使用電化學(xué)阻抗譜對(duì)氫燃料電池中的故障進(jìn)行成像

Paul Perrault, Micheal Lambe, Sasha Dass, 和 Greg Afonso

預(yù)計(jì)到10年，氫能市場(chǎng)將達(dá)到2050萬(wàn)億美元（即萬(wàn)億“T”）市場(chǎng)，或者 占全球GDP的13%，1氫燃料電池的增長(zhǎng)速度激增 過(guò)去幾年，隨著越來(lái)越多的人開(kāi)始認(rèn)真對(duì)待零碳 運(yùn)輸解決方案。氫動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)辟新市場(chǎng) 在水解器/電解槽周?chē)瑲錃鈱?shí)際上是在 加油站，而不是像我們今天用汽油那樣長(zhǎng)途跋涉。 大多數(shù)產(chǎn)生氫氣的電解槽或使用的燃料電池的核心 氫發(fā)電，是一種質(zhì)子交換膜（PEM），如 如圖 1 所示。PEM單元的優(yōu)點(diǎn)是能夠在 溫度相對(duì)較低，同時(shí)具有尺寸和重量 優(yōu)勢(shì)，其他模型。只要提供氫氣和氧氣 燃料在適當(dāng)?shù)臄?shù)量和條件下，這種燃料電池產(chǎn)生電力。這 電解槽由類(lèi)似的組件制成，基本上是反向運(yùn)行的： 電力供應(yīng)給水，產(chǎn)生氧氣和氫氣。

圖1.質(zhì)子交換膜燃料電池。

隨著PEM燃料電池被用于更多的運(yùn)輸車(chē)輛，如公共汽車(chē)、汽車(chē)和照明。 軌道車(chē)輛，在故障之前預(yù)測(cè)故障變得越來(lái)越重要 發(fā)生。文獻(xiàn)3,4已經(jīng)表明電化學(xué)阻抗譜 （EIS） 技術(shù)可用于檢測(cè) PEM 內(nèi)的針孔故障，其中 其他故障模式。這通常在大型臺(tái)式儀器采購(gòu)上完成 電流在 10 秒到 100 安培的范圍內(nèi)。但是，這些工具是 大型系統(tǒng)，不能很好地?cái)U(kuò)展到允許的可運(yùn)輸燃料電池 原位診斷。本文介紹了制造便攜式設(shè)備的挑戰(zhàn) EIS系統(tǒng)在1 A至100 A激勵(lì)電流下工作，并利用杠桿 AD5941W的優(yōu)勢(shì)5EIS引擎。這項(xiàng)工作可以應(yīng)用于燃料電池， 電解槽、電池和其他低阻抗系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)

此開(kāi)發(fā)的基本測(cè)量引擎是 AD5941W ADI公司，高精度阻抗和電化學(xué)前端 能夠進(jìn)行恒電位和恒電流測(cè)量。為 這些測(cè)試，燃料電池（類(lèi)似于電池）需要恒電流測(cè)量 產(chǎn)生電流并測(cè)量電壓的地方。參見(jiàn)框圖 如圖 2 所示。

圖2.AD5941W框圖顯示了用于激勵(lì)的高帶寬AFE路徑以及用于校準(zhǔn)和DFT/EIS分析的精密ADC路徑。

該項(xiàng)目始于對(duì)電池專(zhuān)用阻抗CN0510的測(cè)試。 ADI為協(xié)助客戶(hù)進(jìn)行阻抗測(cè)試而制造的測(cè)量板 電池?cái)?shù)量采用強(qiáng)大的AD5941W EIS引擎，可實(shí)現(xiàn)高精度 阻抗測(cè)量。立即，很明顯有 這種方法的局限性，即用于交流激勵(lì)的低電流 該板上使用的外部放大器的電池和 1/f 噪聲角落， 同時(shí)對(duì)接收器鏈?zhǔn)褂媒涣魅ヱ?，限制低電?頻率角的刺激和接收。對(duì)燃料電池有預(yù)期的見(jiàn)解 在 ~100 Hz 或以下和高達(dá) 10 秒的 kHz 頻率下發(fā)生，以及激勵(lì)電流 高達(dá) 10 A（為了高于燃料電池的過(guò)程噪音），很明顯 該委員會(huì)需要修訂。CN0510如圖3所示。

