CN107681181A - 一种燃料电池的性能诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的性能诊断方法，包括：引入阻抗正割角差值Δα作为燃料电池的性能诊断判断指标，运用改进型电化学阻抗谱法求解得到当前阻抗正割角α_t，同时控制器依据所建立模型，得出当前电流密度、温度和湿度下，计算得出正常状态下正割角α₀，控制器依据二者差值Δα判断当前燃料电池水管理状态，同时产生控制信号，对燃料电池进气湿度调整，从而保证燃料电池处于正常工作状态目的。本发明在仅利用交流信号发生器以及数据采集系统情况下，可以快速、准确的判断燃料电池所处水管理状态并恢复其性能，提高燃料电池输出性能。

Description

一种燃料电池的性能诊断方法

技术领域：

本发明涉及一种燃料电池的性能诊断方法。

背景技术：

在经济全球化的推动下，世界经济飞跃式发展，能源短缺已经制约了经济的发展，能源问题成为了全世界急待解决的关键问题。同时，传统能源日益消耗带来的环境问题也威胁着人类的生存，此时，亟需发展新能源代替传统能源。在所有化石燃料的替代选择中，由于燃料电池良好的操作性能、发电环境友好等优点使其成为最具有发展前景一种供能方式。而质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有无污染、零噪声以及功率稳定等优点，适宜人类大规模商业开发，有着光明的市场应用前景。

PEMFC一个显著的特点就是电极的反应物是液态水，而不是气态的水蒸气。在PEMFC中，质子交换膜必须保持电解质中有充分的水量从而保证其传导率处于正常范围。

当电堆处于高电流密度下运行时，与水的生成与分布有关的传输介质的作用会制约着电堆的输出，此时如果没有有效的水管理，电池内的水生成、蒸发和排出将会失去平衡，此时可能会产生水淹和膜干的水故障。

目前，由于质子交换膜厚度只有微米级、燃料电池在工作过程中需要保证结构的完整性和封闭性，这使得人们很难使用传感器精确获取PEMFC内部状况。同时由于PEMFC在工作过程中会生成水，随着工作温度的变化，燃料电池内部水会发生气液两相之间的转化，这会让湿度传感器无法测得精确数值。而且，外部气体加湿与电堆内部湿度存在着较大的误差，如果不能及时诊断并处理，会降低电堆输出性能。

现有的PEMFC诊断方法可以较为快速、精确诊断出PEMFC的异常水管理状态，与传统的利用电堆输出电压降低幅度以及EIS法相比，准确度有一定的提高。但是，现有的诊断方法选取的辅助变量大部分还是PEMFC外部性状，不能准确的反馈电堆内部的工作状态。同时利用建模获取的电堆内部反应产生水量与实际的也存在着一定的误差，均会影响诊断结果的准确性。

发明内容：

在实际的诊断控制过程中，辅助变量以及建模的精确度均会影响对PEMFC性能诊断的准确性。同时，由于电堆本身紧密性要求较高，所以选取的辅助变量大多数均为电堆的外部性状，无法真实的反应电堆内部的工作状态。而传统EIS法测量时间过长，并不适用于PEMFC实时的性能诊断。

本发明是鉴于上述问题作出的，目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种燃料电池的性能诊断的方法，该方法既可缩短电堆的诊断时间，也可以保证较高的精确度。

为了达成上述目的，本发明所述的燃料电池的性能诊断方法包括以下步骤：

本文提供一种PEMFC性能诊断方法，其特征是针对任意一种运行状态下的PEMFC，引入阻抗正割角α，基于图1所示PEMFC等效电路，根据PEMFC最佳操作条件下阻抗谱曲线，计算得到当前电流密度下，操作条件一定时，当前电堆的正割角a_t的大小。同时，控制器利用设定的计算表达式，获取相同条件时正常情况下正割角α₀，基于二者阻抗正割角差值Δa，湿度控制器判断电堆工作状态并产生控制信号，经驱动电路放大后输出至加湿装置的控制端，调整向PEMFC电极进气加湿度使得电堆回归正常工作状态，达到控制PEMFC处于稳定工作状态的目的。所述的PEMFC性能诊断方法包括以下步骤：

