执行燃料电池的交流阻抗量测，有助于找出燃料电池组件中的问题，并可追踪燃料电池组装过程中的错误。这类量测适合用来确认燃料电池系统中的运动电阻、系统中的奥姆电阻--电解、接触和多孔层电阻--以及反应物的传输限制。燃料电池中会影响阻抗的组件，包括电流集极、多孔电极、催化层与薄膜。

使用电子负载及其他容易取得的仪器，即可执行交流阻抗量测。只要干扰燃料电池所提供的直流电流，并量测受到干扰的电流与电压响应，即可计算出交流阻抗。重复这个过程几次，就能得到电化学阻抗光谱（EIS）。

以下所描述的技术有一独特之处，那就是使用的负载能够提供某些重要的好处。电子负载能够同时取样电压和电流，这与数字示波器在一段期间内以某个采样率来取样信号的情况很类似。稍后将会说明它在量测作业中所扮演的重要角色。

量测程序一开始是利用一个低位准的正弦交流电流，在特定的频率下激发燃料电池，然后再量测这个激发交流电流与产生的交流电压。将仪器中的数据馈入备有适当的数学运算软件的计算机，以便执行快速傅立叶变换。接着再使用适当的数学函数，将转换的电压除以转换电流，以产生可用来研究燃料电池的复数阻抗。重复这个程序几次，便可产生一个组成燃料电池的EIS之阻抗量测频谱。

这项交流阻抗量测是利用一个电子负载、一台函数产生器及一部个人计算机（PC）所完成的。仪器的设定，如(图一)所示。

《图一 交流阻抗测试互连》

请注意，除了执行EIS量测之外，这个设定也可以用来取得燃料电池的极化曲线或V-I特性。

以下程序中所使用的Agilent Series N3300A电子负载，提供了量测过程中的三种必要功能：

函数产生器必须能够产生正弦波，并具备准确的频率控制。后者可确保FFT结果的准确性。有利于量测过程的重要负载功能包括：

定电流模式

设定燃料电池的直流电流操作点，以执行交流量测。此乃电子负载的程序化直流设定。

外部程序化输入

透过这项功能，可使用外部产生的正弦波，例如由函数产生器所产生的，将正弦激发信号迭加在电子负载的程序化直流设定上。以Agilent N3300A系列的电子负载而言，在3V或3V以上操作负载输入时，盖压信号的频率，可能介于直流到10kHz之间。（在3V以下时，带宽会降到1kHz）。虽然在此输入下电压可能会漂动成负的，但负载的总输入电流并不会漂动到低于0安培，因为负载是单极的。

同步取样输入的V和I波形，也就是FFT分析的准确性，有赖于V和I波形的精确取样。因为使用相当准确的晶体来控制取样过程的时间，所以能够精确地设定撷取数据的时间。采样率可由用户来控制，主要介于10s到0.032秒之间，递增单位为10s。欲撷取的波形数据点数量，可以设定在1到4096个之间。

远程电压感应

该项功能很重要，因为它可以让用户将负载的电压量测感应输入连接到燃料电池上所要量测的点，以执行准确的电压量测。

低电压下的操作

负载必须能够一路汲取电流，直到输入为0伏特时。架迭燃料电池通常可以提供多于2V，但个别的燃料电池多半会在1V以下操作。因此，如果在这个电压下，需要负载提供更多的电流，则可以将电源供应器与燃料电池串联在一起，以提高负载的总输入电压，如图一所示。燃料电池本身仍可执行远程电压感应。为了满足在较低电压下的较高电流需求，可以使用具有较高额定电流的负载。

平行操作

如果需要燃料电池供应的电流超过单一负载模块所能应付，则可平行连接多个负载以提高整体电流处理能力。不过，执行交流阻抗量测时只需要用到其中一个负载，因为其他的负载必须用来汲取额外的直流电流。

PC必须具备GPIB能力，才能与一般的测试仪器互相传递信息。安装好电子负载的VXIplug&play驱动程序之后，才能透过GPIB与负载进行通讯。虽然可以使用RS-232通讯链路，但速度会慢很多。此外，PC还需要一个能够进行FFT分析的数学运算软件。Microsoft的Excel及Analysis ToolPak Add-Ins中的傅立叶分析工具就是很好的选择。透过Excel内建的Visual Basic程序化能力，可直接从负载撷取测得的波形数据。

