CN109799465A - 燃料电池堆衰退诊断方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种燃料电池堆衰退诊断方法，所述方法包括：S10,根据燃料电池堆的伏安曲线，定性判断所述燃料电池堆的衰退类型；S20,根据所述衰退类型，定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，根据所述参数值获得所述单片的衰退程度；S30,根据所述单片的衰退程度，判断所述单片的均一性恶化程度。通过定性判断所述燃料电池堆的衰退类型，可以快速得到所述燃料电池堆整体的衰退情况。通过定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，可以具体得到每个所述单片的衰退情况。最后通过判断每个所述单片的均一性恶化程度，可以确定每个所述单片的具体的衰退部位。因而通过所述燃料电池堆衰退诊断方法可以更为精确判断所述燃料电池堆的衰退程度。

Description

燃料电池堆衰退诊断方法

技术领域

本申请涉及电池领域，特别是涉及一种燃料电池堆衰退诊断方法。

背景技术

大功率燃料电池电堆由多个大面积燃料电池单体串联而成。在实际运行之中，各个单片的衰退速度是不一样的，但是由于是串联工作，每一个单体的性能下降，都会限制整个电堆的工作状态，而任何单体的失效，都会导致整堆的性能失效。但是现有判断燃料电池衰退的方法单一，并无法准确确定燃料电池电堆的失效程度。

发明内容

基于此，有必要针对现有判断燃料电池衰退的方法单一，并无法准确确定燃料电池电堆的失效程度问题，提供一种燃料电池堆衰退诊断方法。

一种燃料电池堆衰退诊断方法，所述方法包括：

S10,根据燃料电池堆的伏安曲线，定性判断所述燃料电池堆的衰退类型；

S20,根据所述衰退类型，定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，根据所述参数值判断所述单片的衰退程度；

S30,根据所述单片的衰退程度，判断所述单片的均一性恶化程度。

在一个实施例中，所述步骤S10包括：

与初始的所述燃料电池堆伏安曲线相比，若所述燃料电池堆伏安曲线在整个工作电流范围内，电压平移下降，则判断所述燃料电池堆的衰退类型为活化过电势增加；

若所述燃料电池堆伏安曲线的电压降随着电流密度的增加加速下降，则判断所述燃料电池堆的衰退类型为浓差过电势增加；

若所述燃料电池堆伏安曲线的电压降会随着电流密度的增加线性的增加，则判断所述燃料电池堆的衰退类型为欧姆极化增加。

在一个实施例中，所述步骤S20中，所述参数值包括内阻值、活性面积值、漏电流值和双电层电容值。

在一个实施例中，通过交流阻抗法获得所述单片的内阻值。

在一个实施例中，通过恒电流法获得所述单片的活性面积值、漏氢电流值和双电层电容值。

在一个实施例中，所述通过恒电流法获得所述单片的活性面积值、漏氢流值和双电层电容值包括：

S210,使所述燃料电池堆的阳极通氢气，所述燃料电池堆的阴极通氮气；

S220,通过恒流源为所述燃料电池堆提供充电电流，记录所述单片的电压值；

S230,基于所述电压值、所述电压值相对于时间的导数以及所述充电电流，获得所述单片的所述漏氢流值和所述双电层电容值；

S240,基于所述充电电流、所述漏氢电流值、所述电压值、单片催化剂表面单位面积氢吸附量和单片单位面积催化剂载量获得所述活性面积值。

在一个实施例中，所述步骤S220中，在向所述阳极通氢气和向所述阴极通氮气的时间达到预设时间长度后，执行所述步骤S230。

在一个实施例中，在步骤S220中，多次改变所述充电电流的大小，记录多组所述单片的电压值。

在一个实施例中，步骤S20中，所述定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，根据所述参数值获得所述单片的衰退程度包括：

S211,根据所述内阻值的变化量、所述燃料电池堆工作时候的放电电流得到所述单片的欧姆过电势变化值；

S221,根据电流扰动幅值和两次测量的活性面积值得到所述单片的活化过电势变化值；

S231,根据单片衰退电压值、所述活化过电势变化值和所述欧姆过电势变化值得到浓差过电势变化值；

S241,基于所述欧姆过电势变化值、所述活化过电势变化值和所述欧姆过电势变化值定量判断所述单片的衰退程度。

在一个实施例中，所述步骤S30包括：

S310，巡检所述单片的电压值；

S320，基于所述电压值得到所述单片之间的双极板不同位置的电势差；

S330，基于所述电势差判断所述单片中的电流分布；

S340，基于所述电流分布判断所述单片的衰退程度。

本申请实施例提供的所述燃料电池堆衰退诊断方法，首先定性判断所述燃料电池堆的衰退类型，可以得到所述燃料电池堆整体的衰退情况。通过定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，可以具体得到每个所述单片的衰退情况。最后通过判断每个所述单片的均一性恶化程度，可以确定每个所述单片的具体的衰退部位。因而通过所述燃料电池堆衰退诊断方法可以更为精确判断所述燃料电池堆的衰退程度。

