專利名稱：燃料電池電壓衰減快速測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓衰減檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
實(shí)際應(yīng)用中，燃料電池產(chǎn)品通常是需要將多個單片燃料電池單元串聯(lián)起來，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)
為多個單片層疊裝配成為一個整體，稱為電堆(fuel cell stack),單片通常串聯(lián)起來，共用 一套燃料入口出口及冷卻水入口出口。電堆的輸出電流從電堆兩端的單片引出。電堆的電壓 則等于串聯(lián)的各個單片電壓之和。
根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)及可靠性等理論可知，通常多個樣本的統(tǒng)計(jì)量更接近真實(shí)的總體分布情況。 在對某種類型或者批次燃料電池的耐久性測試中，也就是說需要對多個燃料電池樣本，通常 也就是多個電堆，進(jìn)行試驗(yàn)，才可得到具有一定置信度的此類型或批次燃料電池耐久性評價 結(jié)論。
基于常規(guī)的燃料電池試驗(yàn)臺，多個樣本的試驗(yàn)，可以有兩種做法要么對于多個樣本逐 個進(jìn)行測試；要么多個試驗(yàn)臺對多個電堆樣本同時進(jìn)行測量。前者測試周期拖得很長；后者 需要多個燃料電池試驗(yàn)臺，需要給每個樣本配備相應(yīng)的測試系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、氣體控制 系統(tǒng)、負(fù)載控制系統(tǒng)等模塊，成本很高。
典型的燃料電池的可靠性、耐久性/壽命試驗(yàn)，具有如下特點(diǎn)
破壞性試驗(yàn)，多個樣本的破壞，需要的成本很高；試驗(yàn)周期很長，特別是隨著技術(shù)的進(jìn) 步，總是希望把耐久性和壽命做得更長、可靠性做得更髙，同樣試驗(yàn)條件下，這樣破壞試驗(yàn) 的周期也就越來越長。長時間的破壞性試驗(yàn)中，試驗(yàn)系統(tǒng)的損耗、實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)的燃料和電力等 非常多。例如清華大學(xué)引進(jìn)的加拿大GreenLight燃料電池試驗(yàn)系統(tǒng)配備5kW燃料電池，每天 4 8小時試驗(yàn)燃料和材料費(fèi)用需要300 500元，100小時的試驗(yàn)材料費(fèi)好幾千元。目前燃料 電池壽命則可達(dá)到幾千到幾力'小時。整個試驗(yàn)周期的花費(fèi)會非常高昂。
綜上所述，在短時間內(nèi)完成燃料電池的可靠性、耐久性或壽命試驗(yàn)等工作，對于燃料電 池的開發(fā)、使用、在線優(yōu)化控制管理、故障診斷等工作具有重要意義。新的試驗(yàn)裝置就很有 必要。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型目的是提供一種燃料電池電壓衰減快速測量裝置，該裝置能夠縮短燃料電池
耐久性和壽命試驗(yàn)的時間，也可用于其它類型電池的快速測試。
本實(shí)用新型的特征在于，含有反映待測燃料電池和參考電壓源電壓衰減之差的電路，其 輸出端連接一個放大器的同相輸入端和反相輸入端，所述放大器的輸出端連接一個數(shù)據(jù)采集 處理裝置；所述參考電壓源是能保持輸出電壓長期恒定或衰減規(guī)律已知的參考電壓源。
所述反映待測燃料電池和參考電壓源電壓差的電路含有反相串聯(lián)的待測燃料電池和參考 電壓源，所述待測燃料電池和參考電壓源的電壓輸出端分別所述放大器的同相輸入端和反相 輸入端。
所述反映待測燃料電池和參考電壓源電壓衰減之差的電路采用電橋電路，在所述電橋電 路相對的兩個橋臂上分別串接有待測燃料電池和參考電壓源，所述待測燃料電池和參考電壓 源在電橋中是同極相對的，在所述每一個橋臂上串接有橋臂電阻，所述待測燃料電池和參考 電壓源并聯(lián)有各自的負(fù)載電阻；所述電橋的輸出端分別連接所述放大器的同相輸入端和反相 輸入端。
所述反映待測燃料電池和參考電壓源電壓衰減之差的電路采用電橋電路，在所述電橋電 路相對的兩個橋臂上分別有極性對稱布置的待測燃料電池和參考電壓源、橋臂電阻及串接的 負(fù)載電阻，另兩個相對的橋臂分別為一個橋臂電阻；所述電橋的輸出端分別連接所述放大器 的同相輸入端和反相輸入端。
所述參考電壓源是伏安特性與待測燃料電池相似的燃料電池或受控電壓源。 試驗(yàn)證明，使用本實(shí)用新型能夠用于燃料電池耐久性的快速測試，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1是本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的原理圖； 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1的電路原理圖； 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例2的電路原理圖； 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例3的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型是通過將待測燃料電池輸出電壓中與性能衰退無關(guān)的分量部分或者全部削 減，來達(dá)到減小待測電壓區(qū)間并且減小或者消除復(fù)雜的未知的因素的影響，通過這雙重作用 提髙測量精度。
為了精確測量燃料電池電壓的衰減，可以將輸出電壓減去固定的一個電壓，從而減小測 量的范圍。實(shí)現(xiàn)的原理如圖l所示，待測電池101的電壓減去參考電壓源102的電壓。待測 電池的輸出電壓相當(dāng)于初始電壓減去隨著工作時間而衰減的電壓，參考電壓源相當(dāng)于相同的 初始電壓。則兩者之差可以通過量程很小的電壓儀表103測得，那么測量的對象也就從燃料
