CN109346745A - 一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法及系统 - Google Patents

一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法及系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术中不能快速准确的判断燃料电池内阻和不能有效识别燃料电池内部水状态的问题。一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法，包括以下步骤：产生电流扰动或电压扰动信号给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，计算所述电压响应和电流响应的比值，得到阻抗；根据所述阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态。实现了燃料电池内阻的快速准确识别以及燃料电池内部水状态的有效识别。

Description

一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于阻抗的判断燃料电池内部水状态的方法及系统。
背景技术
随着质子交换膜燃料电池的逐步商业化，其状态监测及与此相关的故障诊断越来越受到重视。其中，质子交换膜的润湿状态非常关键，它可以很好地反映膜电极内的含水量。膜电极含水多，电池浓差损失增大；膜电极含水少，特别是质子交换膜含水少，质子电导率减小，电池欧姆损失增大。
电化学交流阻抗谱可以反应燃料电池内部含水量，缺点是全频段测试(一般从20000Hz扫到0.1Hz，甚至更低)用时较长(一般在10min左右)，这一点限制了它的在线进行，另外，长时间的测试过程中电池水状态可能早已改变，由此带来阻抗谱测量不能实时反映水状态的问题；优点是可以得到质子交换膜电阻、阴极反应活化电阻、阳极反应活化电阻、阴极扩散电阻、阳极扩散电阻等综合信息；特别是利用质子交换膜电阻可以得到质子交换膜内部含水量，进而判断电极水状态。
既想获得质子交换膜电阻，又想规避电化学阻抗谱测试时间过长的弊端，工程上的实施方式是只进行高频区的测量，并近似认为该高频阻抗值即质子交换膜电阻。于是，有的利用商业化的毫欧表固定频率(例如1000Hz)进行在线阻抗测量；有的利用商业化的电化学工作站或交流阻抗分析仪只进行高频阻抗测试。现有技术中公开了一种低成本交流阻抗测试设备，在相关的学术论文中用此设备固定频率进行在线高频阻抗测量，还公开了利用等效电路及不同频段阻抗值判断阴极缺气、阳极缺气的方法，质子交换膜电阻的获取还是采用固定某个高频频率的采集方法。
质子交换膜电阻本应是虚部为0时的阻抗值，该值对应的交流扰动频率虽然确实处于高频区，但具体频率值随着燃料电池、以及工况参数的不同而不同；而几百赫兹频率值的差异往往导致0.01mΩ级别的内阻偏差，该偏差有可能反映轻度水淹，而传统则直接忽略该差异进而认为高频阻抗不能有效识别水多或水淹。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于阻抗的判断燃料电池内部水状态的方法，用以解决现有技术中不能快速准确的判断燃料电池内阻和不能有效识别燃料电池内部水状态的问题。
本发明一方面提供了一种基于阻抗的判断燃料电池内部水状态的方法，包括以下步骤：
产生电流扰动或电压扰动信号给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，计算所述电压响应和电流响应的比值，得到阻抗；
根据所述阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；
根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态。
上述技术方案的有益效果为：通过上述方案实现了燃料电池内阻的快速准确识别以及燃料电池内部水状态的有效识别。
进一步地，所述电流扰动或电压扰动信号的频率范围为500Hz-4000Hz。
上述进一步技术方案的有益效果为：将扰动信号的初始频率设置在500Hz-4000Hz，有助于减少调整扰动信号频率的次数，从而提高燃料电池内阻的识别速度。
进一步地，根据阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，具体包括：若所述幅角大于设定正数阈值，则以设定步长，逐步减小扰动信号的频率，直至所述幅角小于或等于所述正数阈值；
若所述幅角小于设定负数阈值，则以设定步长，逐步增大扰动信号的频率，直至所述幅角大于或等于负数阈值。