步骤一：PEMFC在工作过程中，其理想输出电压应为电化学电动势，但是由于存在不可逆的损失，电池的输出电压会低于理想电压。实际上，燃料电池的不可逆电压损失是指活化过电压、浓差过电压和欧姆过电压三种极化过电压。以此建立了PEMFC等效电路，其中R_f为极化内阻、R_m为欧姆内阻、R_d为浓差内阻、C_dl为等效电容、R_load为外部负载。基于PEMFC等效电路，确定高频信号频率f₁、f₂。f₁为阻抗谱与实轴的交点所对应的频率，且f₁≥20kHz；计算得到PEMFC高频转折频率f₂，如式(1)所示：

其中：R_a＝R_f+R_d；

步骤二：依次给燃料电池发射两组高频(f₁、f₂)交流电信号并依次采集燃料电池的响应信号，计算得到燃料电池对应频率的阻抗Z₁、Z₂，得到在阻抗坐标轴上Z(ω₁)、Z(ω₂)及与实轴夹角a，如式(3)所示：

其中：为Z(ω₁)、Z(ω₂)阻抗实部，为Z(ω₁)、Z(ω₂)阻抗虚部；

步骤三：根据燃料电池等效电路模型，燃料电池输出性能损耗的根本原因是电堆工作过程中产生极化内阻R_f、欧姆内阻R_m、浓差内阻R_d，其中：

极化内阻R_f的大小依赖于电化学反应的动力学，可得极化内阻R_f表达式如式(3)所示：

式(3)中，μ为氢气反应转移的电子数，μ＝2，α为电化学反应速率参数，其值的大小与PEMFC堆内反应环境及催化剂材料有关，取值范围为0.01～0.1，T为电堆温度，i为当前电流密度，F为法拉第常数，T₀为实验最适温度；

在所有电阻中，膜电阻对于欧姆过电压起了最主要的影响作用，膜电阻计算公式如式(4)所示：

式(4)中，η为可调经验参数，一般情况下取值5.139，λ为质子交换膜含水量，RH为电堆内相对湿度；

为维持PEMFC正常工作，必须持续不断的输送反应物并把生成物从燃料电池中移除，这需要克服组件产生的浓差内阻R_d，而浓差内阻R_d的表达式如式(5)所示：

式(5)中，ρ为氢氧电化学反应电子迁移数，δ为扩散层厚度，R为理想气体常数，α与D_eff分别为电化学反应速率参数和堆内水迁移系数，S为催化面积，C_g反应物总体浓度；

步骤四：将式(3)、式(4)和式(5)代入(2)中，可以得出α与操作条件之间的关系式如式(6)所示：

其中a₀、a₁、a₂、a₃和b均为常数，且：

a₀＝-3.04*10^-3；

a₁＝8.83*10^-2；

a₂＝-0.25；

a₃＝0.185；

b＝0.0153*t_m；

式(6)即为α与电流密度i，温度T，相对湿度RH的关系式，从式中可以分析出不同电流密度大小时，温、湿度对α值的影响；t_m为燃料电池膜厚度，本实验膜厚度t_m＝51μm；

步骤五：在燃料电池运行过程中存在水故障，那么电堆内部阻抗大小必然会变化，那么当前电流密度情况下，操作条件相同，利用水故障情况下正割角α_t与正常情况下α₀差值Δα，即可实现对电堆的诊断：

Δα＝α_t-α₀ (7)

