使用电化学阻抗谱对氢燃料电池中的故障进行成像

作者：Paul Perrault, Micheal Lambe, Sasha Dass, and Greg Afonso

介绍

预计到2050年，氢能市场将达到10万亿美元（即万亿“T”）市场，或者 占全球GDP的13%，1氢燃料电池的增长速度激增 过去几年，随着越来越多的人开始认真对待零碳 运输解决方案。氢动力汽车开辟新市场 在水解器/电解槽周围，氢气实际上是在 加油站，而不是像我们今天用汽油那样长途跋涉。 大多数产生氢气的电解槽或使用的燃料电池的核心 氢发电，是一种质子交换膜（PEM），如 如图 1 所示。PEM单元的优点是能够在 温度相对较低，同时具有尺寸和重量 优势，其他模型。只要提供氢气和氧气 燃料在适当的数量和条件下，这种燃料电池产生电力。这 电解槽由类似的组件制成，基本上是反向运行的： 电力供应给水，产生氧气和氢气。

图1.质子交换膜燃料电池。2

随着PEM燃料电池被用于更多的运输车辆，如公共汽车、汽车和照明。 轨道车辆，在故障之前预测故障变得越来越重要 发生。文献3,4已经表明电化学阻抗谱 （EIS） 技术可用于检测 PEM 内的针孔故障，其中 其他故障模式。这通常在大型台式仪器采购上完成 电流在 10 秒到 100 安培的范围内。但是，这些工具是 大型系统，不能很好地扩展到允许的可运输燃料电池 原位诊断。本文介绍了制造便携式设备的挑战 EIS系统在1 A至100 A激励电流下工作，并利用杠杆 AD5941W的优势5EIS引擎。这项工作可以应用于燃料电池， 电解槽、电池和其他低阻抗系统。

实验

此开发的基本测量引擎是 AD5941W ADI公司，高精度阻抗和电化学前端 能够进行恒电位和恒电流测量。为 这些测试，燃料电池（类似于电池）需要恒电流测量 产生电流并测量电压的地方。参见框图 如图 2 所示。

图2.AD5941W框图显示了用于激励的高带宽AFE路径以及用于校准和DFT/EIS分析的精密ADC路径。

该项目始于对电池专用阻抗CN0510的测试。 ADI为协助客户进行阻抗测试而制造的测量板 电池数量采用强大的AD5941W EIS引擎，可实现高精度 阻抗测量。立即，很明显有 这种方法的局限性，即用于交流激励的低电流 该板上使用的外部放大器的电池和 1/f 噪声角落， 同时对接收器链使用交流去耦，限制低电平 频率角的刺激和接收。对燃料电池有预期的见解 在 ~100 Hz 或以下和高达 10 秒的 kHz 频率下发生，以及激励电流 高达 10 A（为了高于燃料电池的过程噪音），很明显 该委员会需要修订。CN0510如图3所示。

图3.CN0510电池阻抗系统。

扩展这种方法当前激励范围的一种方法是采用 激励激励信号（图3中的CE0）并将其发送到可遥控电子负载;在这种情况下，菊水PLZ303W。6显示了此方法 示意图如图4所示。

图4.菊水PLZ303W与CN0510板的电气连接。

使用时考虑布线的寄生电感很重要 10 安培，并尽可能使用双绞线以减少电压噪声 拾音器。该系统产生具有标准偏差的强阻抗数据 在10 mΩ DUT的~1 μΩ至2 μΩ范围内，如图5所示。

图5.来自使用菊水PLZ10W的303 mΩ DUT的数据。

这些数据也是跨频率采集的，以了解在 来自激励的仪器，如图6所示，误差线显示较差 激励频率降低时的可重复性，由于交流耦合 接收器信号链。

图6.使用菊水 PLZ303W 在整个频率范围内测量的 10 mΩ DUT。

需要注意的是，菊水设备重~10公斤，因此不适合 便携式电子产品。然而，这验证了方法论并推动了我们 走向小型化。基于标准运算放大器的电压控制电流 源极（VCCS）采用运算放大器AD8618构建。该放大器被选用于 适当的增益带宽以及不错的精度性能。这显示 示意图如图 7 所示。

图7.用于分立VCCS测试的电路。

虽然图7中电路的完整推导超出了 这篇文章，值得注意的是，任何更长的布线都应该沿着 使用本地去耦来管理寄生电感。图 7 中的 C2 用作降噪帽，但确实会导致上面的频率滚降 ~1 千赫。图8显示了测量电路的更新框图。

图8.带有新电流励磁器级的更新框图。

开发了一个自定义的Python脚本，允许直接控制刺激 激励节点上的频率、直流和交流幅度以及校准 电阻调整。激励信号和接收信号如 图9.

