專利名稱：一種快速測定產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)內(nèi)部阻力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)的內(nèi)阻測定方法，可應用于電壓補償式產(chǎn)電生 物可滲透反應柵以及常規(guī)生物燃料電池系統(tǒng)內(nèi)阻的測定。
背景技術(shù)：
目前，電池系統(tǒng)內(nèi)阻的測定常見的有電流中斷法、交流阻抗法、極化曲線法。電流 中斷法可以用來測定歐姆內(nèi)阻，交流阻抗法只適合用應用在簡單的電極反應體系中，這兩 種方法都可以用于暫態(tài)測定。目前在生物燃料電池的研究中應用最廣的是極化曲線法，該 方法通過測定外電阻改變時分配在外阻兩端的電壓U，并以公式I = UZRext計算不同外阻下 的電流I，通過U-I曲線的斜率得到反應系統(tǒng)的內(nèi)阻值。由于這一方法的需要在一個寬幅范 圍內(nèi)(1 IO5歐姆)改變外電阻，每次改變外電阻后需要等系統(tǒng)穩(wěn)定后才能讀數(shù)，測最一 次內(nèi)電阻需要花費數(shù)小時不等，不僅費時，而且還有一些關(guān)鍵缺點。首先，在極化曲線測定 過程中，大部分范圍外電阻遠遠大于內(nèi)電阻或與內(nèi)電阻相當，當改變外電阻時，生物電極反 應的狀態(tài)即發(fā)生較大變化，對產(chǎn)電菌的生理特性和對溶液內(nèi)部向電極表面的傳質(zhì)過程產(chǎn)生 沖擊，這樣的沖擊在短時間內(nèi)很難保證被消除。目前用于測量電流電壓的儀器的靈敏度和 精度可以做得非常高，在實際內(nèi)阻測量的實驗中經(jīng)常會觀察到難以獲得電流和電壓穩(wěn)定值 的現(xiàn)象，為了盡可能獲得可信的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，只能盡量延長讀數(shù)時間。其次，由于整個測定時 間需要花費相當長時間，所測定的內(nèi)阻值實際上是整個測定時間內(nèi)電阻的總體反映，不能 用來表征反應器某個工作狀態(tài)下的真實內(nèi)電阻。另外，采用穩(wěn)態(tài)極化曲線法不可避免地要 對連續(xù)運行的生物系統(tǒng)帶來長時間的沖擊，不適合頻繁地測定系統(tǒng)的內(nèi)電阻，因此很難適 應對實際的產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)性能的監(jiān)測與研究。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服極化區(qū)曲線法在內(nèi)阻測定過程中存在的耗時長、干擾嚴重以及難以準確 反映系統(tǒng)瞬時狀態(tài)等方面的問題，本發(fā)明提出了一種準暫態(tài)的測定方法，可以快速、低干擾 的實現(xiàn)產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)內(nèi)組的測量。本方法的技術(shù)方案如下在反應系統(tǒng)的外電路上串聯(lián)一個可變電阻Rm，并使Rm << Rint+R。ut，其中Rint為系統(tǒng)的內(nèi)電阻，Rout為內(nèi)阻測定前的外電阻；改變Rm，以電壓表測 量Rm上的電壓降U，并通過歐姆定理計算Rm上通過的電流I，可得U = E-(Rext+Rint)I(1)式中E為系統(tǒng)的電動勢。根據(jù)式⑴繪出不同Rm下的U I圖，通過線性擬合即 可以求出系統(tǒng)的電動勢E和內(nèi)電阻R。ut。在該過程中，通過選取合適的Rm初始值及其調(diào)節(jié) 區(qū)間，使外阻的變化范圍控制在系統(tǒng)整體阻力的10%以下，一方面大大加快了內(nèi)阻測定過 程的速度，同時將這一過程對系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行狀態(tài)的干擾顯著降低。在Rm調(diào)節(jié)步長選擇 為10 Ω，穩(wěn)定時間為Imin的條件下，單次內(nèi)阻測定的用時在IOmin左右，測定前后系統(tǒng)輸出 電流的變化不超過20 μ A (測定前的電流值與測定完成后IOmin的電流值的差距)。
在本方法中，為確定Rm的初始值及調(diào)節(jié)范圍，在內(nèi)阻測定前，通過短暫斷開系統(tǒng)外 電路以電壓表直接測得外電阻R。ut的值，內(nèi)電阻Rint則通過估測獲得，用于選擇合適的Rm，Rm < < Rint+R0Uto內(nèi)阻的估測方法是依據(jù)已測定的Rout的值選取Rm，，使Rm，< < Rout ；以Rm， 為可變外阻的初始值，按照上文所述內(nèi)阻測定方法即可測得系統(tǒng)內(nèi)阻的估測值I int’。在艮 的選取過程中，以I^int’替代Rint。


圖1是內(nèi)阻測定電路的示意圖，圖中1為日常運行電路，2為內(nèi)阻測定電路。圖2是內(nèi)阻測定過程中U-I曲線。
