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一种质子交换膜 燃料 电池电堆健康状态的分析方法

阅读：1发布：2020-07-28

专利汇可以提供一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，包括步骤：利用燃料电池测试平台和EIS测试台对质子交换膜燃料电池电堆进行输出性能的测试和阻抗谱的测试；通过阻抗谱测试得到的阻抗谱实验曲线拟合质子交换膜燃料电池等效电路，利用拟合软件，由等效电路得到质子交换膜燃料电池的阻抗谱拟合曲线；通过阻抗谱的实验曲线和拟合曲线，结合燃料电池电堆的输出性能，得到质子交换膜燃料电池电堆的运行状态态。本发明对燃料电池电堆的运行状态进行诊断与对其健康状态进行有效的管理，确保质子交换膜燃料电池安全可靠的运行，降低电池的运行维护成本、增进电池的健康运行，延长使用寿命。，下面是一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，其特征在于，包括步骤：
S100，利用燃料电池测试平台和EIS测试台对质子交换膜燃料电池电堆进行输出性能的测试和阻抗谱的测试；
S200，通过阻抗谱测试得到的阻抗谱实验曲线拟合质子交换膜燃料电池等效电路，利用拟合软件，由等效电路得到质子交换膜燃料电池的阻抗谱拟合曲线；
S300，通过阻抗谱的实验曲线和拟合曲线，结合燃料电池电堆的输出性能，得到质子交换膜燃料电池电堆的运行状态。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，其特征在于，在所述步骤S100中，利用燃料电池测试平台和EIS测试台对质子交换膜燃料电池电堆进行输出性能的测试和阻抗谱的测试，包括步骤：
S101，对燃料电池测试平台进行预启动与启动操作；
S102，将质子交换膜燃料电池电堆的运行条件调至额定条件下，通过恒流负载测得额定电压曲线并记录下此时的额定输出电压，记录下此时的实验现象；
S103，在改变运行条件之前先卸载负载，保证平台安全可靠运行；
S104，通过控制变量法改变运行操作条件；
S105，在燃料电池测试平台正常运行的情况下，加恒流负载，测出不同运行条件下的电压曲线以及运行输出电压，并记录实验现象；
S106，分析实验数据与实验现象：将不同运行条件下的电压曲线以及实验现象与额定情况作比较分析，得到不同实验现象下的输出电压情况与电压波动情况。
3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，其特征在于，在所述步骤S104中，通过控制变量法改变运行操作条件包括电堆运行温度、气体尾排周期、气体进气相对湿度、以及阴阳极气体过量系数。
4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，其特征在于，在所述步骤S200中，在所述质子交换膜燃料电池的等效电路中，通过等效电路图中的等效元件来定量的反映质子交换膜燃料电池的各个损耗。
5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，其特征在于，在所述质子交换膜燃料电池的等效电路中包括反映电池欧姆损耗的欧姆电阻Rohm、反映电池电荷传输损耗的电荷传输电阻Rt、反映电池阳极活化损耗的阳极活化电阻Ra、以及电双层电容Cdl和Ca；所述Ca和Ra相并联后与Rt串联构成等效组件，所述等效组件和Cdl相并联后与Rohm串联构成损耗等效电路；
基于上述等效电路，所述质子交换膜燃料电池的输出电压为：
V＝E-Vact-Vohm-Vconc；
在等效电路图中，Rohm对应电压Vohm，Rt对应电压Vconc，Ra对应电压Vact。
6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，其特征在于，在步骤S200中，基于质子交换膜燃料电池的阻抗谱实验曲线，拟合等效电路，利用Zview软件，输入等效电路的参数，对测试结果的曲线进行拟合。
7.根据权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，其特征在于，在所述步骤S300中，通过阻抗谱的实验曲线和拟合曲线，结合燃料电池电堆的输出性能，得到质子交换膜燃料电池电堆的运行状态，包括步骤：
S301，启动EIS测试平台；
S302，由EIS测试平台产生一个高频正弦电流信号；
S303，将所述高频正弦电流信号施加到质子交换膜燃料电池电堆上，获取基于频率的输出信号Z＝Z(f)，通过阻抗的频率函数绘制图形；
S304，逐步减小所述高频正弦电流信号的频率，重复步骤S303，直到其频率小于设定的临界值；
S305，通过不断绘制的图形，得到从高频到低频的完整阻抗谱图；
S306，通过电压性能测试中不同的运行条件，利用EIS测试平台对各种运行条件下的阻抗谱进行测试，最后将测试数据与结果进行比较分析，得到质子交换膜燃料电池电堆运行状态。
8.根据权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，其特征在于，由EIS测试平台所产生一个高频正弦电流信号的电流振幅的大小为质子交换膜燃料电池电堆输出电流的5％-10％。