当Δα＞1.3时，诊断控制器判断电堆处于水淹状态；

当-0.5＜Δα＜1.3时诊断控制器判断电堆处于正常工作状态；

当Δα＜-0.5时，诊断控制器判断电堆处于膜干状态；

步骤六：数据采集系统依据采集得到的阻抗正割角a的信息以及与预设正常状态下阻抗正割角α₀的偏差Δα得出的诊断信息进行性能恢复，当-0.5＜Δα＜1.3时电堆处于正常工作状态；当Δα＞1.3时，表明电堆处于水淹状态，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，降低气体加湿程度；当Δα＜-0.5时，表明电堆处于膜干状态，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，提高气体加湿程度，从而达到控制燃料电池处于正常工作状态范围内的目的。本发明所述测量燃料电池阻抗正割角α的过程中，需保证外部负载不变、保证燃料电池温度处于稳定状态。

本发明具有以下有益效果：

1)采用的阻抗正割角α能够精确的反应电堆内部工作状态，可以依据反馈的信息自动调节电堆工作状态；2)采用改进型电化学阻抗谱法，与传统的相比，可以大大的缩短采样周期；3)与传统的诊断方法对比，采集数据为电堆内部数据，通过机理分析、建模，大大提高了精确度；4)通过发射交流高频信号，获取当前正割角α_t，通过对比便可实现诊断并进行性能恢复，响应快，精确度高。

附图说明：

图1为本发明燃料电池等效电路图

图2为本发明改进EIS法阻抗谱采样点分区示意图

图3为本发明燃料电池的性能诊断流程图

图4为本发明对燃料电池诊断与恢复效果图

具体实施方式：

以下，参照附图，关于本发明的优选实施方案进行说明。首先，关于燃料电池的性能诊断方法进行说明。接着，对燃料电池的性能诊断恢复方法进行说明。

本发明所述的燃料电池的性能诊断方法包括以下步骤：

步骤一：如图1所示，在燃料电池处于稳定运行状态下，基于PEMFC等效电路，确定高频信号频率f₁、f₂。f₁为阻抗谱与实轴的交点所对应的频率，且f₁≥20kHz；计算得到PEMFC高频转折频率f₂，如式(1)所示：

其中：R_a＝R_f+R_d；

步骤二：依次给燃料电池发射两组高频(f₁、f₂)交流电信号并依次采集燃料电池的响应信号，计算得到燃料电池对应频率的阻抗Z₁、Z₂，得到在阻抗坐标轴上Z(ω₁)、Z(ω₂)及与实轴夹角a，如式(2)所示：

其中：为Z(ω₁)、Z(ω₂)阻抗实部，为Z(ω₁)、Z(ω₂)阻抗虚部；

步骤三：根据燃料电池等效电路模型，燃料电池输出性能损耗的根本原因是电堆工作过程中产生极化内阻R_f、欧姆内阻R_m、浓差内阻R_d，其中：

极化内阻R_f的大小依赖于电化学反应的动力学，由此可得极化内阻R_f表达式如式(3)为：

式(3)中，μ为氢气反应转移的电子数，μ＝2，α为电化学反应速率参数，其值的大小与PEMFC堆内反应环境及催化剂材料有关，取值范围为0.01～0.1，T为电堆温度，i为当前电流密度，F为法拉第常数，T₀为实验最适温度；

在所有电阻中，膜电阻对于欧姆过电压起了最主要的影响作用，膜电阻计算公式如式(4)所示：

式(4)中，η为可调经验参数，一般情况下取值5.139，λ为质子交换膜含水量，RH为电堆内相对湿度；

为维持PEMFC正常工作，必须持续不断的输送反应物并把生成物从燃料电池中移除，这需要克服组件产生的浓差内阻R_d，而浓差内阻R_d的表达式如式(5)所示：

式(5)中，ρ为氢氧电化学反应电子迁移数，δ为扩散层厚度，R为理想气体常数，α与D_eff分别为电化学反应速率参数和堆内水迁移系数，S为催化面积，C_g反应物总体浓度；

