摘 要

燃料电池清洁环保、能量转换率高，并且容易操作，越来越受到各国政府，各研究机构的重视。燃料电池是由一片片燃料电池堆叠而成工作的，每一片燃料电池对整个燃料电池系统的性能都起到了关键的作用。为了评估各片电池的工作性能并及时发现异常的单片电池，使燃料电池始终工作在安全、高效的状态下必须对单片电池的内阻进行监测。在目前成功开发使用的内阻测试方法中，电化学阻抗谱法（EIS）具有能够测得丰富的阻抗数据，获得较准确的阻抗频率谱的优点，因而得到广泛的应用。但是，一般的交流阻抗法往往需要设计独立的激励源来产生扰动波形施加到燃料电池两端，在测试时需要变换激励源的频率进行从低到高的频率扫描，测量各个频率下的内阻来得到阻抗谱，而激励源的设计往往比较困难，且扫描频率较多，测试时间长，这为内阻检测系统的设计增加了难度。论文以此为背景，在EIS技术的基础上设计了一种不需要外加交流激励源的阻抗测试方法。主要研究工作如下：

（1）简述了燃料电池的几种分类以及工作原理，介绍了燃料电池内阻等效电路模型，比较分析了当前几种燃料电池内阻测试方法，并在EIS技术的基础上提出了集成于DC-DC电路的内阻测试方案。

（2）设计了集成于DC-DC电路的燃料电池内阻测试电路，采用负反馈技术与PI调节器实现了燃料电池输出电流纹波的调制功能。

（3）在MATLAB完成了燃料电池内阻测试方法的仿真验证。根据整个方法的原理，通过控制Boost电路来控制燃料电池电流产生一个直流电流和轻微的不影响电池工作的三角波两者叠加组成的电流，再等燃料电池工作稳定后，采样燃料电池的电压和电流，进行快速傅里叶分析，得到各个频率下的燃料电池的内阻值，得到电池的电化学阻抗谱。

关键词：燃料电池，内阻测试，阻抗法，DC-DC，傅里叶分析

ABSTRACT

Fuel cell which is clean and environmental protection, energy conversion rate is high, and easy to operate. More and more governments, research institutions are focus on it. Fuel cell is made from pieces of a fuel cell stack, each piece of fuel cell has played a key role in the fuel cell system. In order to assess the performance of each piece of the battery and timely find the abnormal single cells, make the fuel cell always work in a safe and efficient condition, we must monitor the internal resistance of single cells. In the current, the successful development of fuel cell impedance testing method, the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is widely used，because it can measure the rich data of impedance and obtain more accurate frequency impedance spectrum.However, General ac impedance method, often need to design an independent excitation source on the fuel cell to produce disturbance waveform applied. In testing, the frequency of the excitation source should be transformed from low to high frequency scanning, so that we can measure the impedance in different frequency and get impedance spectrum. But the design of the excitation source tend to be very difficult, and scanning frequency is too much, test time is long, that increase the difficulty for internal resistance detection system design. Paper based on this background, on the basis of the EIS technique to design an impedance test method that don't need plus ac excitation source. The main contents are as follows:

Firstly, this paper introduced several kinds of classification and the working principle of fuel cell. And then the equivalent circuit model of fuel cells were explained, this thesis also compared several test methods of internal resistance and developed a design of internal resistance test method of fuel cell what is integrated in the DC-DC circuit basing on the EIS method.

Secondly, the fuel cell was designed to test the resistance circuit integrated DC-DC circuit, the use of negative feedback and PI controller implements the fuel cell output current ripple modulation function.

Thirdly, Completed simulation of fuel cell internal resistance test method in MATLAB. According to the principle of the whole process, by controlling the Boost circuit to control the fuel cell current generation current triangle between a DC current and a minor which not affect battery superposition composed, sample the fuel cell voltage and current until fuel cell is stable, and then conduct fast Fourier analysis, so the internal resistance of the fuel cell for each frequency can be obtain, then we can get the battery electrochemical impedance spectroscopy.