上述进一步技术方案的有益效果为：使阻抗的幅角在设定阈值范围内，提高了燃料电池内阻的判定速度和判定精度。
进一步地，所述燃料电池内阻包括，电极、极板、集电板上导电子的电子电阻以及质子交换膜内导氢质子的质子电阻。
进一步地，根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态，具体包括，根据燃料电池内阻和公式(1)-(5)，判定燃料电池质子交换膜平均含水量；
其中，R为燃料电池内阻，A为燃料电池电流密度，Le为质子交换膜厚度，σ为质子电导率，λ为膜内含水量，为平均含水量，α为膜表面水蒸气活度，x为水蒸气摩尔分数，P为膜表面混合气压强，Psat为饱和蒸气压，T为燃料电池的运行温度。
上述进一步技术方案的有益效果为：实现了有效识别燃料电池质子交换膜平均含水量。
进一步地，上述方案还包括，若判定的质子交换平均含水量超过质子交换膜的最佳含水量，则增加燃料电池的运行温度或增大空气流量以带走内部多余液态水，若判定的质子交换膜平均含水量低于最佳含水量，则降低燃料电池的运行温度以增加质子交换膜膜的润湿程度。
上述进一步技术方案的有益效果为：上述方案实现了调节燃料电池内部水状态，使质子交换膜的平均含水量保持在最佳含水量附近，从而使燃料电池保持最佳的性能。
本发明另一方面提供了基于阻抗判断燃料电池内部水状态的系统，其特征在于，所述包括燃料电池、阻抗分析仪和控制系统；
所述阻抗分析仪用于产生电流扰动和电压扰动信号，提供给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，并通过所述电压响应和电流响应计算阻抗；
所述阻抗分析仪，还用于将所述阻抗发送给控制系统，所述控制系统用于根据所述阻抗的幅角，判断所述幅角是否在设定阈值范围内；
若否，则发送调整扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪，阻抗分析仪根据所述指令信号，调整扰动信号频率，并重新采集燃料电池的电压响应、电流响应，计算阻抗；
若是，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；
所述控制系统还用于根据燃料电池内阻判断燃料电池内部水状态。
上述技术方案的有益效果为：通过上述方案实现了燃料电池内阻的快速准确识别以及燃料电池内部水状态的有效识别。
进一步地，控制系统发送调整扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪，具体包括，若所述幅角大于设定正数阈值，则控制系统发送以设定步长，减少扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪；若所述幅角小于设定负数阈值，则控制系统发送以设定步长，增大扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述方案实现了阻抗分析仪根据幅角的大小，调整扰动信号频率，使阻抗幅角保持在设定阈值范围内，提高了燃料电池内阻的判定速度和判定精度。
进一步地，所述控制系统根据燃料电池内阻判断燃料电池内部水状态，具体包括，控制系统根据燃料电池内阻和公式(1)-(5)，判定燃料电池质子交换膜平均含水量；
其中，R为燃料电池内阻，A为燃料电池电流密度，Le为质子交换膜厚度，σ为质子电导率，λ为膜内含水量，为平均含水量，α为膜表面水蒸气活度，x为水蒸气摩尔分数，P为膜表面混合气压强，Psat为饱和蒸气压，T为燃料电池的运行温度。
进一步地，所述系统还包括冷却水系统和空气进排气系统；若判定的质子交换膜平均含水量超过质子交换膜的最佳含水量，则控制系统控制冷却水系统，使之增加燃料电池的运行温度，或控制空气进排气系统，使之增大空气流量；若判定的质子交换膜平均含水量低于最佳含水量，则控制系统控制冷却水系统，使之减小燃料电池的运行温度。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过控制系统控制冷却水系统和空气进排气系统，使质子交换膜的平均含水量保持在最佳含水量附近，从而使燃料电池保持最佳的性能。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1所述方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1所述燃料电池系统的结构示意图；
图3为本发明实施例1所述燃料电池阻抗谱曲线示意图；
图4为本发明实施例1所述燃料电池内阻判定流程示意图；