步骤四：将式(3)、式(4)和式(5)代入(2)中，可以得出α与操作条件之间的关系式如式(6)所示：

其中a₀、a₁、a₂、a₃和b均为常数，且：

a₀＝-3.04*10^-3；

a₁＝8.83*10^-2；

a₂＝-0.25；

a₃＝0.185；

b＝0.0153*t_m；

式(6)即为α与电流密度i，温度T，相对湿度RH的关系式，从式中可以分析出不同电流密度大小时，温、湿度对α值的影响；t_m为燃料电池膜厚度，本实验膜厚度t_m＝51μm；

步骤五：在燃料电池运行过程中存在水故障，那么电堆内部阻抗大小必然会变化，那么当前电流密度情况下，操作条件相同，利用水故障情况下正割角α_t与正常情况下α₀差值Δα，即可实现对电堆的诊断：

Δα＝α_t-α₀ (7)

当Δα＞1.3时，诊断控制器判断电堆处于水淹状态；

当-0.5＜Δα＜1.3时诊断控制器判断电堆处于正常工作状态；

当Δα＜-0.5时，诊断控制器判断电堆处于膜干状态；

步骤六：数据采集系统依据采集得到的阻抗正割角a的信息以及与预设正常状态下阻抗正割角α₀的偏差Δα得出的诊断信息进行性能恢复，当-0.5＜Δα＜1.3时，电堆处于正常工作状态；当Δα＞1.3时，表明电堆处于水淹状态，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，降低气体加湿程度；当Δα＜-0.5时，表明电堆处于膜干状态，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，提高气体加湿程度，从而达到控制燃料电池处于正常工作状态范围内的目的。本发明所述测量燃料电池阻抗正割角α的过程中，需保证外部负载不变、保证燃料电池温度处于稳定状态。

本发明通过已有的PFMFC控制系统进行燃料电池性能诊断方法的一个例子进行说明，实验结果如图4所示。

基于PEMFC等效电路，在实验前对燃料电池设置阴极气体供应不足以及低温的操作条件，确保电堆处于水淹状态后，控制操作条件后其温度T为55℃、外部负载1kw，电流密度i＝0.48A·cm^-2保持不变，进气相对湿度RH为65％。

确定高频信号频率f₁、f₂分别为20kHz、762Hz，获得：

R_m＝8.1(mΩ)

R_a＝R_f+R_d＝6.6+6.0＝12.6(mΩ)

燃料电池当前阻抗正割角为α_t＝68.71°。

对于建立的数学模型，控制操作条件后其温度为55℃、外部负载1kw，电流密度i＝0.48A·cm^-2保持不变，进气相对湿度RH为65％。

极化内阻R_f表达式为：

其中，μ为氢气反应转移的电子数，μ＝2，α为电化学反应速率参数，其值的大小与PEMFC堆内反应环境及催化剂材料有关，取值范围为0.01～0.1，本实验室取值为α＝0.06，T₀＝303℃；

式中t_m的取值取决于所使用的质子交换膜，本文实验膜厚度t_m＝51μm。

浓差内阻R_d的表达式为：

其中ρ为氢氧电化学反应电子迁移数，与电流相关，计算公式如(11)所示，β为电导率系数，β≈6。δ为扩散层厚度，约为800um；R为理想气体常数，8.314J/(mol*K)；F为法拉第常数，96485.3C/mol，α与分别为电化学反应速率参数和堆内水迁移系数，其值均与堆内反应压力有关，并随压力的增大而增大。一般情况下，当P＝1atm(atmosphere，标准大气压)时，α＝0.045，D_eff＝2.0*10^-4；本实验选取P＝1atm。

通过计算获得：

R_m＝7.7(mΩ)

R_a＝R_f+R_d＝6.7+3.3＝10(mΩ)

燃料电池当前模型阻抗正割角为α₀＝66.59°。

此时，正割角差值：

Δα＝α_t-α₀＝68.71-66.59＝2.12°＞1.3°

所以，电堆处于水淹状态，诊断结果与设置电堆处于水淹状态结论相同，同时可从图4中看出，采用正割角差值Δα判断水淹状态比采用电压降幅度更加快速。此时，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，降低气体加湿程度，可以发现电堆输出性能在缓慢的恢复。当电堆的输出性能区域稳定之后，改变操作条件，促使电堆温度过高(85℃)，同时继续降低气体加湿程度。运行一段时间后，电堆处于膜干状态。此刻控制操作条件后其温度T为55℃、外部负载1kw，电流密度i＝0.48A·cm^-2保持不变，进气相对湿度RH为65％。