電池的電壓變換為測量燃料電池的電壓衰減了。R和Rr分別為待測電池和參考電壓源的內(nèi)阻。 為此，可以為待測燃料電池配備參考電壓源，此參考電壓源用于提供固定的或者變化電
壓用來抵消待測燃料電池中與性能衰退無關(guān)的電壓分量。這樣的參考電壓源可以是與待測燃
料電池同類型的燃料電池，或者是特性近似的基準(zhǔn)電壓源、其它電池等，或者是計(jì)算機(jī)控制
的受控電壓源等。
下面結(jié)合具體實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
實(shí)施例l:如圖2所示，是電池反接差分放大方式，包括待測燃料電池201、參考燃料電 池202、負(fù)載電阻RL1203、負(fù)載電阻RL2204、差分放大205器、數(shù)據(jù)采集處理裝置206。待 測燃料電池、參考燃料電池反接，各自均有負(fù)載電阻并聯(lián)，各自的輸出電壓送至放大器的同 相和反相輸入端，輸出與兩者之差成比例，后級經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后送入微處理器進(jìn)行進(jìn)一步處 理。
實(shí)施例2:如圖3所示，是采用電橋方式，包括待測燃料電池301、參考燃料電池302、 負(fù)載電阻RL1303、負(fù)載電阻RL2304、放大器305、數(shù)據(jù)采集處理裝置306、電橋橋臂電阻R1、 R2、 R3、 R4。電橋各個臂除采用電阻構(gòu)成外，也可采用電阻、電容、電池、可控電壓源等的 組合。平衡指示可以是放大器和微處理器來實(shí)現(xiàn)，也可以是微伏計(jì)等來實(shí)現(xiàn)。通過檢測不平 衡狀態(tài)下電橋輸出電壓，來間接測量待測燃料電池與參考電池輸出電壓的差異，或者通過電 橋平衡狀態(tài)下的橋臂電阻調(diào)節(jié)量來確定待測、參考燃料電池的輸出電壓差。其中，橋臂電阻 Rl、 R2、 R3或R4來調(diào)節(jié)電橋的平衡，根據(jù)電橋輸出電壓是否接近于0來判斷電橋是否平衡: 負(fù)載電阻RL1、 RL2可以用來調(diào)節(jié)兩個電池各自的工作電流，如果RL1、 RL2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R1 R4， 則電橋電路對于電流、輸出電壓的影響足夠小。
實(shí)施例3:如圖4所示，是采用電橋的另一種方式，包括待測燃料電池401、參考燃料電 池402、負(fù)載電阻RL1403、負(fù)載電阻RL2404、放大器405、數(shù)據(jù)采集與微處理器406、電橋 橋臂電阻R401 R404。該電路的工作原理與實(shí)施例2相^t，不同之處在于，在于負(fù)載電阻與 參考燃料電池和待測燃料電池是并聯(lián)方式。
本實(shí)用新型用參考電壓源去抵消待測電池電壓中不變的部分及與電池電壓衰減無關(guān)的部 分，即可縮小電壓范圍并/或分離衰減無關(guān)部分，得到燃料電池電壓衰減為主的電壓輸出，即 可大大提高測量精度，使得測試的時間縮短。
權(quán)利要求1、燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，含有反映待測燃料電池和參考電壓源電壓衰減之差的電路，其輸出端連接一個放大器的同相輸入端和反相輸入端，所述放大器的輸出端連接一個數(shù)據(jù)采集處理裝置；所述參考電壓源是能保持輸出電壓長期恒定或衰減規(guī)律已知的參考電壓源。
2、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述反映待測燃料電 池和參考電壓源電壓差的電路含有反相串聯(lián)的待測燃料電池和參考電壓源，所述待測燃料 電池和參考電壓源的電壓輸出端分別所述放大器的同相輸入端和反相輸入端。
3、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述反映待測燃料電 池和參考電壓源電壓衰減之差的電路采用電橋電路，在所述電橋電路相對的兩個橋臂上分別串接有待測燃料電池和參考電壓源，所述待測燃料電池和參考電壓源在電橋中是同極相 對的，在所述每一個橋臂上串接有橋臂電阻，所述待測燃料電池和參考電壓源并聯(lián)有各自 的負(fù)載電阻；所述電橋的輸出端分別連接所述放大器的同相輸入端和反相輸入端。
4、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述反映待測燃料電 池和參考電壓源電壓衰減之差的電路采用電橋電路，在所述電橋電路相對的兩個橋臂上分 別有極性對稱布置的待測燃料電池和參考電壓源、橋臂電阻及串接的負(fù)載電阻，另兩個相 對的橋臂分別為一個橋臂電阻；所述電橋的輸出端分別連接所述放大器的同相輸入端和反 相輸入端。
5、 如權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的燃料電池電壓衰減快速測量裝置，其特征在于，所述參考 電壓源是伏安特性與待測燃料電池相似的燃料電池或受控電壓源。
專利摘要燃料電池電壓衰減快速測量裝置。本實(shí)用新型涉及質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓衰減檢測技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，含有反映待測燃料電池和參考電壓源電壓衰減之差的電路，其輸出端連接一個放大器的同相輸入端和反相輸入端，所述放大器的輸出端連接一個數(shù)據(jù)采集處理裝置；所述參考電壓源是能保持輸出電壓長期恒定或衰減規(guī)律已知的參考電壓源。本實(shí)用新型能夠用于燃料電池耐久性的快速測試。
文檔編號G01R31/36GK201060260SQ200720148969
公開日2008年5月14日 申請日期2007年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月28日
發(fā)明者猛 仝, 劉志賢, 華劍鋒, 盧蘭光, 徐梁飛, 李建秋, 楊福源, 歐陽明高, 靖 谷, 黃海燕 申請人:清華大學(xué)