CN111063920B - 一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法 - Google Patents

一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，包括如下步骤：步骤一、将燃料电池电堆进行充分活化，确保各节性能稳定；步骤二、燃料电池电堆活化完成后，冷却系统保持工作状态，利用外部辅助热源对冷却液加热以维持电堆温度；步骤三、切换电堆入口气体且氢气与空气为非增湿状态；步骤四、通过操控平台和系统控制器设定空气供给系统与氢气供给系统供应气体，负载供电；步骤五、通过巡检仪检测到的各节电压值以判断流体分配一致性。本发明简单、实用、有效，通过大气量、低载荷吹扫过程中电压的分布可间接判断出流体分配一致性，无需额外辅助测试装置，易于实现。

Description

一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法
技术领域
本发明涉及电池检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的能量转换装置，其具有无污染、效率高、噪声小等优点，随着技术的不断进步以及市场需求的不断提高，大功率燃料电池电堆越来越受市场的青睐。为了提高燃料电池电堆的输出功率，燃料电池电堆节数不断增多，而电堆节数的增多必然导致流体分配的一致性变差，而流体分配的一致性对于电堆的性能和寿命起着至关重要的作用。由于燃料电池电堆节数较多、密封要求较高、各节电池进气端尺寸较小，导致电堆各节气体流量测量困难，现阶段缺乏有效的对燃料电池电堆流体分配一致性进行检测的方法。
现有技术中，对于燃料电池电堆流体分配一致性检测方法有：通过测量装置来测量单池出入口的压力降值或单池出口的动压值，进而计算出单池流体分配量，以判断燃料电池电堆内流体分配的一致性，利用测量装置测量各节单池出入口压力，但对于大功率燃料电池而言其电堆节数可达几百节，而每一节电池双极板进气口处厚度很小，因此测量每一节电池出入口压力时其定位准确性很难保证，测量误差较大；通过向燃料电池电堆阳极或阴极入口通入氢气和惰性气体的混合气，并在电堆各单池两极间施加同一用于氢气氧化的电压，通过比较各单电池的氧化电流的一致性来判断流体分配的一致性，由于电流的一致性影响因素很多，不能判断是否由流体分配的一致性引起；利用特殊加工件将压力测点分布在公用通道不同位置处，通过多个压差表测量电堆公共通道内的压力分布，利用流量与压力的关系来拟合曲线，进而得到不同位置处的流量值，虽然能根据测量的压力结果拟合处流量曲线，但其测量装置复杂，测量误差较大，方法不易实现，此外，采用的压力与流量四次方的关系来拟合曲线，其拟合的准确性无法保证。
发明内容
根据上述提出的现有监测方法对于大功率燃料电池而言其电堆节数可达几百节，而每一节电池双极板进气口处厚度很小，因此测量每一节电池出入口压力时其定位准确性很难保证，测量误差较大；由于电流的一致性影响因素很多，不能判断是否由流体分配的一致性引起；虽能根据测量的压力结果拟合处流量曲线，但其测量装置复杂，测量误差较大，方法不易实现，且采用的压力与流量四次方的关系来拟合曲线，其拟合的准确性无法保证的技术问题，而提供一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法。本发明主要利用将电堆充分活化后利用干气大气量、低载荷的吹扫方法，通过电堆电压分布间接判断检测电堆流体分配的一致性。
本发明采用的技术手段如下：
一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，包括如下步骤：
步骤一、将燃料电池电堆进行充分活化，确保各节性能稳定；
步骤二、燃料电池电堆活化完成后，冷却系统保持工作状态，利用外部辅助热源对冷却液加热以维持电堆温度；
步骤三、切换电堆入口气体且氢气与空气为非增湿状态；
步骤四、通过操控平台和系统控制器设定空气供给系统与氢气供给系统供应气体，负载供电；
步骤五、通过巡检仪检测到的各节电压值以判断流体分配一致性。
进一步地，步骤二中，所述电堆温度为60℃≤Tstack≤70℃。
进一步地，步骤二中，所述冷却系统主要由水泵、水箱、换热器和管路组成，所述冷却系统通过管路与燃料电池电堆相连。
进一步地，步骤四中，所述空气供给系统按500-800mA/cm2电流密度供应气体。
进一步地，步骤四中，所述氢气供给系统通过压力控制，保证氢气侧压力比空气侧高10Kpa。
进一步地，步骤四中，所述负载按50-100mA/cm2电流密度供电。
