高燃料電池的輸出效率，需要盡可能的減少Rs與Rc。燃料電池的開發(fā)人員也是對(duì)減少其值而不斷地進(jìn)行研究開發(fā)。固體高分子燃料電池的單元電池中，電阻值非常小，只有數(shù)mΩ~數(shù)10mΩ。所以很難使用普通的LCZ測(cè)量?jī)x等測(cè)量。那么如何在不受電線等的影響下盡可能準(zhǔn)確地測(cè)量如mΩ數(shù)量級(jí)的電阻值呢？

其中一個(gè)非常有效的方法是在測(cè)量對(duì)象附近連接傳感線(電阻測(cè)量用電線)。這樣可以測(cè)量出不包含測(cè)量對(duì)象為止的布線電阻和電感。但是，電阻測(cè)量不能僅憑這一點(diǎn)就安心。隨著頻率慢慢升高，僅僅帶有一點(diǎn)點(diǎn)長(zhǎng)度的電極所具有的電感成分的影響也會(huì)變大。麻煩的是電感成分一定會(huì)出現(xiàn)在有長(zhǎng)度的地方，所以在進(jìn)行mΩ數(shù)量級(jí)的低電阻測(cè)量時(shí)需要十分注意。即使只有幾厘米，測(cè)量值也會(huì)有很大的差別。例如《圖2》的例子中，測(cè)量值會(huì)有多少差異呢？讓我們實(shí)際來(lái)計(jì)算一下吧！

假設(shè)燃料電池中的電極長(zhǎng)度分別為2cm時(shí)，一般來(lái)說(shuō)電線的電感約為10mH/cm，電極的電感為40mH。如果在頻率10kHz下測(cè)量一個(gè)真實(shí)值為R=3mΩ、X=0Ω的電阻的燃料電池時(shí)《圖3》

Z＝R＋jX

 ＝0.003＋jωL

 ＝0.003＋j·2π·10000·0.00000004

≒3mΩ＋j2.51mΩ

Φ＝tan－1(X/R) ≒40°

僅僅只是將傳感位置偏離了2cm，就會(huì)使原本為0的電抗成分達(dá)到2.51mΩ。電壓與電流間也會(huì)產(chǎn)生40°的相位角，導(dǎo)致最終值與真實(shí)值出現(xiàn)誤差。在這種狀態(tài)下，如果改變測(cè)量頻率并繪制科爾作圖時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)如《圖3》所示的差。

在測(cè)量電阻時(shí)，如果不去注意在直流中所不需要考慮的部分，則無(wú)論測(cè)量?jī)x器的精度有多高，也都無(wú)法發(fā)揮其能力。

本文來(lái)源于KIKUSUI菊水

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