具體實施例方式在本部分內(nèi)阻的實際測定過程中，為便于操作，以測試電路直接替換了系統(tǒng)中的 部分電路，包括電流檢測器以及電路的外電阻(電流檢測器的內(nèi)阻)。測試電路由可變電阻 箱以及并聯(lián)的電壓表組成，后者用于測定電阻箱兩端的電壓，見附圖1所示。調(diào)節(jié)可變電阻 箱的初始值，使其接近于原電路中外電阻的值，通過這種方式，測定電路的替換就相當于在 外電路中串聯(lián)一個可變電阻Rm，與前文所述是一致的。內(nèi)阻的具體測定步驟如下將日常運行電路替代為內(nèi)阻測定電路(見附圖1)，調(diào) 節(jié)可變電阻箱電阻為90 Ω，穩(wěn)定5min后開始用電壓表測量并自動記錄外電阻兩端的電壓， 記錄頻率為1次/秒；以10Ω的調(diào)節(jié)步長不斷減小電阻箱的電阻，每次調(diào)節(jié)后穩(wěn)定lmin。 根據(jù)測量的電壓計算測試電路的電流，并繪制極化電壓 電流曲線，通過線性擬合，得到系 統(tǒng)內(nèi)阻。測定一次內(nèi)阻需要包括初始阻值在內(nèi)的六組外電阻及其對應的電壓數(shù)據(jù)，一次完 整的測量用時IOmin。對系統(tǒng)內(nèi)阻進行三次平行測定，其U-I曲線如附圖2所示。內(nèi)阻的三次測定結(jié)果 分別為128. 7Ω、129· 5Ω和127. 4 Ω，平均值為128. 5 Ω，標準偏差僅為0. 87。
權(quán)利要求
1.一種快速測定產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)內(nèi)部阻力的方法，將一可變電阻Rm串聯(lián)于系統(tǒng)外 部電路，通過檢測Rm阻值變化時分配在其兩端的電壓，獲得系統(tǒng)的極化曲線；通過計算極 化曲線的斜率，得到反應系統(tǒng)的內(nèi)阻值。其特征是可變電阻的初始值及變化范圍遠小于系 統(tǒng)的整體阻力；內(nèi)阻的單次測定過程，可變電阻的調(diào)節(jié)頻次控制在6次左右。
2.依照權(quán)利要求1所述的快速測定產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)內(nèi)部阻力的方法，其中所述的產(chǎn) 電生物反應系統(tǒng)，包括產(chǎn)電生物可滲透反應柵、電壓補償式產(chǎn)電生物可滲透反應柵以及常 規(guī)的生物燃料電池系統(tǒng)。
3.依照權(quán)利要求1所述的快速測定產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)內(nèi)部阻力的方法，其中所述的串 聯(lián)于系統(tǒng)電路的可變電阻包括直接串聯(lián)常規(guī)商用可變電阻儀器，如可變電阻箱、滑變電阻 等；通過自制電路變相串聯(lián)可變電阻到系統(tǒng)電路，如利用包含可變電阻的測定電路直接替 代外電路等。
4.依照權(quán)利要求1所述的快速測定產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)內(nèi)部阻力的方法，其中所述的可 變電阻的初始值及變化范圍，包括直接串聯(lián)可變電阻儀器時可變電阻的初始值及變化范 圍；變相串聯(lián)可變電阻時系統(tǒng)整體外阻的變化值。
5.依照權(quán)利要求1所述的快速測定產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)內(nèi)部阻力的方法，其中所述的可 變電阻的初始值及變化范圍一般控制在反應系統(tǒng)整體阻力的10%以下。
全文摘要
一種快速測定產(chǎn)電生物反應系統(tǒng)內(nèi)部阻力的方法。該方法克服了常規(guī)極化曲線法在內(nèi)阻測定過程中存在的耗時長、干擾嚴重以及難以準確反映系統(tǒng)瞬時狀態(tài)等方面的問題。在本方法中，可變電阻被串聯(lián)在反應系統(tǒng)的外電路中，通過測定可變電阻阻值變化時分配在其兩端的電壓變化，獲得系統(tǒng)的U-I極化曲線；通過線性擬合計算曲線的斜率，得到系統(tǒng)的內(nèi)阻值。為實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)阻的快速測定，可變電阻的初始值和調(diào)節(jié)范圍被控制在系統(tǒng)總體阻力的10％以下，將電阻調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定時間減小到1min；同時內(nèi)阻的單次測定過程，可變電阻的調(diào)節(jié)頻次控制在6次，從而使內(nèi)阻的單次測量用時僅為10min。本發(fā)明可應用于電壓補償式產(chǎn)電生物可滲透反應柵以及常規(guī)生物燃料電池系統(tǒng)內(nèi)阻的測定。
文檔編號G01R27/08GK102128987SQ20101003438
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月20日
發(fā)明者朱仕坤, 朱高英, 范彬 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心