EVALUATION OF MEASURING EQUIPMENT INTRINSIC NOISE INFLUENCE ON HYDROGEN FUEL CELLS IMPEDANCE MEASUREMENT BASED ON BROADBAND SOUNDING SIGNALS
Authors: Денисов Е.С. , Никишина Г.В. , Коньков К.В. 
Published: June 2024

Тведрополимерные водородные топливные элементы являются важным элементом перспективных систем водородной энергетики. Несмотря на превосходные эксплуатационные и массогабаритные характеристики, такие элементы требуют систем непрерывного мониторинга рабочих режимов и контроля технического состояния для своевременного формирования управляющих воздействий и предотвращение развития неисправностей на ранних этапах. Электрохимическая импедансная спектроскопия является одним из самых эффективных и информативных методов для решения этих задач. Одной из основных сложностей при реализации системимпедансной диагностикиявляется необходимость формирования высокоточных гармонических сигналов с высокой нагрузочной способностью, что приводит к высокой стоимости и большим массогабаритным характеристикам соответствующей измерительной аппаратуры. Для преодоления этого ограничения в последнее время предложены методы измерения импеданса на основе широкополосных импульсных сигналов, формирование которых легче реализуется посредством цифровых электронных средств. Кроме того, такой подход за счет богатого спектра зондирующих сигналов позволяет уменьшить время оценки частотных характеристик импеданса. В работе предложена реализация измерения импеданса на основе применения широкополосного зондирующего сигнала в форме прямоугольного токового импульса и оконного быстрого преобразования Фурье. На экспериментальной модельной системе показана возможность обеспечения низкой погрешности измерений 0,6% для амплитудных и 1,5% для фазовых характеристик импеданса в диапазоне частот 0,25-25 Гц. Проведенныеисследования влияния собственных шумов измерительной аппаратурыпоказывают, что более сильное влияние оказывается на погрешность оценки фазо-частотных характеристик импеданса. Показано, что при среднеквадратическом напряженийсобственных шумов измерительной аппаратуры менее 20 мкВ позволяет обеспечить погрешности измерения импедансных характеристик менее 3,2%. Это позволяет сделать вывод, что предложенный метод может быть реализован на базе недорогих серийных микросхем. Предложена типовая структурная схема системы автоматизированной установки для измерения электрохимического импеданса.

Proton exchange membrane fuel cells are an important element of most promising hydrogen energy systems. Despite of the excellent operational and weight-size characteristics, such elements require systems for continuous monitoring of operating conditions and technical condition monitoring for the timely formation of control actions and prevention of the fault development at early stages. Electrochemical impedance spectroscopy is one of the most effective and informative methods for solving these problems. One of the main difficulties in the implementation of impedance diagnostics systems is the need to form high-precision harmonic signals with massive load capacity, which leads to high cost and large mass-size characteristics of the corresponding measuring equipment. To overcome this limitation, impedance measurement methods based on broadband pulse signals, the formation of which is more easily realized by digital electronic means, have been recently proposed. In addition, this approach, due to the rich spectrum of probing signals, reduces the time to estimate the frequency response of the impedance. This paper proposes an implementation of impedance measurement based on the application of a broadband probing signal in the form of a rectangular current pulse and a windowed Fast Fourier Transform. An experimental model system reveals the possibility of ensuring a low measurement error of 0.6% for amplitude and 1.5% for phase characteristics of impedance in the frequency range 0.25-25 Hz. Conducted studies of the influence of the intrinsic noise of the measuring equipment show that a stronger influence is exerted on the error in estimating the phase-frequency characteristics of the impedance. It is shown that at the RMS voltage of intrinsic noise of measuring equipment less than 20 μV, it is possible to provide errors of measurement of impedance characteristics less than 3.2%. This allows us to conclude that the proposed method can be realized on the basis of inexpensive commercially available integrated circuits. A block diagram of the system of an automated installation for measuring electrochemical impedance is proposed.