说明书全文

一种质子交换膜 燃料 电池电堆健康状态的分析方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法。

背景技术

[0002] 随着工业化进程的加快，能源危机与环境污染的问题急剧加重，寻求新能源与绿色能源的发展已是全球发展的热潮。燃料电池作为一种将化学能直接转化成电能的发电装置，由其对环境友好的特点备受期待。质子交换膜燃料电池作为燃料电池的一类，具有运行温度低、功率密度高、启动速度快等特点，在便携式电源与车载电源上具有广阔的应用前景。

[0003] 质子交换膜燃料电池的故障状态对其输出性能具有严重的影响，制约其稳定性、使用寿命与可靠性。及时有效的对质子交换膜燃料电池的状态进行评估与管理可以为燃料电池系统的安全可靠提供重要的保障。

[0004] 而在现有对燃料电池的状态分析，基本上都是基于应用上的研究，主要有以下几种：(1)通过对极化曲线与输出电压反应燃料电池的输出性能与故障，燃料电池的极化曲线反应的是输出电压关于负载电流的关系，通过极化曲线的三个组成部分来定性分析各部分损耗的变化，无法通过一个数值来定量的反应损耗的大小；(2)对质子交换膜燃料电池而言，大多数情况下都是针对单片电池，对其健康状态与故障状态进行研究，单片燃料电池的研究结果对车载用的燃料电池电堆不一定适用；单片电池的功率低、结构简单，而车载用的电堆功率都很大，而且电堆中单片电池的连接方式，流场结构以及气体通道的设计远比单片电池复杂；(3)对质子交换膜的研究大多数都只采用了燃料电池测试平台，燃料电池的测试平台一般只能测试燃料电池的电压，进而绘制极化曲线，不能得到其他与内部反应机理相关的数值结果。

[0005] 因此，技术研究存在着较大的不足，主要是我国对质子交换膜燃料电池内部的化学反应机理的研究不足；无法有效对燃料电池电堆的故障状态进行诊断与对其健康状态进行有效的管理，从而造成质子交换膜燃料电池运行不安全且不可靠，大大降低了燃料电池的使用寿命，大大提高了电池维护成本。

发明内容

[0006] 为了解决上述问题，本发明提出了一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，对燃料电池电堆的故障状态进行诊断与对其健康状态进行有效的管理，确保质子交换膜燃料电池安全可靠的运行，降低电池的运行维护成本、增进电池的健康运行，延长使用寿命。

[0007] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，包括步骤：

[0008] S100，利用燃料电池测试平台和EIS测试台对质子交换膜燃料电池电堆进行输出性能的测试和阻抗谱的测试；

[0009] S200，通过阻抗谱测试得到的阻抗谱实验曲线拟合质子交换膜燃料电池等效电路，利用拟合软件，由等效电路得到质子交换膜燃料电池的阻抗谱拟合曲线；

[0010] S300，通过阻抗谱的实验曲线和拟合曲线，结合燃料电池电堆的输出性能，得到质子交换膜燃料电池电堆的运行状态。

[0011] 进一步的是，在所述步骤S100中，利用燃料电池测试平台和EIS测试台对质子交换膜燃料电池电堆进行输出性能的测试和阻抗谱的测试，包括步骤：

[0012] S101，对燃料电池测试平台进行预启动与启动操作；

[0013] S102，将质子交换膜燃料电池电堆的运行条件调至额定条件下，通过恒流负载测得额定电压曲线并记录下此时的额定输出电压，记录下此时的实验现象；

[0014] S103，在改变运行条件之前先卸载负载，保证平台安全可靠运行；

[0015] S104，通过控制变量法改变运行操作条件；

[0016] S105，在燃料电池测试平台正常运行的情况下，加恒流负载，测出不同运行条件下的电压曲线以及运行输出电压，并记录实验现象；

[0017] S106，分析实验数据与实验现象：将不同运行条件下的电压曲线以及实验现象与额定情况作比较分析，得到不同实验现象下的输出电压情况与电压波动情况。

[0018] 进一步的是，在所述步骤S104中，通过控制变量法改变运行操作条件包括电堆运行温度、气体尾排周期、气体进气相对湿度、以及阴阳极气体过量系数。

[0019] 进一步的是，在所述步骤S200中，在所述质子交换膜燃料电池的等效电路中，通过等效电路图中的等效元件来定量的反映质子交换膜燃料电池的各个损耗。

[0020] 进一步的是，在所述质子交换膜燃料电池的损耗等效电路中包括反映电池欧姆损耗的欧姆电阻Rohm、反映电池电荷传输损耗的电荷传输电阻Rt、反映电池阳极活化损耗的阳极活化电阻Ra、以及电双层电容Cdl和Ca；所述Ca和Ra相并联后与Rt串联构成等效组件，所述等效组件和Cdl相并联后与Rohm串联构成损耗等效电路；

