CN109802160B - 燃料电池膜电极的性能估计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种燃料电池膜电极的性能估计方法。所述方法包括：S10，选取多个恒定电流值为燃料电池电堆充电，监测所述燃料电池电堆中所有电池单片的第一电压值，基于所述恒定电流值和所述第一电压值获得所述电池单片的膜电极的第一漏氢电流值；S20，选取多个电流密度值为所述燃料电池电堆反应放电电流密度，监测所述燃料电池电堆中所有电池单片的第二电压值，基于所述电流密度值和所述第二电压值，通过拟合算法，得到第二漏氢电流值；S30，基于所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值，得到校正漏氢电流值。通过将不同的测试方法得到的所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值校正，使得漏氢电流值，更为精确，更能精确反应所述膜电极的工作状态。
Description
技术领域
本申请涉及能源领域，特别是涉及一种燃料电池膜电极的性能估计方法。
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，串联工作每一个单片流过的总电流是一样的，各个单片的电压串联在一起提供对外的高电压。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最大工作状态。
对于一个多片电堆来说，在运行的时候如果发现某一个单片的膜电极的性能发生了下降，需要及时的判断是什么原因导致了这一片的性能下降。诊断所得到的结果，可以很好的用于优化控制，解决当前所存在的问题。提高燃料电池电堆的性能，延长使用寿命。但是传统技术中，对膜电极的性能估计精度不足。很容易受到环境因素的干扰。
发明内容
基于此，有必要针对膜电极的性能估计精度不足，很容易受到环境因素的干扰问题，提供一种燃料电池膜电极的性能估计方法。
一种燃料电池膜电极的性能估计方法,所述方法包括：
S10,选取多个恒定电流值为燃料电池电堆充电，监测所述燃料电池电堆中所有电池单片的第一电压值，基于所述恒定电流值和所述第一电压值获得所述电池所有单片的膜电极的第一漏氢电流值；
S20，选取多个电流密度值为所述燃料电池电堆反应放电电流密度，监测所述燃料电池电堆中所有电池单片的第二电压值，基于所述电流密度值和所述第二电压值，通过拟合算法，得到第二漏氢电流值；
S30，基于所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值，得到校正漏氢电流值。
在一个实施例中，所述步骤S30包括：
S310，对所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值求平均值，得到初始漏氢电流；
S320，基于至少两个所述恒定电流值、所述初始漏氢电流和活性面积计算公式，得到第一活性面积值和第二活性面积值；
S330，对所述第一活性面积值和第二活性面积值求平均值，得到初始校正活性面积值；
S340，基于所述初始校正活性面积值、至少两个所述恒定电流值和漏氢电流计算公式，得到所述校正漏氢电流值。
在一个实施例中，在所述步骤S320中，所述至少两个恒定电流值为所述多个恒定电流值中的至少两个最大电流值。
在一个实施例中，在所述步骤S340中，所述至少两个恒定电流值为所述多个恒定电流值中的至少两个最小电流值。
在一个实施例中，所述步骤S340后还包括：
S350，基于所述校正漏氢电流值、所述活性面积计算公式、至少两个所述恒定电流值，得到至少两个第三活性面积值，对所述两个第三活性面积值求平均，得到校正活性面积值。
在一个实施例中，所述步骤S340后还包括：
步骤S350’，基于所述校正漏氢电流值、通过所述拟合算法，得到校正内阻值和校正交换电流密度值。
在一个实施例中，所述步骤S10中，所述选取多个恒定电流值为燃料电池电堆充电之前还包括：
S010，向燃料电池电堆阳极输入氢气和阴极输入氮气；
S020，向所述燃料电池电堆输入恒温媒介维持所述燃料电池电堆的温度在预设区间。
在一个实施例中，所述步骤S010中，所述氢气和所述氧气氮气的湿度大于80％。
在一个实施例中，所述步骤S20中，所述选取多个电流密度值为所述燃料电池电堆反应放电电流密度之前还包括：
S210，向燃料电池电堆阳极输入氢气和阴极输入空气；
S220，向所述燃料电池电堆输入恒温媒介维持所述燃料电池电堆的温度在预设区间。
在一个实施例中，所述步骤S10中，基于所述恒定电流值和所述第一电压值获得所述电池单片的膜电极的第一漏氢电流值包括：
对至少两个所述恒定电流值对应的所述第一电压值的变化过程做关于时间的微分得到电压微分式，基于所述电压微分式得到所述第二漏氢电流值。
在一个实施例中，对至少两个所述恒定电流对应的所述第一电压值变化过程做关于时间的微分之后，对所述电压微分式进行降噪处理。