Key words: fuel cell, internal resistance testing, impedance method, DC-DC, Fourier transform

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2课题研究目的与意义 2

1.3国内外研究现状 3

1.4主要研究内容 5

第2章 集成于DC-DC的内阻测试方案设计 6

2.1 燃料电池简介 6

2.1.1燃料电池分类 6

2.1.2燃料电池工作原理 6

2.1.3内阻等效模型 7

2.2 燃料电池内阻测试方法及原理 8

2.2.1电流阻断法 8

2.2.2交流阻抗法 9

2.2.3EIS电化学阻抗谱法 10

2.3内阻测试总体方案设计 10

2.4本章小结 11

第3章 内阻测试方案的电路设计 13

3.1电流给定部分 13

3.2主电路的设计 13

3.2.1斩波电路 13

3.2.2Boost电路参数计算 14

3.3控制电路的设计 15

3.4傅里叶变换 16

3.4.1傅里叶变换的产生 16

3.4.2 FFT运算 16

3.5本章小结 17

第4章 方案设计仿真结果与分析 18

4.1仿真软件的简介 18

4.2实验过程 18

4.2.1测试电路模型的搭建 18

4.2.2傅里叶变换的实现 19

4.3测试结果与分析 19

4.4本章小结 21

第5章 全文总结及展望 22

5.1全文工作总结 22

5.2展望 22

参考文献 24

附录A 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1引言

众所周知，能源对于我们人类社会的生存和发展至关重要。伴随着人类社会的进步与发展。我们不难发现，社会的每一次跨越性重要进步都和能源的改进与更替有着密不可分的联系。能源的发展问题一直以来都是人们最为关心的。中国作为世界上最大的发展中国家，是目前世界上第一位能源消费和生产的大国，能源产量已跃居世界第一，但能源消费总量也跃居世界第一，供需依旧紧张^[1]。一方面，经济社会的快速发展得益于能源供应的持续增长。另一方面，世界能源市场也因为能源消费量的提高有了更广阔的发展空间。在世界能源市场中，中国占着举足轻重的地位。对维护全球能源安全起着积极作用。进入新世纪以来，伴随着经济社会的不断发展，人类生存的自然环境也随着发展而遭受破坏，再加上煤炭、天然气和石油等目前大量使用的不可再生能源即将开采殆尽，能源对社会经济的发展制约影响力也日益突出，导致环保与节能问题已成为世界关注的焦点和阻碍社会可持续发展的绊脚石。因此，调整能源的结构、积极利用和开发环保的可再生绿色能源、提高能源利用效率将是社会未来发展的必由之路。

人类一直没有停止过对新型清洁能源探索与研究的脚步，为的就是希望能够避免环境破坏和能源危机，不阻碍人类文明的发展进程。目前欧盟、美国、日本、加拿大等都在积极开发如太阳能、风能、地热能、氢能、海洋能(包括潮汐能和波浪能)、核能、生物能等可再生新能源，还有的科学家已经开始研究诸如海底可燃冰这类新的化石能源。在这些绿色新型能源中，氢气因成为汽油、柴油的替代品而成为21世纪最为理想的新型能源，并被受到了广泛的关注。早在19世纪时，作为法国科幻小说鼻祖的凡尔纳就在其小说中预言道：总有一天社会的能源结构将会以氢为基础产生彻底的巨变。这种质量很轻的气体是世界上最丰富的资源，它燃烧后的产物几乎是纯净的水蒸气，不会排出其他任何废气与污染物，所以对环境没有任何污染^[2]。实验也表明，燃烧氢气比同等质量的煤炭、石油所产生的能量要多。而且氢气的来源比较广泛，可以通过太阳能光解制氢、生物质制氢、水煤气法制氢等许多种方法获得氢气。其中使用最为广泛的就是电解水制氢法，而氢气燃烧后的唯一产物也是水，所以人们可以源源不断地从水中提取氢气，可谓是取之不尽，用之不竭。燃料电池作为一种将存储在氢气中的化学能通过电化学催化反应直接转换为电能的装置，由于它不会受到卡诺循环的限制影响，所以燃料电池与其它传统的内燃机等设备相比有着寿命长、噪音小、可维护性好、带负荷能力强、能量转换效率高（40%-60%）等优势。而且氢燃料电池的唯一排放物是水，不会排放其它对环境有害的污染气体^[3]。所以，燃料电池因其具备环保性且利用效率高这些特点而得到广泛应用。