附图说明

图1为本申请一个实施例提供的燃料电池堆衰退诊断方法流程图；

图2为本申请一个实施例提供的电压过电势增加与电流密度关系图；

图3为本申请一个实施例提供的电压与电流密度关系图；

图4为本申请一个实施例提供的dV/dt与电压关系图；

图5为本申请一个实施例提供的判断单片衰退程度流程图；

图6为本申请一个实施例提供的电压巡检示意图；

图7为本申请一个实施例提供的虚部和实部关系图。

附图标记说明：

双极板 10

单片 20

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的燃料电池堆衰退诊断方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请实施例提供一种燃料电池堆衰退诊断方法。所述方法包括：

S10,根据燃料电池堆的伏安曲线，定性判断所述燃料电池堆的衰退类型；

S20,根据所述衰退类型，定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，根据所述参数值判断所述单片的衰退程度；

S30,根据所述单片的衰退程度，判断所述单片的均一性恶化程度。

在步骤S10中，所述燃料电池堆的伏安曲线符合典型的电化学动力源特征。随着输出电流的增加，输出电压会显著下降。对于所述燃料电池堆来说，不同类型的过电势增加，伏安曲线的过电势增加方式是不一样的。所述燃料电池堆的衰退类型可以包括活化过电势增加、浓差过电势增加和欧姆过电势增加。通过所述伏安曲线的过电势增加方式可以定性判断所述燃料电池堆的衰退类型。对于一个所述燃料电池堆可以同时包括不同的衰退类型。所述燃料电池电堆可以为质子交换膜燃料电池电堆、固体氧化物燃料电池电堆、碱性燃料电池电堆或者直接甲醇燃料电池等。

在步骤S20中，可以通过多种测量方式，获得所述燃料电池电堆的每一个单片的相关的参数值，根据所述参数值可以定量判断每个所述单片的衰退程度，进而可以判断所述燃料电池堆整体的衰退程度。

在一个实施例中，可以根据在所述步骤S10中判断出的所述燃料电池堆的不同的衰退类型，进一步选择所述燃料电池堆衰退程度最大的衰退类型，并对该类型进行定量分析，以进一步确定改进方案。可以理解，对定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值的过程与所述步骤S10中定性判断所述燃料电池堆的衰退类型可以为相对独立的两个过程，因此通过定性和定量两次判断所述燃料电池堆的衰退情况，可以使得判断结果更为准确。

在步骤S30中，可以对衰退程度较大的所述单片进一步分析，确定所述单片具体的功能衰退部位。在一个实施例中，可以使用电压巡检的方法确定所述单片具体的功能衰退部位。

本申请实施例中，首先定性判断所述燃料电池堆的衰退类型，可以得到所述燃料电池堆整体的衰退情况。通过定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，可以具体得到每个所述单片的衰退情况。最后通过判断每个所述单片的均一性恶化程度，可以确定每个所述单片的具体的衰退部位。因而通过所述燃料电池堆衰退诊断方法可以精确判断所述燃料电池堆的衰退程度。

在一个实施例中，所述步骤S10包括：

与初始的所述燃料电池堆伏安曲线相比，若所述燃料电池堆伏安曲线在整个工作电流范围内，电压平移下降，则判断所述燃料电池堆的衰退类型为活化过电势增加；

若所述燃料电池堆伏安曲线的电压降随着电流密度的增加加速下降，则判断所述燃料电池堆的衰退类型为浓差过电势增加；

若所述燃料电池堆伏安曲线的电压降会随着电流密度的增加线性的增加，则判断所述燃料电池堆的衰退类型为欧姆极化增加。

请参见图2，本实施例中，当燃料电池的活化过电势增加的时候，所述燃料电池伏安曲线在整个工作电流范围内，电压会平移下降。当燃料电池的浓差过电势增加的时候，所述燃料电池伏安曲线的电压降会随着电流密度的增加加速下降。当燃料电池的欧姆过电势增加的时候，所述燃料电池伏安曲线的电压降会随着电流密度的增加线性的增加。