图9.来自有源吸电流的1 Hz和10 Hz激励和接收信号：通道1 — AD5941W CE0输出，通道2 - 激励电流，通道3 - SNS_P输入信号，通道4 - 衰减信号至运算放大器。

图10显示了该有源吸电流的结果以及所获取的结果 表1中接收信号链中的去耦电容不同，其 显示了去耦电容上实际阻抗误差的标准偏差。

图 10.从100 mΩ实际阻抗（N = 10）返回的数据显示较低频率下的误差。

 

	皇家标准	虚构标准
2.2 微法	10.17873	7.712895	毫欧
22 微法	8.63443	6.755872	毫欧
100 微氟	3.75349	7.49259	毫欧

 

很明显，接收器信号链中的输入电容具有 对平均阻抗测量及其可重复性的影响。 较大的电容值可改善误差的标准偏差和 100 μF 是物理上适合此板的最大尺寸。

将DUT的阻抗调低至10 mΩ时，在较低的电阻下显示类似的误差。 频率，如图11所示。

图 11.从10 mΩ实际阻抗（N = 10）返回数据。

该实验进一步扩展到1 mΩ，以评估多少 误差会蔓延到测量中。如图 12 所示。

图 12.从1 mΩ实际阻抗（N = 10）返回数据。

既然基本的电子功能已经使用电阻器得到了验证， 下一步是将这些方法应用于实际的燃料电池。

燃料电池 EIS 测量

采用图7所示的电路，下一步是查看实际的 氢燃料电池。弹性斯塔克7对燃料电池进行测试以检查奈奎斯特图， 这是一种可视化实数/虚部阻抗的方法，其中频率 在整个测量过程中发生变化。第一个测试如图 13 所示。

图 13.Flex-Stak燃料电池EIS奈奎斯特图。

虽然该燃料电池的阻抗仅为100mΩ，但AD5941W， 与有源电流吸收一起，能够对燃料的阻抗进行成像 电池频率从 1 Hz 到 5 kHz。图 13 中的奈奎斯特图大致接近 预计来自该燃料电池，并且直流励磁大于燃料 电池的额定能力以及实验可能受到一些影响 燃料匮乏程度。为使EIS而引入的交流扰动 测量值也相当大，超出了直流的线性响应 激励测量。不应将任何功能见解解读为此处 除显示AD5941W EIS电路功能外的特定测试。更多 需要进行测试以深入了解这种特定燃料的反应 细胞。但是，如果应用得当，这种电路拓扑结构会给我们信心。 潜在地检测氢交叉、氧气浓度以及其他 潜在的故障模式也是如此。

在小型氢燃料电池上进行测试后，对这种方法进行了测试 在生产（66节）风冷巴拉德燃料电池堆上评估其可行性 用于原位诊断。这将使氢燃料电池的运营商能够更好地 了解完整的燃料电池堆及其电化学功能 操作。目前，操作员唯一可用的诊断是生产的 来自电池组的电源。这种新的分析技术可以类比于 在机械师的商店插上你的车并拉出错误代码。

与图7类似的设置也用于产生施加的电流 阻抗测量的扰动很小（~5%）的 燃料电池堆的预期直流工作点。这是至关重要的，因为这允许 在线操作范围内成像的电化学系统，以及 然后允许阻抗数据的外推适用于 总系统。8

使用菊水EIS系统和 AD5941W系统如图14所示。

图 14.巴拉德氢燃料电池堆上菊水EIS和ADI AD5941W EIS系统的比较。

图14显示了直流工作电流 范围从 10 A 到 60 A。EIS测量范围为1 Hz（右侧） 半圆）至 5 kHz（左侧）。实线（AD5941W仪器）和 虚线（菊水）排列得很好，直到更高的频率水平，其中 设计限值（稳定性和高频能力之间的权衡）为 分立式VCCS开始显现。在低频和高频EIS扫描中都有电化学价值，因此最好的电子设备 使用可能取决于用例。但是，此扫描显示 手持式仪器，1/100千台式仪器的重量和尺寸为 适用于氢燃料电池堆光谱。

正是这种车载燃料电池诊断的创新应该有助于 允许氢经济有可能扩大到其预测的万亿美元市场规模。协作结合电子领域的最佳知识 在电化学和系统设计中是一种可能的方式，即 基于氢燃料的绿色经济可能开始出现。

审核编辑：郭婷