專利名稱：燃料電池電壓衰減快速測(cè)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(cè)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(gè)單片燃料電池單元串聯(lián)起來(lái)，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)
為多個(gè)單片層疊裝配成為一個(gè)整體，稱為電堆(fuel cell stack),單片通常串聯(lián)起來(lái)，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(gè)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(gè)樣本的統(tǒng)計(jì)量更接近真實(shí)的總體分布情況。 在對(duì)某種類型或者批次燃料電池的耐久性測(cè)試中，也就是說(shuō)需要對(duì)多個(gè)燃料電池樣本，通常 也就是多個(gè)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(píng)價(jià) 結(jié)論。
基于常規(guī)的燃料電池試驗(yàn)臺(tái)，多個(gè)樣本的試驗(yàn)，可以有兩種做法要么對(duì)于多個(gè)樣本逐 個(gè)進(jìn)行測(cè)試；要么多個(gè)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)多個(gè)電堆樣本同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。前者測(cè)試周期拖得很長(zhǎng)；后者 需要多個(gè)燃料電池試驗(yàn)臺(tái)，需要給每個(gè)樣本配備相應(yīng)的測(cè)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(gè)樣本的破壞，需要的成本很高；試驗(yàn)周期很長(zhǎng)，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(zhǎng)、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(lái)越長(zhǎng)。長(zhǎng)時(shí)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(shí)試驗(yàn)燃料和材料費(fèi)用需要300 500元，100小時(shí)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(shí)。整個(gè)試驗(yàn)周期的花費(fèi)會(huì)非常高昂。
綜上所述，在短時(shí)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(duì)于燃料電 池的開(kāi)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(cè)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(shí)間，也可用于其它類型電池的快速測(cè)試。
本實(shí)用新型的特征在于，含有反映待測(cè)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(gè)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(gè)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(zhǎng)期恒定或衰減規(guī)律已知的參考電壓源。
所述反映待測(cè)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(cè)燃料電池和參考 電壓源，所述待測(cè)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(cè)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(duì)的兩個(gè)橋臂上分別串接有待測(cè)燃料電池和參考電壓源，所述待測(cè)燃料電池和參考電壓 源在電橋中是同極相對(duì)的，在所述每一個(gè)橋臂上串接有橋臂電阻，所述待測(cè)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(cè)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(duì)的兩個(gè)橋臂上分別有極性對(duì)稱布置的待測(cè)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(gè)相對(duì)的橋臂分別為一個(gè)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(cè)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(cè)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(guò)將待測(cè)燃料電池輸出電壓中與性能衰退無(wú)關(guān)的分量部分或者全部削 減，來(lái)達(dá)到減小待測(cè)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(guò)這雙重作用 提髙測(cè)量精度。
為了精確測(cè)量燃料電池電壓的衰減，可以將輸出電壓減去固定的一個(gè)電壓，從而減小測(cè) 量的范圍。實(shí)現(xiàn)的原理如圖l所示，待測(cè)電池101的電壓減去參考電壓源102的電壓。待測(cè) 電池的輸出電壓相當(dāng)于初始電壓減去隨著工作時(shí)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(guò)量程很小的電壓儀表103測(cè)得，那么測(cè)量的對(duì)象也就從燃料
電池的電壓變換為測(cè)量燃料電池的電壓衰減了。R和Rr分別為待測(cè)電池和參考電壓源的內(nèi)阻。 為此，可以為待測(cè)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(lái)抵消待測(cè)燃料電池中與性能衰退無(wú)關(guān)的電壓分量。這樣的參考電壓源可以是與待測(cè)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(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)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(cè)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(cè)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(jí)經(jīng)過(guò)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(cè)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(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以是微伏計(jì)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)檢測(cè)不平 衡狀態(tài)下電橋輸出電壓，來(lái)間接測(cè)量待測(cè)燃料電池與參考電池輸出電壓的差異，或者通過(guò)電 橋平衡狀態(tài)下的橋臂電阻調(diào)節(jié)量來(lái)確定待測(cè)、參考燃料電池的輸出電壓差。其中，橋臂電阻 Rl、 R2、 R3或R4來(lái)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(lái)判斷電橋是否平衡: 負(fù)載電阻RL1、 RL2可以用來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)電池電壓中不變的部分及與電池電壓衰減無(wú)關(guān)的部 分，即可縮小電壓范圍并/或分離衰減無(wú)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(cè)量精度，使得測(cè)試的時(shí)間縮短。
權(quán)利要求1、燃料電池電壓衰減快速測(cè)量裝置，其特征在于，含有反映待測(cè)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(gè)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(gè)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(zhǎng)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(cè)量裝置，其特征在于，所述反映待測(cè)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(cè)燃料電池和參考電壓源，所述待測(cè)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(cè)量裝置，其特征在于，所述反映待測(cè)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(duì)的兩個(gè)橋臂上分別串接有待測(cè)燃料電池和參考電壓源，所述待測(cè)燃料電池和參考電壓源在電橋中是同極相 對(duì)的，在所述每一個(gè)橋臂上串接有橋臂電阻，所述待測(cè)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(cè)量裝置，其特征在于，所述反映待測(cè)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(duì)的兩個(gè)橋臂上分 別有極性對(duì)稱布置的待測(cè)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(gè)相 對(duì)的橋臂分別為一個(gè)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(cè)量裝置，其特征在于，所述參考 電壓源是伏安特性與待測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，含有反映待測(cè)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(gè)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(gè)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(zhǎng)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(cè)試。
文檔編號(hào)G01R31/36GK201060260SQ200720148969
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)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(yáng)明高, 靖 谷, 黃海燕 申請(qǐng)人:清華大學(xué)