[0021] 基于上述等效电路，所述质子交换膜燃料电池的输出电压为：

[0022] V＝E-Vact-Vohm-Vconc；

[0023] 在等效电路图中，Rohm对应电压Vohm，Rt对应电压Vconc，Ra对应电压Vact。因此，通过此等效电路中电阻的大小来定量反映各个损耗的大小，从而解决了现有技术无法定量反映损耗大小的问题；并且，等效电路中的各个元件可以通过交流阻抗谱直观地求出，故该等效电路成为了阻抗谱与电压曲线之间联系的桥梁。

[0024] 进一步的是，在步骤S200中，基于质子交换膜燃料电池的阻抗谱实验曲线，拟合等效电路，利用Zview软件，输入等效电路的参数，对测试结果的曲线进行拟合。

[0025] 进一步的是，在所述步骤S300中，通过阻抗谱的实验曲线和拟合曲线，结合燃料电池电堆的输出性能，得到质子交换膜燃料电池电堆的运行状态，包括步骤：

[0026] S301，启动EIS测试平台；

[0027] S302，由EIS测试平台产生一个高频正弦电流信号；

[0028] S303，将所述高频正弦电流信号施加到质子交换膜燃料电池电堆上，获取基于频率的输出信号Z＝Z(f)，通过阻抗的频率函数绘制图形；

[0029] S304，逐步减小所述高频正弦电流信号的频率，重复步骤S303，直到其频率小于设定的临界值；

[0030] S305，通过不断绘制的图形，得到从高频到低频的完整阻抗谱图；

[0031] S306，通过电压性能测试中不同的运行条件，利用EIS测试平台对各种运行条件下的阻抗谱进行测试，最后将测试数据与结果进行比较分析，得到质子交换膜燃料电池电堆运行状态。

[0032] 进一步的是，由EIS测试平台所产生一个高频正弦电流信号的电流振幅的大小为质子交换膜燃料电池电堆输出电流的5％-10％。

[0033] 采用本技术方案的有益效果：

[0034] 本发明通过对大功率燃料电池电堆进行测试分析，使用EIS测试平台测量质子交换膜燃料电池的阻抗谱，使用燃料电池测试平台测量质子交换膜燃料电池的输出性能，将等效电流图作为电压与阻抗谱的联系桥梁，通过EIS测得的阻抗谱得到等效电路图中的电阻值，进而通过电阻值的大小定量反映电堆各部分损耗的大小，能够有效对燃料电池电堆的故障状态进行诊断与对其健康状态进行有效的管理，确保质子交换膜燃料电池安全可靠的运行，降低电池的运行维护成本、增进电池的健康运行，延长使用寿命；

[0035] 本发明提供的对电堆的测试方法，通过比较测试过程中的实验现象，分析产生现象的原因，最后通过调节运行条件来对质子交换膜燃料电池电堆的健康状态进行管理，延长使用寿命。附图说明

[0036] 图1为本发明的一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法流程示意图；

[0037] 图2为本发明实施例中步骤S100的流程图；

[0038] 图3为本发明实施例中质子交换膜燃料电池的损耗等效电路图；

[0039] 图4为本发明实施例中步骤S300的流程图。

具体实施方式

[0040] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

[0041] 在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种质子交换膜燃料电池电堆健康状态的分析方法，包括步骤：

[0042] S100，利用燃料电池测试平台和EIS测试台对质子交换膜燃料电池电堆进行输出性能的测试和阻抗谱的测试；

[0043] S200，通过阻抗谱测试得到的阻抗谱实验曲线拟合质子交换膜燃料电池等效电路，利用拟合软件，由等效电路得到质子交换膜燃料电池的阻抗谱拟合曲线；

[0044] S300，通过阻抗谱的实验曲线和拟合曲线，结合燃料电池电堆的输出性能，得到质子交换膜燃料电池电堆的运行状态。

[0045] 作为上述实施例的优化方案，如图2所示，在所述步骤S100中，利用燃料电池测试平台对质子交换膜燃料电池电堆进行输出性能的测试，包括步骤：

[0046] S101，对燃料电池测试平台进行预启动与启动操作；

[0047] S102，将质子交换膜燃料电池电堆的运行条件调至额定条件下，通过恒流负载测得额定电压曲线并记录下此时的额定输出电压，记录下此时的实验现象；

[0048] S103，在改变运行条件之前先卸载负载，保证平台安全可靠运行；

[0049] S104，通过控制变量法改变运行操作条件；

[0050] S105，在燃料电池测试平台正常运行的情况下，加恒流负载，测出不同运行条件下的电压曲线以及运行输出电压，并记录实验现象；

[0051] S106，分析实验数据与实验现象：将不同运行条件下的电压曲线以及实验现象与额定情况作比较分析，得到不同实验现象下的输出电压情况与电压波动情况。

[0052] 其中，在所述步骤S104中，通过控制变量法改变运行操作条件包括电堆运行温度、气体尾排周期、气体进气相对湿度、以及阴阳极气体过量系数。

[0053] 作为上述实施例的优化方案，在所述步骤S200中，在所述质子交换膜燃料电池的等效电路中，通过等效电路图中的等效元件来定量的反映质子交换膜燃料电池的各个损耗。