本申请实施例提供的所述燃料电池膜电极的性能估计方法。通过所述恒定电流值和所述第一电压值获得所述电池单片的膜电极的第一漏氢电流值；通过所述电流密度值和所述第二电压值，通过拟合算法，得到第二漏氢电流值；通过所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值，得到校正漏氢电流值。通过将不同的测试方法得到的所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值校正，使得漏氢电流值更为精确，更能精确反应所述膜电极的工作状态。
附图说明
图1为本申请实施例提供的燃料电池膜电极的性能估计方法流程图；
图2为本申请实施例提供的恒流充电设备示意图；
图3为本申请实施例提供的电压微分坐标图；
图4为本申请实施例提供的降噪效果示意图。
附图标记说明：
恒流充电设备 10
燃料电池电堆 110
高精度恒流源 120
附件系统 130
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膜电极的性能估计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膜电极的性能估计方法。所述方法包括：
S10,选取多个恒定电流值为电池电堆充电，监测所述电池电堆中所有电池单片的第一电压值，基于所述恒定电流值和所述第一电压值获得所述电池所有单片的膜电极的第一漏氢电流值；
S20，选取多个电流密度值为所述电池电堆反应放电电流密度，监测所述电池电堆中所有电池单片的第二电压值，基于所述电流密度值和所述第二电压值，通过拟合算法，得到第二漏氢电流值；
S30，基于所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值，得到校正漏氢电流值。
在所述步骤S10中，所述电池单片串联构成所述燃料电池电堆110。所述电池单片中可以包括膜电极和双极板。通过恒流充电的方法得到所述第一电压值和所述恒定电流值后，还可以通过数学运算得到所述膜电极的双电层电容参数和活性面积参数。
请参见图2，通过恒流充电设备10可以对所述膜电极进行测试。所述恒流充电设备10可以包括高精度恒流源120以及附件系统130。所述附件系统130可以包括供气系统、冷却系统。通过冷却系统可以控制所述燃料电池电堆110的温度。所述燃料电池电堆110的可以在60℃-80℃的范围内。通过所述供气系统可以为所述燃料电池电堆110的阴极和阳极提供气体。所述气体种类可以是氢气、空气、氮气。通过所述高精度恒流源120可以为所述燃料电池电堆110提供高精度电流。在一个实施例中，所述高精度恒流源120的精度在0.01A以上。所述高精度恒流源120可以具有阶跃变化的功能。所述高精度恒流源120可以瞬间将电流从0A提高到目标电流。
使用所述恒流充电的方法对所述膜电极进行参数辨识时，当需要获得每一个所述电池单片阴极侧的活性面积的参数时，所述高精度恒流源120的正极与所述燃料电池电堆110正极相连，所述高精度恒流源120的负极与所述燃料电池电堆110的负极相连，所述燃料电池电堆110的阴极侧通入氮气，阳极侧通入氢气。当需要获得每一个所述电池单片阳极侧的活性面积的参数的时候，所述高精度恒流源120的正极与所述燃料电池电堆110的负极相连，所述高精度恒流源120的负极与所述燃料电池电堆110的正极相连。所述燃料电池电堆110的阳极侧通入氮气，阴极侧通入氢气。根据需要获取的参数的对象不同，可以选择不同的连接方式。
在一个实施例中，通过所述高精度恒流源120根据经验值选择不同的所述恒定电流值对所述燃料电池电堆110中的所述电池单片充电。充电过程中，可以采用高精度速采系统记录所有所述电池单片的所述第一电压值。在一个实施例中，所述高精度速采系统压的采样间隔小于0.01s。在选择不同的所述恒定电流值为所述燃料电池电堆110充电时，间隔可以在1分钟以上，以确保测量精度。
在步骤S20中，通过极化曲线测试法可以求得所述第二漏氢电流值。该步骤可以包括测试条件准备、数据采集过程和对所述测试数据拟合的过程。测试条件准备的过程中，可以向所述燃料电池电堆110的阴极和阳极通入空气和氢气。所述空气和氢气的湿度可以维持在80％以上，以保证正常工作状态下的反应区能够充分浸润。在所述数据采集过程中，以所述电流密度为控制变量，可以从0mA/cm2开始，逐步加大所述电流密度，并记录每一个所述电池单片的所述第二电压值。为了获得高精度的所述膜电极的状态参数，可以精密控制所述电流密度的加载间隔。在一个实施例中，所述电流密度可以从0mA/cm2开始，按照0.1mA/cm2的间隔逐步加载到2mA/cm2。所述拟合算法可以为最小二乘曲线拟合法等。
在步骤S30中，通过对所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值进行计算，可以得到更为精确的所述校正漏氢电流值。通过所述校正漏氢电流值可以更为准确地反应所述膜电极的工作状态。
本申请实施例提供的所述燃料电池膜电极的性能估计方法。通过所述恒定电流值和所述第一电压值获得所述电池单片的膜电极的第一漏氢电流值；通过所述电流密度值和所述第二电压值，通过拟合算法，得到第二漏氢电流值；通过所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值，得到校正漏氢电流值。通过将不同的测试方法得到的所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值校正，使得漏氢电流值，更为精确，更能精确反应所述膜电极的工作状态。