圖3.CN0510電池阻抗系統(tǒng)。

擴(kuò)展這種方法當(dāng)前激勵(lì)范圍的一種方法是采用 激勵(lì)激勵(lì)信號(hào)（圖0中的CE3）并將其發(fā)送到可遙控電子負(fù)載;在這種情況下，菊水PLZ303W。6顯示了此方法 示意圖如圖4所示。

圖4.菊水PLZ303W與CN0510板的電氣連接。

使用時(shí)考慮布線的寄生電感很重要 10 安培，并盡可能使用雙絞線以減少電壓噪聲 拾音器。該系統(tǒng)產(chǎn)生具有標(biāo)準(zhǔn)偏差的強(qiáng)阻抗數(shù)據(jù) 在1 mΩ DUT的~2 μΩ至10 μΩ范圍內(nèi)，如圖5所示。

圖5.來(lái)自使用菊水PLZ10W的303 mΩ DUT的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)也是跨頻率采集的，以了解在 來(lái)自激勵(lì)的儀器，如圖6所示，誤差線顯示較差 激勵(lì)頻率降低時(shí)的可重復(fù)性，由于交流耦合 接收器信號(hào)鏈。

圖6.使用菊水 PLZ10W 在整個(gè)頻率范圍內(nèi)測(cè)量的 303 mΩ DUT。

需要注意的是，菊水設(shè)備重~10公斤，因此不適合 便攜式電子產(chǎn)品。然而，這驗(yàn)證了方法論并推動(dòng)了我們 走向小型化。基于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的電壓控制電流 源極（VCCS）采用運(yùn)算放大器AD8618構(gòu)建。該放大器被選用于 適當(dāng)?shù)脑鲆鎺捯约安诲e(cuò)的精度性能。這顯示 示意圖如圖 7 所示。

圖7.用于分立VCCS測(cè)試的電路。

雖然圖7中電路的完整推導(dǎo)超出了 這篇文章，值得注意的是，任何更長(zhǎng)的布線都應(yīng)該沿著 使用本地去耦來(lái)管理寄生電感。圖 2 中的 C7 用作降噪帽，但確實(shí)會(huì)導(dǎo)致上面的頻率滾降 ~1 千赫。圖8顯示了測(cè)量電路的更新框圖。

圖8.帶有新電流勵(lì)磁器級(jí)的更新框圖。

開(kāi)發(fā)了一個(gè)自定義的Python腳本，允許直接控制刺激 激勵(lì)節(jié)點(diǎn)上的頻率、直流和交流幅度以及校準(zhǔn) 電阻調(diào)整。激勵(lì)信號(hào)和接收信號(hào)如 圖9.

圖9.來(lái)自有源吸電流的1 Hz和10 Hz激勵(lì)和接收信號(hào)：通道1 — AD5941W CE0輸出，通道2 - 激勵(lì)電流，通道3 - SNS_P輸入信號(hào)，通道4 - 衰減信號(hào)至運(yùn)算放大器。

圖10顯示了該有源吸電流的結(jié)果以及所獲取的結(jié)果 表1中接收信號(hào)鏈中的去耦電容不同，其 顯示了去耦電容上實(shí)際阻抗誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖 10.從100 mΩ實(shí)際阻抗（N = 10）返回的數(shù)據(jù)顯示較低頻率下的誤差。

很明顯，接收器信號(hào)鏈中的輸入電容具有 對(duì)平均阻抗測(cè)量及其可重復(fù)性的影響。 較大的電容值可改善誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差和 100 μF 是物理上適合此板的最大尺寸。

將DUT的阻抗調(diào)低至10 mΩ時(shí)，在較低的電阻下顯示類(lèi)似的誤差。 頻率，如圖11所示。

圖 11.從10 mΩ實(shí)際阻抗（N = 10）返回?cái)?shù)據(jù)。

該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步擴(kuò)展到1 mΩ，以評(píng)估多少 誤差會(huì)蔓延到測(cè)量中。如圖 12 所示。

