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如何可靠的测量燃料电池的电阻值?

点击次数:808 更新时间:2023-02-01

经常会有用户表示所使用的测量仪器的精度虽然很高,却无法准确并可靠的测量燃料电池的电阻。对于这种测量仪器无法发挥其能力导致测量值缺乏再现性的烦恼该如何去解决呢?


为何需要测量电阻值呢?

将利用电化学反应的燃料电池的电阻值使用等效电路进行表示时,可以参考下图《图1》。

QQ截图20230201143610.jpg


Rs在燃料电池中被称为膜电阻,是由电极、隔膜、触媒以及离子交换膜的电阻相结合而组成。

Rc被称为反应电阻,是由于燃料的氢放出电子后,氢接受了电子的反应中用于使其活性化的能量损失而产生的。

Cd是被称为双电层电容的静电容量,当与Rc并联时将会形成时间常数。

由于该等效电路的电容Cd不流动直流,所以燃料电池的直流电阻为膜电阻Rs与反应电阻Rc相加的值。也就是在直流电中只能测量该合计值,却无法确认Rs与Rc、Cd分别的值。但是,在不同的2点以上的频率下测量电阻时,可以根据其测量值计算出《图2》等效电路中包含Cd的各个常数。并且还可作为了解燃料电池的哪个部分发生了什么的线索。


什么是电阻测试仪

直流电阻的情况下,无论是与电感L串联、或是与电容C并联,其值都不会变化。但是在使用交流的电阻的情况下,还需考虑由电感L与电容C所产生的电抗。电阻Z通常被认为是实际电阻成分R与电阻成分X之间的连接。电阻测试仪为测量该R与X的装置。


电感的影响

在燃料电池实用化时会发生的其中一个问题是提高单位体积的输出功率。为了可以提高燃料电池的输出效率,需要尽可能的减少Rs与Rc。燃料电池的开发人员也是对减少其值而不断地进行研究开发。固体高分子燃料电池的单元电池中,电阻值非常小,只有数mΩ~数10mΩ。所以很难使用普通的LCZ测量仪等测量。那么如何在不受电线等的影响下尽可能准确地测量如mΩ数量级的电阻值呢?


其中一个非常有效的方法是在测量对象附近连接传感线(电阻测量用电线)。这样可以测量出不包含测量对象为止的布线电阻和电感。但是,电阻测量不能仅凭这一点就安心。随着频率慢慢升高,仅仅带有一点点长度的电极所具有的电感成分的影响也会变大。麻烦的是电感成分一定会出现在有长度的地方,所以在进行mΩ数量级的低电阻测量时需要十分注意。即使只有几厘米,测量值也会有很大的差别。例如《图2》的例子中,测量值会有多少差异呢?让我们实际来计算一下吧!


QQ截图20230201145925.jpg


假设燃料电池中的电极长度分别为2cm时,一般来说电线的电感约为10mH/cm,电极的电感为40mH。如果在频率10kHz下测量一个真实值为R=3mΩ、X=0Ω的电阻的燃料电池时《图3》


QQ截图20230201150232.jpg

Z=R+jX

 0.003jωL

 0.003j·2π·10000·0.00000004

3mΩ+j2.51mΩ

Φ=tan1(X/R) 40°

仅仅只是将传感位置偏离了2cm,就会使原本为0的电抗成分达到2.51mΩ。电压与电流间也会产生40°的相位角,导致最终值与真实值出现误差。在这种状态下,如果改变测量频率并绘制科尔作图时,则会出现如《图3》所示的差。


在测量电阻时,如果不去注意在直流中所不需要考虑的部分,则无论测量仪器的精度有多高,也都无法发挥其能力。


本文来源于KIKUSUI菊水






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