執行燃料電池的交流阻抗量測，有助於找出燃料電池元件中的問題，並可追蹤燃料電池組裝過程中的錯誤。這類量測適合用來確認燃料電池系統中的運動電阻、系統中的歐姆電阻--電解、接觸和多孔層電阻--以及反應物的傳輸限制。燃料電池中會影響阻抗的元件，包括電流集極、多孔電極、催化層與薄膜。

使用電子負載及其他容易取得的儀器，即可執行交流阻抗量測。只要干擾燃料電池所提供的直流電流，並量測受到干擾的電流與電壓響應，即可計算出交流阻抗。重複這個過程幾次，就能得到電化學阻抗光譜（EIS）。

以下所描述的技術有一獨特之處，那就是使用的負載能夠提供某些重要的好處。電子負載能夠同時取樣電壓和電流，這與數位示波器在一段期間內以某個取樣速率來取樣信號的情況很類似。稍後將會說明它在量測作業中所扮演的重要角色。

量測程序一開始是利用一個低位準的正弦交流電流，在特定的頻率下激發燃料電池，然後再量測這個激發交流電流與產生的交流電壓。將儀器中的資料饋入備有適當的數學運算軟體的電腦，以便執行快速傅立葉轉換。接著再使用適當的數學函數，將轉換的電壓除以轉換電流，以產生可用來研究燃料電池的複數阻抗。重複這個程序幾次，便可產生一個組成燃料電池的EIS之阻抗量測頻譜。

這項交流阻抗量測是利用一個電子負載、一台函數產生器及一部個人電腦（PC）所完成的。儀器的設定，如(圖一)所示。

《圖一　交流阻抗測試互連》

請注意，除了執行EIS量測之外，這個設定也可以用來取得燃料電池的極化曲線或V-I特性。

以下程序中所使用的Agilent Series N3300A電子負載，提供了量測過程中的三種必要功能：

函數產生器必須能夠產生正弦波，並具備準確的頻率控制。後者可確保FFT結果的準確性。有利於量測過程的重要負載功能包括：

定電流模式

設定燃料電池的直流電流操作點，以執行交流量測。此乃電子負載的程式化直流設定。

外部程式化輸入

透過這項功能，可使用外部產生的正弦波，例如由函數產生器所產生的，將正弦激發信號疊加在電子負載的程式化直流設定上。以Agilent N3300A系列的電子負載而言，在3V或3V以上操作負載輸入時，蓋壓信號的頻率，可能介於直流到10kHz之間。（在3V以下時，頻寬會降到1kHz）。雖然在此輸入下電壓可能會漂動成負的，但負載的總輸入電流並不會漂動到低於0安培，因為負載是單極的。

同步取樣輸入的V和I波形，也就是FFT分析的準確性，有賴於V和I波形的精確取樣。因為使用相當準確的晶體來控制取樣過程的時間，所以能夠精確地設定擷取資料的時間。取樣速率可由使用者來控制，主要介於10s到0.032秒之間，遞增單位為10s。欲擷取的波形資料點數量，可以設定在1到4096個之間。

遠端電壓感應

該項功能很重要，因為它可以讓使用者將負載的電壓量測感應輸入連接到燃料電池上所要量測的點，以執行準確的電壓量測。

低電壓下的操作

負載必須能夠一路汲取電流，直到輸入為0伏特時。架疊燃料電池通常可以提供多於2V，但個別的燃料電池多半會在1V以下操作。因此，如果在這個電壓下，需要負載提供更多的電流，則可以將電源供應器與燃料電池串聯在一起，以提高負載的總輸入電壓，如圖一所示。燃料電池本身仍可執行遠端電壓感應。為了滿足在較低電壓下的較高電流需求，可以使用具有較高額定電流的負載。

平行操作

如果需要燃料電池供應的電流超過單一負載模組所能應付，則可平行連接多個負載以提高整體電流處理能力。不過，執行交流阻抗量測時只需要用到其中一個負載，因為其他的負載必須用來汲取額外的直流電流。

PC必須具備GPIB能力，才能與一般的測試儀器互相傳遞資訊。安裝好電子負載的VXIplug&play驅動程式之後，才能透過GPIB與負載進行通訊。雖然可以使用RS-232通訊鏈路，但速度會慢很多。此外，PC還需要一個能夠進行FFT分析的數學運算軟體。Microsoft的Excel及Analysis ToolPak Add-Ins中的傅立葉分析工具就是很好的選擇。透過Excel內建的Visual Basic程式化能力，可直接從負載擷取測得的波形資料。