圖 12.從1 mΩ實(shí)際阻抗（N = 10）返回?cái)?shù)據(jù)。

既然基本的電子功能已經(jīng)使用電阻器得到了驗(yàn)證， 下一步是將這些方法應(yīng)用于實(shí)際的燃料電池。

燃料電池 EIS 測(cè)量

采用圖7所示的電路，下一步是查看實(shí)際的 氫燃料電池。彈性斯塔克7對(duì)燃料電池進(jìn)行測(cè)試以檢查奈奎斯特圖， 這是一種可視化實(shí)數(shù)/虛部阻抗的方法，其中頻率 在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中發(fā)生變化。第一個(gè)測(cè)試如圖 13 所示。

圖 13.Flex-Stak燃料電池EIS奈奎斯特圖。

雖然該燃料電池的阻抗僅為100mΩ，但AD5941W， 與有源電流吸收一起，能夠?qū)θ剂系淖杩惯M(jìn)行成像 電池頻率從 1 Hz 到 5 kHz。圖 13 中的奈奎斯特圖大致接近 預(yù)計(jì)來(lái)自該燃料電池，并且直流勵(lì)磁大于燃料 電池的額定能力以及實(shí)驗(yàn)可能受到一些影響 燃料匱乏程度。為使EIS而引入的交流擾動(dòng) 測(cè)量值也相當(dāng)大，超出了直流的線性響應(yīng) 激勵(lì)測(cè)量。不應(yīng)將任何功能見(jiàn)解解讀為此處 除顯示AD5941W EIS電路功能外的特定測(cè)試。更多 需要進(jìn)行測(cè)試以深入了解這種特定燃料的反應(yīng) 細(xì)胞。但是，如果應(yīng)用得當(dāng)，這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)給我們信心。 潛在地檢測(cè)氫交叉、氧氣濃度以及其他 潛在的故障模式也是如此。

在小型氫燃料電池上進(jìn)行測(cè)試后，對(duì)這種方法進(jìn)行了測(cè)試 在生產(chǎn)（66節(jié)）風(fēng)冷巴拉德燃料電池堆上評(píng)估其可行性 用于原位診斷。這將使氫燃料電池的運(yùn)營(yíng)商能夠更好地 了解完整的燃料電池堆及其電化學(xué)功能 操作。目前，操作員唯一可用的診斷是生產(chǎn)的 來(lái)自電池組的電源。這種新的分析技術(shù)可以類(lèi)比于 在機(jī)械師的商店插上你的車(chē)并拉出錯(cuò)誤代碼。

與圖7類(lèi)似的設(shè)置也用于產(chǎn)生施加的電流 阻抗測(cè)量的擾動(dòng)很小（~5%）的 燃料電池堆的預(yù)期直流工作點(diǎn)。這是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@允許 在線操作范圍內(nèi)成像的電化學(xué)系統(tǒng)，以及 然后允許阻抗數(shù)據(jù)的外推適用于 總系統(tǒng)。8

使用菊水EIS系統(tǒng)和 AD5941W系統(tǒng)如圖14所示。

圖 14.巴拉德氫燃料電池堆上菊水EIS和ADI AD5941W EIS系統(tǒng)的比較。

圖14顯示了直流工作電流 范圍從 10 A 到 60 A。EIS測(cè)量范圍為1 Hz（右側(cè)） 半圓）至 5 kHz（左側(cè)）。實(shí)線（AD5941W儀器）和 虛線（菊水）排列得很好，直到更高的頻率水平，其中 設(shè)計(jì)限值（穩(wěn)定性和高頻能力之間的權(quán)衡）為 分立式VCCS開(kāi)始顯現(xiàn)。在低頻和高頻EIS掃描中都有電化學(xué)價(jià)值，因此最好的電子設(shè)備 使用可能取決于用例。但是，此掃描顯示 手持式儀器，1/100千臺(tái)式儀器的重量和尺寸為 適用于氫燃料電池堆光譜。

正是這種車(chē)載燃料電池診斷的創(chuàng)新應(yīng)該有助于 允許氫經(jīng)濟(jì)有可能擴(kuò)大到其預(yù)測(cè)的萬(wàn)億美元市場(chǎng)規(guī)模。協(xié)作結(jié)合電子領(lǐng)域的最佳知識(shí) 在電化學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是一種可能的方式，即 基于氫燃料的綠色經(jīng)濟(jì)可能開(kāi)始出現(xiàn)。

審核編輯：郭婷