请参见图3，当两次伏安曲线测试的结果出现了明显的平移时，可以确定所述燃料电池堆出现了活性极化增加，测试快捷方便。

在一个实施例中，所述步骤S20中，所述参数值包括内阻值、活性面积值、漏电流值和双电层电容值。

在一个实施例中，通过交流阻抗法获得所述单片的内阻值。可以通过高频阻抗值获得每一个所述单片的膜阻抗。可以理解，燃料电池的高频阻抗代表了膜阻抗的大小，因此该方法可以用于膜阻抗估计。在进行阻抗测试的时候，可以选择电流扰动的方式，原先的恒定电流为I_恒定电流，在输出电流上增加一个小幅扰动电流I_电流扰动(f,A)，其中A是扰动幅值，f是扰动幅度。所述单片的电流I(f,A)＝I_恒定电流+I_电流扰动(f,A)。在一个实施例中，扰动的幅值A占恒电流部分的比值在5％以下。可以理解，扰动可以通过电化学工作站、高频阻抗仪实现。通过电压巡检可以获得每一个所述单片的响应电压。通过所述响应电压可以计算得到阻抗。在具体测试的时候，可以使用固定频率的方式，来测量燃料的高频阻抗。在一个实施例中，可以采用400Hz以上的高频阻抗进行测量。通过可以得到所述膜阻抗R。

在一个实施例中，还可以使用电流中断法测量所述单片的内阻值。

在一个实施例中，通过恒电流法获得所述单片的活性面积值、漏氢电流值和双电层电容值。

在一个实施例中，所述通过恒电流法获得所述单片的活性面积值、漏氢流值和双电层电容值包括：

S210,使所述燃料电池堆的阳极通氢气，所述燃料电池堆的阴极通氮气；

S220,通过恒流源为所述燃料电池堆提供充电电流，记录所述单片的电压值；

S230,基于所述电压值、所述电压值相对于时间的导数以及所述充电电流，获得所述单片的所述漏氢流值和所述双电层电容值；

S240,基于所述充电电流、所述漏氢电流值、所述电压值、单片催化剂表面单位面积氢吸附量和单片单位面积催化剂载量获得所述活性面积值。

在步骤S220中，所述恒流源可以为高精度恒流源。

在一个实施例中，在向所述阳极通氢气和向所述阴极通氮气的时间达到预设时间长度后，执行所述步骤S230。在一个实施例中，可以稳定向所述阳极通氢气和向所述阴极通氮气的时间可以为1-2小时，使得所述燃料电池堆内部气体达到平衡状态。

在一个实施例中，在步骤S220中，多次改变所述充电电流的大小，记录多组所述单片的电压值。通过多组电压值和所述充电电流可以计算所述活性面积值、所述漏氢流值和所述双电层电容值。

请参见图4，在所述步骤S230中，将所述电压值V按照dV/dt进行处理，得到每一个充电电流下的结果，其中dV/dt的最高点一般会出现在确定电压位置。

根据每一次恒流充电结果的最高点的dV/dt值与充电电流I_GA，按照下式进行联立求解，即可得到每一个单片的双电层电容C_dl和漏氢电流i_H2。

在所述步骤S240中，通过下述公式，基于所述充电电流I_GA，所述漏氢电流i_H2所述电源值V,单片催化剂表面单位面积氢吸附量Q_H,A,、单片单位面积催化剂载量W_pt，可以得到所述活性面积值：

在一个实施例中，所述步骤S20中，所述定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，根据所述参数值获得所述单片的衰退程度包括：

S211,根据所述内阻值的变化量、所述燃料电池堆工作时候的放电电流得到所述单片的欧姆过电势变化值；

S221,根据电流扰动幅值和两次测量的活性面积值得到所述单片的活化过电势变化值；

S231,根据单片衰退电压值、所述活化过电势变化值和所述欧姆过电势变化值得到浓差过电势变化值；

S241,基于所述欧姆过电势变化值、所述活化过电势变化值和所述欧姆过电势变化值定量判断所述单片的衰退程度。

在步骤S211中，所述欧姆过电势变化值：ΔU_celli,ohmic＝i×ΔR_celli其中，ΔR_celli为所述内阻值在初始测量中和本次测量中的差值，即所述内阻值的变化量。i为所述燃料电池堆工作时候的放电电流。

在步骤S221中，所述活化过电势变化值：其中，S_ECSA1和S_ECSA2为初始测量中和本次测量中的活性面积值。

在步骤S231中，所述浓差过电势变化值：

ΔU_{celli,concentration}＝ΔU-ΔU_{celli,activation}-ΔU_celli,ohmic。

通过所述欧姆过电势变化值、所述活化过电势变化值和所述浓差过电势变化值可以定量确定所述单片的衰退程度。

请参见图5，在一个实施例中，所述步骤S30包括：

S310，巡检所述单片的电压值；

S320，基于所述电压值得到所述单片之间的双极板不同位置的电势差；

S330，基于所述电势差判断所述单片中的电流分布；

S340，基于所述电流分布判断所述单片的衰退程度。

请参见图6，在所述步骤S310中，可以沿着所述单片的流道方向布置多套电压巡检。通过所述多套电压巡检可以得到多个电压值。在步骤S320中，通过多个电压值可以得到设置在相邻的所述单片之间的双极板不同位置的电势差。