图5为本发明实施例1所述水淹过程中燃料电池内阻变化过程示意图；
图6为本发明实施例1所述水淹过程中燃料电池的电压变化图；
图7为本发明实施例2所述系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
在本发明实施例中，提供了一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法，所述方法的流程示意图，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤S1、产生高频电流扰动或电压扰动信号给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流扰动，计算燃料电池的电压响应和电流响应的比值，得到阻抗；
为了得到燃料电池的电压响应与电流响应，采集过程可以在图2所述的燃料电池系统上进行，所述系统包括燃料电池、阻抗分析仪、冷却水系统、空气进排气系统、氢气进排气系统、增湿系统和控制系统；
由阻抗分析仪产生高频电流扰动或电压扰动信号给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应；由控制系统计算燃料电池的电压响应和电流响应的比值，得到阻抗；
冷却水系统负责燃料电池热管理，使燃料电池维持合适的工作温度，通常为60～75℃，所述空气进排气系统，氢气进排气系统分别负责供给燃料电池电化学反应所需的足量空气与氢气，相应的增湿系统负责给进气增湿，以使进入到燃料电池电极表面的反应气体是具有一定相对湿度的混合气体，控制系统采集电压、电流、压力、温度并获取阻抗分析仪所采集的阻抗，进而为上述系统提供决策；所述的燃料电池可以是单片燃料电池，也可以是多片燃料电池组成的燃料电池堆，所述高频取值通常为500-4000Hz；
步骤S2、根据阻抗幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；
具体的，若所述幅角大于设定正数阈值，则以设定步长，逐步减小扰动信号的频率，
若所述幅角小于设定负数阈值，则以设定步长，逐步增大扰动信号的频率，
直至所述幅角处于正数阈值和负数阈值之间，此时的高频阻抗即为燃料电池内阻；
图3为阻抗分析仪采集典型的燃料电池阻抗谱曲线，横坐标为阻抗实部，纵坐标为阻抗虚部，从曲线的左上角到右下角，扰动信号的频率依次减小，通常从20000Hz逐渐减小到0.1Hz，图中，曲线与实轴的交点即理论上燃料电池的内阻，所述内阻包含电极、极板、集电板上导电子的电子电阻以及质子交换膜内导氢质子的质子电阻；
根据阻抗分析仪给出的阻抗实部Re与虚部Im值，可以计算出阻抗幅角θ，在图3中所示的采样区为|θ|≤3°对应的阻抗带，阻抗带内的阻抗值均可接受为燃料电池内阻，图3为燃料电池内阻判定流程示意图；
需要说明的是，上述设定步长和设定阈值可根据需要满足的精度和阻抗分析仪在满足精度的条件下可以较快地完成测试而确定。
在本发明一个具体实施例中将设定步长设定为20Hz，阈值设定为3°(即正数阈值为3°，负数阈值为-3°)，也可将其分别设定为10Hz和2°；
燃料电池内阻判定流程示意图，如图4所示；若扰动信号为某一频率时，计算得到的阻抗幅角θ＜-3°(例如，图3中采样区下方的点)，说明扰动信号频率偏小，需要增大扰动信号频率；若扰动信号为某一频率时采到的阻抗幅角θ＜3°(例如，图3中采样区上方的点)，说明扰动信号频率偏大，需要减小扰动信号频率；
此外，扰动信号的初始频率可任意选定，在选用固定频率采集内阻的方案时，通常将1000Hz作为扰动频率，说明1000Hz左右的阻抗值较为接近真实内阻；
为减少迭代次数，本发明优选的，将该1000Hz作为初始频率，如果在初始频率条件下，采集到的阻抗幅角大于3°，则将频率减小20Hz，重新采集阻抗，如果在初始频率条件下，采集的阻抗幅角小于-3°，则将频率增大20Hz；如此往复，直到阻抗幅角|θ|≤3°，此时的阻抗被判定为燃料电池的内阻。
步骤S3、根据所述燃料电池内阻值，判断燃料电池内部水状态。
在一个具体的实施例中，可通过上述步骤得到燃料电池内阻值后，利用(1)-(5)确定质子交换膜平均含水量并根据质子交换膜含水量，制定水状态管理策略：对于商业化的燃料电池系统，若监测到含水量超过最佳含水量，则通过增加燃料电池运行温度或增大空气流量的方法带走内部多余液态水；若含水量低于最佳含水量，则通过降低运行温度的方式增加膜的润湿程度。
其中，R为本发明所测内阻，A为燃料电池电流密度，Le为质子交换膜厚度，σ为质子电导率，λ为膜内含水量，为平均含水量，α为膜表面水蒸气活度，x为水蒸气摩尔分数，P为膜表面混合气压强，Psat为饱和蒸气压，T为燃料电池的运行温度。所述式(1)～(5)针对117膜，其它形式的质子交换膜可依据相应实验数据拟合得到电导率、含水量的拟合式，也可基于式(1)～(5)进行修正。