[0054] 其中，如图3所示，在所述质子交换膜燃料电池的损耗等效电路中包括反映电池欧姆损耗的欧姆电阻Rohm、反映电池电荷传输损耗的电荷传输电阻Rt、反映电池阳极活化损耗的阳极活化电阻Ra、以及电双层电容Cdl和Ca；所述Ca和Ra相并联后与Rt串联构成等效组件，所述等效组件和Cdl相并联后与Rohm串联构成损耗等效电路；

[0055] 基于上述等效电路，所述质子交换膜燃料电池的输出电压为：

[0056] V＝E-Vact-Vohm-Vconc；

[0057] 在等效电路图中，Rohm对应电压Vohm，Rt对应电压Vconc，Ra对应电压Vact。因此，通过此等效电路中电阻的大小来定量反映各个损耗的大小，从而解决了现有技术无法定量反映损耗大小的问题；并且，等效电路中的各个元件可以通过交流阻抗谱直观地求出，故该等效电路成为了阻抗谱与电压曲线之间联系的桥梁。

[0058] 在步骤S200中，基于质子交换膜燃料电池的阻抗谱实验曲线，拟合等效电路，利用Zview软件，输入等效电路的参数，对测试结果的曲线进行拟合。

[0059] 作为上述实施例的优化方案，在所述步骤S300中，如图4所示，通过阻抗谱的实验曲线和拟合曲线，结合燃料电池电堆的输出性能，得到质子交换膜燃料电池电堆的运行状态，包括步骤：

[0060] S301，启动EIS测试平台；

[0061] S302，由EIS测试平台产生一个高频正弦电流信号；

[0062] S303，将所述高频正弦电流信号施加到质子交换膜燃料电池电堆上，获取基于频率的输出信号Z＝Z(f)，通过阻抗的频率函数绘制图形；

[0063] S304，逐步减小所述高频正弦电流信号的频率，重复步骤S303，直到其频率小于设定的临界值；

[0064] S305，通过不断绘制的图形，得到从高频到低频的完整阻抗谱图；

[0065] S306，通过电压性能测试中不同的运行条件，利用EIS测试平台对各种运行条件下的阻抗谱进行测试，最后将测试数据与结果进行比较分析，得到质子交换膜燃料电池电堆运行状态。

[0066] 其中，由EIS测试平台所产生一个高频正弦电流信号的电流振幅的大小为质子交换膜燃料电池电堆输出电流的5％-10％。

[0067] 经过具体实施例进行实验：使用5kW燃料电池电堆，包含30个燃料电池单片，燃料电池EIS测试平台测出的额定运行条件下单片电池的输出电压为0.75V左右，电堆的输出电压为22V左右。

[0068] 当实验现象为电堆出现水淹时，电堆的输出电压比正常运行时下降大约10％，测试结果大约为19V；可以通过缩短尾排周期将多余的水排出有效解决故障，另外，提高电堆运行温度也是一种有效的解决方案。

[0069] 本发明按照电压测试流程图进行电堆输出性能的测试，结果发现水淹态时的输出电压比正常态的输出电压低大约10％，并且水淹态还会造成输出电压出现大幅度的波动。

[0070] 当实验现象为出现氧饥饿时，燃料电池对应的等效电路图的电阻为Ra会变得非常大；可以通过提高进气时的阴极过量系数有效解决此问题，从而使得阻抗谱变规整，提高电堆的输出性能。

[0071] 按照阻抗谱测试流程图对电堆的阻抗谱进行测试，选取氧饥饿现象时的阻抗谱，发现等效电路图能够正确的反应质子交换膜燃料电池的反应机理。另外，氧饥饿现象会造成Ra大幅增加，并使得阻抗谱变得不规整。

[0072] 本发明技术通过对质子交换膜燃料电池内部反应机理用等效电路图进行等效，实现了对燃料电池各部分损耗的定量反映；另外，本发明技术不仅使用了燃料电池测试平台，还结合了EIS测试平台，对燃料电池的故障状态进行及时有效的诊断，为燃料电池的健康运行进行了有效的管理，确保电堆运行在健康状态。

[0073] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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