在步骤S330中，对于所述燃料电池堆，两端的双极板10和铜的集流板接触在一起，可以认为是等势体。而其它的燃料电池双极板10上两个电压巡检位置之间的电势差，可以通过每一个单片20的巡检电压值来计算。以位于所述燃料电池堆负极侧的单片1(K＝1)的阳极侧的双极板为0V的等势板，每一个巡检的布置位置的双极板电势计算可以由下式获得：

其中，K＝1,2,3,4,表示第K个单片；

j＝1,2。其中1和2分别代表双极板10的两端。

通过同一块双极板上不同巡检位置的电势差，可以得到双极板上的横向电流大小。在一个实施例中，如果双极板上出现了较大的横向电流，说明此时这块双极板邻近的两个所述单片出现了很大的电流分布差异，此时可以判断得到这个区域的单片均一性恶化程度较高。

请参见图7，在一个实施例中，在所述步骤S10中，定性判断所述燃料电池堆的衰退类型还可以使用交流阻抗谱来进行替代。使用交流阻抗谱的方法，也可以得到不同工作电流密度下，三部分过电势的占比。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，所述方法包括：

S10,根据燃料电池堆的伏安曲线，定性判断所述燃料电池堆的衰退类型；

S20,根据所述衰退类型，定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，根据所述参数值判断所述单片的衰退程度；

S30,根据所述单片的衰退程度，判断所述单片的均一性恶化程度。

2.如权利要求1所述的燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，所述步骤S10包括：

与初始的所述燃料电池堆伏安曲线相比，若所述燃料电池堆伏安曲线在整个工作电流范围内，电压平移下降，则判断所述燃料电池堆的衰退类型为活化过电势增加；

若所述燃料电池堆伏安曲线的电压降随着电流密度的增加加速下降，则判断所述燃料电池堆的衰退类型为浓差过电势增加；

若所述燃料电池堆伏安曲线的电压降会随着电流密度的增加线性的增加，则判断所述燃料电池堆的衰退类型为欧姆极化增加。

3.如权利要求2所述的燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，所述步骤S20中，所述参数值包括内阻值、活性面积值、漏电流值和双电层电容值。

4.如权利要求3所述的燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，通过交流阻抗法获得所述单片的内阻值。

5.如权利要求3所述的燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，通过恒电流法获得所述单片的活性面积值、漏氢电流值和双电层电容值。

6.如权利要求5所述的燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，所述通过恒电流法获得所述单片的活性面积值、漏氢流值和双电层电容值包括：

S210,使所述燃料电池堆的阳极通氢气，所述燃料电池堆的阴极通氮气；

S220,通过恒流源为所述燃料电池堆提供充电电流，记录所述单片的电压值；

S230,基于所述电压值、所述电压值相对于时间的导数以及所述充电电流，获得所述单片的所述漏氢流值和所述双电层电容值；

S240,基于所述充电电流、所述漏氢电流值、所述电压值、单片催化剂表面单位面积氢吸附量和单片单位面积催化剂载量获得所述活性面积值。

7.如权利要求6所述的燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，所述步骤S220中，在向所述阳极通氢气和向所述阴极通氮气的时间达到预设时间长度后，执行所述步骤S230。

8.如权利要求6所述的燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，所述步骤S220中，多次改变所述充电电流的大小，记录多组所述单片的电压值。

9.如权利要求6所述的燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，所述步骤S20中，所述定量测量所述燃料电池堆的每个单片的参数值，根据所述参数值获得所述单片的衰退程度包括：

S211,根据所述内阻值的变化量、所述燃料电池堆工作时候的放电电流得到所述单片的欧姆过电势变化值；

S221,根据电流扰动幅值和两次测量的活性面积值得到所述单片的活化过电势变化值；

S231,根据单片衰退电压值、所述活化过电势变化值和所述欧姆过电势变化值得到浓差过电势变化值；

S241,基于所述欧姆过电势变化值、所述活化过电势变化值和所述欧姆过电势变化值定量判断所述单片的衰退程度。

10.如权利要求1所述的燃料电池堆衰退诊断方法，其特征在于，所述步骤S30包括：

S310，巡检所述单片的电压值；

S320，基于所述电压值得到所述单片之间的双极板不同位置的电势差；

S330，基于所述电势差判断所述单片中的电流分布；

S340，基于所述电流分布判断所述单片的衰退程度。