選擇性儀器包括增壓電源供應器，只有在測試2V以下的燃料電池，且如果在測試電壓下，需要的電流超過負載所能處理時才需要。額外的負載，可從燃料電池汲取更多的直流電流。

執行交流阻抗量測的步驟

首先，回顧一下整個量測方法將會很有用。有關儀器的設定，請參考圖一的說明。首先，將燃料電池連接到負載，並設定直流操作點。再設定函數產生器在執行阻抗量測時所需要的頻率，以及在適當大小下的正弦輸出。然後使用負載來取樣燃料電池的電壓與電流波形。接著將負載的取樣波形資料轉移到PC。對電壓與電流波形資料執行FFT。將FFT電壓資料除以FFT電流資料，以取得複數阻抗。最後，在複數FFT阻抗資料中，檢查在所需頻率下所測得的阻抗。重複步驟2到7，直到取得EIS圖為止。

以上8個步驟都很容易執行，但步驟2選擇函數產生器的測試頻率設定，有些許難度，因為它會受到與FFT資料分析有關的一些重要因素所影響，這些因素在執行量測前應仔細加以考慮。

在討論這些重要的因素及測試頻率設定的選擇以前，必須先瞭解與量測及FFT分析有關的一些定義，如(表一)所示。

與FFT資料分析相關的重要考量因素

FFT要求N必須為2的整數次方。因此，負載必須設定成擷取包含2的整數次方個資料點（N）的波形資料，亦即2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048或4096個。

產生非連續取樣頻率fs的負載，可提供非連續的取樣時間ts。因此，負載的取樣間隔可以10s為增量，在10與32000s（0.032秒）之間做調整。

測試頻率ftst必須是容器頻率fbin的整數倍數。否則，將會發生頻譜洩漏，而導致FFT的計算結果錯誤。

Excel FFT函數會對波形陣列中的N個資料點作用，其傳回的陣列中包含一個直流值，以及N組代表交流大小與相位值的複數。在直流值之後，FFT陣列中的前N/2個交流值是很重要的結果，可予以重複而作為後N/2個值的鏡像。

Excel FFT函數所傳回的直流值，必須除以N來加以調整。

Excel FFT函數所傳回的交流值，必須除以N/2來加以調整，並代表正弦曲線的峰值（除以√2以取得大小的rms值。）

請注意，Excel以外的軟體中的FFT可能會以不同的方式來調整FFT所傳回的值。

取樣程序

上述量測方法的步驟2所需的有效測試頻率ftst設定，可透過取樣程序獲得。在取樣程序中必須選取需要的測試頻率fdes。不過，由於負載提供非連續的取樣頻率，所以實際的測試頻率ftst可能會與fdes稍有不同。

接著選取N，再將fdes乘以N。計算結果的倒數，以取得適當的取樣時間。依據量化的負載取樣速率，將結果四捨五入到最近的10s。最後計算結果的倒數。

將結果除以N，以取得要在函數產生器中程式化的實際測試頻率ftst。使用這個程序時，此頻率也剛好等於容器頻率fbin。

(圖二)顯示的EIS頻譜，是利用Agilent N3306A電子負載及Agilent 33120A函數產生器所獲得的。

《圖二　EIS頻譜》

結論

基本上可以利用電子負載來執行燃料電池的交流阻抗量測，而不必用到較昂貴的儀器。搭配函數產生器、具備GPIB能力的PC、以及FFT分析軟體，一般的負載便能提供執行交流阻抗量測所需的激發與量測功能。Excel是一個很方便的套裝軟體，除了提供所需的FFT能力之外，還具備了自動化的GPIB控制與Visual Basic程式化功能。可以將這些軟體與硬體工具整合在一起，以便在整個頻帶內執行量測，這個組合構成了一個可產生燃料電池測試的EIS量測之經濟型解決方案。（作者任職於安捷倫科技）

＜參考資料

Eikerling M., Kornyshev, A. A., "Electrochemical impedance of the cathode catalyst layer in polymer electrolyte fuel cells," Journal Of Electroanalytical Chemistry, 475 (2): 107-123, October 14, 1999

Macdonald, D. D., Transient Techniques in Electrochemistry, Plenum, 1977

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＞