在一个实施例中，所述步骤S30包括：
S310，对所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值求平均值，得到初始漏氢电流；
S320，基于至少两个所述恒定电流值、所述初始漏氢电流和活性面积计算公式，得到第一活性面积值和第二活性面积值；
S330，对所述第一活性面积值和第二活性面积值求平均值，得到初始校正活性面积值；
S340，基于所述初始校正活性面积值、至少两个所述恒定电流值和漏氢电流计算公式，得到所述校正漏氢电流值。
所述步骤S310中，所述初始漏氢电流值Iloss,0＝(Iloss,A+Iloss,B)/2。其中Iloss,A和Iloss,B分别为所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值。
所述步骤S320中，所述活性面积计算公式为：
其中，ECSA为所述活性面积，QH,A为单位面积的氢吸附量，Wpt为单位面积的铂载量，IGA为所述恒定电流值，V为所述第一电压值，Cdl为双电层电容。通过在所述活性面积计算公式带绒两个不同的所述恒定电流值IGA，可以得到所述第一活性面积值ECSA1和所述第二活性面积值ECSA2。
在步骤S330中，通过对所述第一活性面积值ECSA1和所述第二活性面积值ECSA2求平均，得到所述初始校正活性面积值ECSA0。
在步骤S340中，所述漏氢电流计算公式为：
其中
为所述恒定电流值对应的充电时间。将所述初始校正活性面积值、至少两个所述恒定电流值带入所述漏氢电流计算公式，可以得到所述校正漏氢电流值。
在完成所述步骤S340后，可以重复所述S320进行数据迭代，以进一步提高所述校正漏氢电流值的精度。
在一个实施例中，在所述步骤S320中，所述至少两个恒定电流值为所述多个恒定电流值中的至少两个最大电流值。由于大充电电流对漏氢电流的精度不太敏感，通过循环迭代，可以很好的降低误差。
在一个实施例中，在所述步骤S340中，所述至少两个恒定电流值为所述多个恒定电流值中的至少两个最小电流值。小充电电流对于漏氢电流的精度比较敏感，因而可以提高校正漏氢电流值的精度。
在一个实施例中，所述步骤S340后还包括：
S350，基于所述校正漏氢电流值、所述活性面积计算公式、至少两个所述恒定电流值，得到至少两个第三活性面积值，对所述两个第三活性面积值求平均，得到校正活性面积值。
所述步骤S350中，所述至少两个所述恒定电流值可以为至少两个最大的恒定电流值。通过在所述活性面积计算公式带入至少两个所述恒定电流值，可以得到至少两个所述第三活性面积值。对所述两个第三活性面积值求平均可以得到所述校正活性面积值。
在一个实施例中，所述步骤S340后还包括：
步骤S350’，基于所述校正漏氢电流值、通过所述拟合算法，得到校正内阻值和校正交换电流密度值。将测试数据带入下列公式拟合，可以得到校正内阻值和校正交换电流密度值。
其中，V为所述第二电压值，Ifc为所述电流密度值，Vs0为半电位常数，K为常数，b为塔伏斜率，U0为能斯特电压，Ils为横向平移电流。其中，R为所述电池单片内阻，Iloss,i为漏氢电流，i0为交换电流密度，均为未知数，带入数据基于上述公式拟合后可以得到所述校正内阻值R和所述校正交换电流密度值i0。
在一个实施例中，所述步骤S10中，所述选取多个恒定电流值为燃料电池电堆充电之前还包括：
S010，向燃料电池电堆110阳极输入氢气和阴极输入氮气；
S020，向所述燃料电池电堆110输入恒温媒介维持所述燃料电池电堆110的温度在预设区间。所述预设区间的范围可以为60℃-80℃，因而保证测试的准确性。
在一个实施例中，所述步骤S010中，所述氢气和所述氮气的湿度大于80％。因而可以保证所有正常工作状态下的反应区能充分浸润。
在一个实施例中，所述步骤S20中，所述选取多个电流密度值为所述燃料电池电堆反应放电电流密度之前还包括：
S210，向燃料电池电堆阳极输入氢气和阴极输入空气；
S220，向所述燃料电池电堆输入恒温媒介维持所述燃料电池电堆的温度在预设区间。所述预设区间的范围可以为60℃-80℃，因而保证测试的准确性。
在一个实施例中，所述步骤S10中，基于所述恒定电流值和所述第一电压值获得所述电池单片的膜电极的第一漏氢电流值包括：
对至少两个所述恒定电流值对应的所述第一电压值的变化过程做关于时间的微分得到电压微分式，基于所述电压微分式得到所述第二漏氢电流值。
请参见图3，本实施例中，将所述第一电压值按照dV/dt进行处理，得到每一个所述恒定电流值下的结果。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值与所述恒定电流值IGA，按照下式进行联立求解，即可得到每一个电池单片的双电层电容Cdl和所述第一漏氢电流值iloss,A。