本发明技术方案采集到的内阻值可用来判断燃料电池水淹情况，从最接近采样区的采样点(例如，图3中采样区下方的点)到采样区内点的扰动信号频率差异可达1000Hz以上，这会导致阻抗值0.01mΩ的偏差，该偏差由于足够小，通常容易被忽略，而事实上，0.01mΩ的内阻值减小量中隐藏了足够的水淹信息。具体有如下说明。
图5为应用图4所示的燃料电池内阻判定流程，得到的水淹过程中燃料电池内阻变化过程，图中时间空白的部分用于20000Hz到0.1Hz的阻抗谱采集(约10min)；这里隐去阻抗谱数据，只呈现内阻数据。附图6是该水淹过程中燃料电池的电压变化图。传统认为高频阻抗只能有效判定质子交换膜缺水，而不能判定膜电极水淹，因为缺水会造成高频阻抗的明显增大，但水淹过程阻抗基本不变。本发明公开的燃料电池内阻准确测量方法测到的内阻值随着水淹的进行减小，说明内阻可以用来诊断膜电极水淹与质子交换膜缺水。
需要说明的是，本发明中确定燃料电池内阻的方法针对质子交换膜燃料电池，但并不局限于质子交换膜燃料电池，也可以用于其他类型燃料电池。
实施例2
在本发明的另一个实施例中，提供了一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的系统，所述系统的结构示意图，如图7所示，所述系统包括燃料电池、阻抗分析仪和控制系统；
所述阻抗分析仪用于产生电流扰动和电压扰动信号，提供给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，并通过所述电压响应和电流响应计算阻抗；
所述阻抗分析仪，还用于将所述阻抗发送给控制系统，所述控制系统用于根据所述阻抗的幅角，判断所述幅角是否在设定阈值范围内；
若否，则发送调整扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪，阻抗分析仪根据所述指令信号，调整扰动信号频率，并重新采集燃料电池的电压响应、电流响应，计算阻抗；
若是，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；
所述控制系统还用于根据燃料电池内阻判断燃料电池内部水状态。
其中，控制系统发送调整扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪，具体包括，若所述幅角大于设定正数阈值，则控制系统发送以设定步长，减少扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪；若所述幅角小于设定负数阈值，则控制系统发送以设定步长，增大扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪。
所述控制系统根据燃料电池内阻判断燃料电池内部水状态，具体包括，控制系统根据燃料电池内阻和公式(1)-(5)，判定燃料电池质子交换膜平均含水量；
其中，R为燃料电池内阻，A为燃料电池电流密度，Le为质子交换膜厚度，σ为质子电导率，λ为膜内含水量，为平均含水量，α为膜表面水蒸气活度，x为水蒸气摩尔分数，P为膜表面混合气压强，Psat为饱和蒸气压，T为燃料电池的运行温度。
上述系统还包括冷却水系统和空气进排气系统；若判定的质子交换膜平均含水量超过质子交换膜的最佳含水量，则控制系统控制冷却水系统，使之增加燃料电池的运行温度，或控制空气进排气系统，使之增大空气流量；若判定的质子交换膜平均含水量低于最佳含水量，则控制系统控制冷却水系统，使之减小燃料电池的运行温度。
综上所述，本发明的有益效果如下：
(1)本发明避免了采用典型的燃料电池阻抗谱曲线方法所带来的测试时间过长的弊端，极大的提高了测试燃料电池阻抗的速度；
(2)现有技术中将在某一固定高频率扰动信号条件下，采集的燃料电池阻抗值作为燃料电池的内阻值，而本发明中，通过调节扰动信号的频率，将采集到的燃料电池阻抗幅角在设定角度阈值范围内时的阻抗值作为燃料电池内阻，极大的提高了燃料电池内阻值的判定精度；
(3)由于提高了燃料电池内阻值判定精度，燃料电池质子交换膜平均含水量的确定精度也得到了有效的提高；
(4)利用所测的准确燃料电池内阻判断燃料电池膜电极水淹情况，可通过实测阻抗值与未水淹阻抗值的大小判断水淹。
需要说明的是，上述实施例之间，其相同或相似之处可相互借鉴。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