确定高频信号频率f₁、f₂分别为20kHz、762Hz，获得：

R_m＝9.8(mΩ)

R_a＝R_f+R_d＝7.1+4.7＝11.8(mΩ)

燃料电池当前阻抗正割角为α_t＝65.60°。

此时，正割角差值：

Δα＝α_t-α₀＝65.60-66.59＝-0.99°＜-0.5°

所以，控制器判断电堆处于膜干状态，从图4中可以看出，诊断结果与设置电堆处于膜干状态结论相同。此时，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，加大气体增湿程度，电堆输出性能恢复到正常值。

Claims (1)

1.一种燃料电池性能诊断的方法，其特征在于：通过引入阻抗正割角差值Δα作为燃料电池性能诊断的判断指标，利用诊断控制器产生控制信号，调整燃料电池的进气增湿度，实现维持燃料电池处于正常工作状态的控制，具体包括以下步骤：

步骤一：基于PEMFC阻抗谱及PEMFC等效电路模型，建立正割角α与电流密度i，温度T，相对湿度RH的关系式如式(1)所示：

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>*</mo> <mi>R</mi> <mi>H</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>*</mo> <msup> <mi>RH</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>*</mo> <msup> <mi>RH</mi> <mn>3</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mi>b</mi> <mo>*</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1268</mn> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>*</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>R</mi> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>F</mi> <mi>i</mi> <mo>*</mo> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1268</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>T</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mi>T</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>SC</mi> <mi>g</mi> </msub> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <msup> <mi>&amp;rho;</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>F</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式(1)中，a₀、a₁、a₂、a₃和b均为常数，且：

a₀＝-3.04*10^-3；

a₁＝8.83*10^-2；

a₂＝-0.25；

a₃＝0.185；

b＝0.0153*t_m；

从式(1)中可以分析出不同电流密度下时，温、湿度对α值的影响；

其中：R_m为欧姆内阻，R_f为极化内阻，R_d为浓差内阻，C_dl为等效电容，t_m为燃料电池膜厚度，η为可调经验参数，λ为质子交换膜含水量，ρ为氢氧电化学反应电子迁移数，δ为扩散层厚度，R为理想气体常数，α与D_eff分别为电化学反应速率参数和堆内水迁移系数，S为催化面积，C_g反应物总体浓度，μ为氢气反应转移的电子数，μ＝2，a为电化学反应速率参数，其值的大小与PEMFC堆内反应环境及催化剂材料有关，取值范围为0.01～0.1，T为电堆温度，i为当前电流密度，F为法拉第常数，T₀为实验最适温度；

步骤二：在燃料电池运行过程中存在水故障，那么电堆内部阻抗大小必然会变化，那么当前电流密度情况下，操作条件相同，利用水故障情况下正割角α_t与正常情况下α₀差值Δα，如式(2)所示，即可实现对电堆的诊断：

Δα＝α_t-α₀ (2)

当Δα＞1.3时，诊断控制器判断电堆处于水淹状态；

当-0.5＜Δα＜1.3时诊断控制器判断电堆处于正常工作状态；

当Δα＜-0.5时，诊断控制器判断电堆处于膜干状态；

步骤三：数据采集系统依据采集得到的阻抗正割角a的信息以及与预设正常状态下阻抗正割角α₀的偏差Δα得出的诊断信息进行性能恢复，当-0.5＜Δα＜1.3时电堆处于正常工作状态；当Δα＞1.3时，表明电堆处于水淹状态，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，降低气体加湿程度；当Δα＜-0.5时，表明电堆处于膜干状态，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，提高气体加湿程度，从而达到控制燃料电池处于正常工作状态范围内的目的。