在一个实施例中，基于所述双电层电容Cdl和所述第一漏氢电流值iloss,A,可以通过所述活性面积计算公式求出活性面积ECSA。
请参见图4，在一个实施例中，对至少两个所述恒定电流对应的所述第一电压值变化过程做关于时间的微分之后，对所述电压微分式进行降噪处理。研究发现，在计算dV/dt的时候，由于变化幅度很小，dV/dt的噪声会非常的大，为了降低噪声，可以使用滤波器对数据进行处理。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
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)
1.一种燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，所述方法包括：
S10，选取多个恒定电流值为燃料电池电堆充电，监测所述燃料电池电堆中所有电池单片的第一电压值，基于所述恒定电流值和所述第一电压值获得所述电池单片的膜电极的第一漏氢电流值；
S20，选取多个电流密度值为所述燃料电池电堆反应放电电流密度，监测所述燃料电池电堆中所有电池单片的第二电压值，基于所述电流密度值和所述第二电压值，通过拟合算法，得到第二漏氢电流值；
S310，对所述第一漏氢电流值和所述第二漏氢电流值求平均值，得到初始漏氢电流；
S320，基于至少两个所述恒定电流值、所述初始漏氢电流和活性面积计算公式，得到第一活性面积值和第二活性面积值；
S330，对所述第一活性面积值和第二活性面积值求平均值，得到初始校正活性面积值；
S340，基于所述初始校正活性面积值、至少两个所述恒定电流值和漏氢电流计算公式，得到所述校正漏氢电流值；
其中，所述第一电压值为V，根据每一次恒流充电结果的最高点的dV/dt值与所述恒定电流值IGA，按照下式进行联立求解，即可得到每一个电池单片的双电层电容Cdl和所述第一漏氢电流值iloss,A；
通过极化曲线测试法可以求得所述第二漏氢电流值。
2.如权利要求1所述的燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，在所述步骤S320中，所述至少两个恒定电流值为所述多个恒定电流值中的至少两个最大电流值。
3.如权利要求1所述的燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，在所述步骤S340中，所述至少两个恒定电流值为所述多个恒定电流值中的至少两个最小电流值。
4.如权利要求1所述的燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，所述步骤S340后还包括：
S350，基于所述校正漏氢电流值、所述活性面积计算公式、至少两个所述恒定电流值，得到至少两个第三活性面积值，对所述两个第三活性面积值求平均，得到校正活性面积值。
5.如权利要求1所述的燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，所述步骤S340后还包括：
步骤S350’，基于所述校正漏氢电流值、通过所述拟合算法，得到校正内阻值和校正交换电流密度值。
6.如权利要求1所述的燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，所述步骤S10中，所述选取多个恒定电流值为燃料电池电堆充电之前还包括：
S010，向燃料电池电堆阳极输入氢气和阴极输入氮气；
S020，向所述燃料电池电堆输入恒温媒介维持所述燃料电池电堆的温度在预设区间。
7.如权利要求6所述的燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，所述步骤S010中，所述氢气和所述氮气的湿度大于80％。
8.如权利要求1所述的燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，所述步骤S20中，所述选取多个电流密度值为所述燃料电池电堆反应放电电流密度之前还包括：
S210，向燃料电池电堆阳极输入氢气和阴极输入空气；
S220，向所述燃料电池电堆输入恒温媒介维持所述燃料电池电堆的温度在预设区间。
9.如权利要求1所述的燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，所述步骤S10中，基于所述恒定电流值和所述第一电压值获得所述电池单片的膜电极的第一漏氢电流值包括：
对至少两个所述恒定电流值对应的所述第一电压值的变化过程做关于时间的微分得到电压微分式，基于所述电压微分式得到所述第一漏氢电流值。
10.如权利要求9所述的燃料电池膜电极的性能估计方法,其特征在于，
对至少两个所述恒定电流对应的所述第一电压值变化过程做关于时间的微分之后，对所述电压微分式进行降噪处理。
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| CN109802160A (zh) | 2019-05-24 |
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