产生电流扰动或电压扰动信号给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，计算所述电压响应和电流响应的比值，得到阻抗；
根据所述阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；
根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流扰动或电压扰动信号的频率范围为500Hz-4000Hz。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，具体包括：若所述幅角大于设定正数阈值，则以设定步长，逐步减小扰动信号的频率，直至所述幅角小于或等于所述正数阈值；
若所述幅角小于设定负数阈值，则以设定步长，逐步增大扰动信号的频率，直至所述幅角大于或等于负数阈值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料电池内阻包括，电极、极板、集电板上导电子的电子电阻以及质子交换膜内导氢质子的质子电阻。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态，具体包括，根据燃料电池内阻和公式(1)-(5)，判定燃料电池质子交换膜平均含水量；
其中，R为燃料电池内阻，A为燃料电池电流密度，Le为质子交换膜厚度，σ为质子电导率，λ为膜内含水量，为平均含水量，α为膜表面水蒸气活度，x为水蒸气摩尔分数，P为膜表面混合气压强，Psat为饱和蒸气压，T为燃料电池的运行温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括，若判定的质子交换平均含水量超过质子交换膜的最佳含水量，则增加燃料电池的运行温度或增大空气流量以带走内部多余液态水，若判定的质子交换膜平均含水量低于最佳含水量，则降低燃料电池的运行温度以增加质子交换膜膜的润湿程度。
7.一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的系统，其特征在于，所述系统包括燃料电池、阻抗分析仪和控制系统；
所述阻抗分析仪用于产生电流扰动和电压扰动信号，提供给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，并通过所述电压响应和电流响应计算阻抗；
所述阻抗分析仪，还用于将所述阻抗发送给控制系统，所述控制系统用于根据所述阻抗的幅角，判断所述幅角是否在设定阈值范围内；
若否，则发送调整扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪，阻抗分析仪根据所述指令信号，调整扰动信号频率，并重新采集燃料电池的电压响应、电流响应，计算阻抗；
若是，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；
所述控制系统还用于根据燃料电池内阻判断燃料电池内部水状态。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，控制系统发送调整扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪，具体包括，若所述幅角大于设定正数阈值，则控制系统发送以设定步长，减少扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪；若所述幅角小于设定负数阈值，则控制系统发送以设定步长，增大扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制系统根据燃料电池内阻判断燃料电池内部水状态，具体包括，控制系统根据燃料电池内阻和公式(1)-(5)，判定燃料电池质子交换膜平均含水量；
其中，R为燃料电池内阻，A为燃料电池电流密度，Le为质子交换膜厚度，σ为质子电导率，λ为膜内含水量，为平均含水量，α为膜表面水蒸气活度，x为水蒸气摩尔分数，P为膜表面混合气压强，Psat为饱和蒸气压，T为燃料电池的运行温度。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括冷却水系统和空气进排气系统；若判定的质子交换膜平均含水量超过质子交换膜的最佳含水量，则控制系统控制冷却水系统，使之增加燃料电池的运行温度，或控制空气进排气系统，使之增大空气流量；若判定的质子交换膜平均含水量低于最佳含水量，则控制系统控制冷却水系统，使之减小燃料电池的运行温度。
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