选择性仪器包括增压电源供应器，只有在测试2V以下的燃料电池，且如果在测试电压下，需要的电流超过负载所能处理时才需要。额外的负载，可从燃料电池汲取更多的直流电流。

执行交流阻抗量测的步骤

首先，回顾一下整个量测方法将会很有用。有关仪器的设定，请参考图一的说明。首先，将燃料电池连接到负载，并设定直流操作点。再设定函数产生器在执行阻抗量测时所需要的频率，以及在适当大小下的正弦输出。然后使用负载来取样燃料电池的电压与电流波形。接着将负载的取样波形数据转移到PC。对电压与电流波形数据执行FFT。将FFT电压数据除以FFT电流数据，以取得复数阻抗。最后，在复数FFT阻抗数据中，检查在所需频率下所测得的阻抗。重复步骤2到7，直到取得EIS图为止。

以上8个步骤都很容易执行，但步骤2选择函数产生器的测试频率设定，有些许难度，因为它会受到与FFT数据分析有关的一些重要因素所影响，这些因素在执行量测前应仔细加以考虑。

在讨论这些重要的因素及测试频率设定的选择以前，必须先了解与量测及FFT分析有关的一些定义，如(表一)所示。

与FFT数据分析相关的重要考虑因素

FFT要求N必须为2的整数次方。因此，负载必须设定成撷取包含2的整数次方个数据点（N）的波形数据，亦即2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048或4096个。

产生非连续取样频率fs的负载，可提供非连续的取样时间ts。因此，负载的取样间隔可以10s为增量，在10与32000s（0.032秒）之间做调整。

测试频率ftst必须是容器频率fbin的整数倍数。否则，将会发生频谱泄漏，而导致FFT的计算结果错误。

Excel FFT函数会对波形数组中的N个数据点作用，其传回的数组中包含一个直流值，以及N组代表交流大小与相位值的复数。在直流值之后，FFT数组中的前N/2个交流值是很重要的结果，可予以重复而作为后N/2个值的镜像。

Excel FFT函数所传回的直流值，必须除以N来加以调整。

Excel FFT函数所传回的交流值，必须除以N/2来加以调整，并代表正弦曲线的峰值（除以√2以取得大小的rms值。）

请注意，Excel以外的软件中的FFT可能会以不同的方式来调整FFT所传回的值。

取样程序

上述量测方法的步骤2所需的有效测试频率ftst设定，可透过取样程序获得。在取样程序中必须选取需要的测试频率fdes。不过，由于负载提供非连续的取样频率，所以实际的测试频率ftst可能会与fdes稍有不同。

接着选取N，再将fdes乘以N。计算结果的倒数，以取得适当的取样时间。依据量化的负载采样率，将结果四舍五入到最近的10s。最后计算结果的倒数。

将结果除以N，以取得要在函数产生器中程序化的实际测试频率ftst。使用这个程序时，此频率也刚好等于容器频率fbin。

(图二)显示的EIS频谱，是利用Agilent N3306A电子负载及Agilent 33120A函数产生器所获得的。

《图二 EIS频谱》

结论

基本上可以利用电子负载来执行燃料电池的交流阻抗量测，而不必用到较昂贵的仪器。搭配函数产生器、具备GPIB能力的PC、以及FFT分析软件，一般的负载便能提供执行交流阻抗量测所需的激发与量测功能。Excel是一个很方便的软件包，除了提供所需的FFT能力之外，还具备了自动化的GPIB控制与Visual Basic程序化功能。可以将这些软件与硬件工具整合在一起，以便在整个频带内执行量测，这个组合构成了一个可产生燃料电池测试的EIS量测之经济型解决方案。（作者任职于安捷伦科技）

＜参考数据

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Macdonald, J. R., Impedance Spectroscopy: Emphasizing Solid Materials and Systems, John Wiley & Sons, 1987

Muller, J.T.; Urban, P.M.; Holderich, W. F.; "Impedance studies on direct methanol fuel cell anodes," Journal Of Power Sources, 84 (2): 157-160, December 1999

"Making Fuel Cell AC Impedance Measurements Utilizing Agilent N3300A Series Electronic Loads," Agilent Technologies Product Note 5988-5358EN, available at www.agilent.com＞