进一步地，在电堆充分活化后采用大气量、低载荷吹扫方法，由于流体分配不均导致电堆各节MEA干湿状态差异，进而导致电堆各节欧姆极化差异，而欧姆极化的差异可通过各节电压体现，因此通过电堆各节电压差异可间接判断流体分配的一致性。
进一步地，判断燃料电池电堆流体分配一致性的原理为：
对于一个新的燃料电池电堆，可忽略各节电池性能差异(正常检测合格的双极板与MEA即可)，在正常活化后各节干湿程度基本一致，大气量、低载荷工作状态相当于对电堆进行吹扫，大气量可以移除流道和质子交换膜中的自由水，低载荷可以对质子交换膜进行补水。
燃料电池的实际输出电压可以写为热力学可逆电压减去由于各种损耗而引起的电压降：
V＝Ethermo-ηact-ηohmic-ηconc；
式中，
V为燃料电池的实际输出电压；
Ethermo为热力学可逆电压；
ηact为由反应动力学引起的活化损耗；
ηohmic为由离子和质子传导引起的欧姆损耗；
ηconc为由质量传输引起的浓度损耗。
在大气量、低载荷工作状态下，电堆各节活化损耗ηact与浓度损耗ηconc差异较小，各节电压值差异主要受欧姆极化影响。
欧姆损失如下公式：
ηohmic＝iRohmic＝i(Relec+Rionic)；
在大气量、低载荷吹扫过程中，加载电流保持不变，欧姆损耗受电子电阻和离子电阻影响，吹扫过程中电子电阻和离子电阻主要受质子交换膜中含水量的影响，当质子交换膜中含水量较低时，电子电阻和离子电阻较大，欧姆损耗较大，表现为该节电压较低；当质子交换膜中含水量较高时，电子电阻和离子电阻较小，欧姆损耗较小，表现为该节电压较高。而质子交换膜中含水量的高低与吹扫气体湿度和各节处气体质量流量有关。燃料电池电堆各节处气体流量相同时，吹扫气体相对湿度越大，质子交换膜中含水量相对越大，表现为电压越高；燃料电池电堆吹扫气体相对湿度一定时，气体流量相对较大的电池位置处质子交换膜中含水量相对较小，表现为该节处电压相对较低。
进行大气量、低载荷吹扫初期主要是移除双极板流道中的反应生成水，此阶段质子交换膜的干湿状态无明显变化，因此各节电压无明显差异，流体分配不均一性不能体现。而随着吹扫的进行，气体流量较大位置处流道中的水首先被移除，此时由于该节位置处水的移除导致该节处流体沿程阻力降低，进而导致该节位置处气体流量进一步增大，而较大的气体流量会携带走MEA中更多的水，使该节欧姆极化变大，表现为该节电压降低。据此，根据电堆各节电压的高低即可判断电堆的流体分配一致性。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，简单、实用、有效，该方法通过大气量、低载荷吹扫过程中电压的分布可间接判断出流体分配一致性，与现有技术相比，无需额外辅助测试装置，易于实现。
2、本发明提供的燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，可直观的观测出流体分配的一致性，可为电堆设计流体分配一致性提供数据支持。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的监测方法对于大功率燃料电池而言其电堆节数可达几百节，而每一节电池双极板进气口处厚度很小，因此测量每一节电池出入口压力时其定位准确性很难保证，测量误差较大；由于电流的一致性影响因素很多，不能判断是否由流体分配的一致性引起；虽能根据测量的压力结果拟合处流量曲线，但其测量装置复杂，测量误差较大，方法不易实现，且采用的压力与流量四次方的关系来拟合曲线，其拟合的准确性无法保证的问题。
基于上述理由本发明可在电池检测等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中电堆吹扫1min后电压分布图。
图2为本发明中流体分配一致性仿真结果示意图。
图3为本发明中燃料电池测试系统示意图。
图中：1、燃料电池电堆；2、空气供给系统；3、氢气供给系统；4、冷却系统；5、系统控制器；6、负载；7、巡检；8、操控平台；9、燃料电池测试系统。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图所示，本发明提供了一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，包括如下步骤：
步骤一、将燃料电池电堆1进行充分活化，确保各节性能稳定；
步骤二、燃料电池电堆1活化完成后，冷却系统4保持工作状态，利用外部辅助热源对冷却液加热以维持电堆温度；
步骤三、切换电堆入口气体且氢气与空气为非增湿状态；
步骤四、通过操控平台8和系统控制器5设定空气供给系统2与氢气供给系统3供应气体，负载6供电；
步骤五、通过巡检仪检测到的各节电压值以判断流体分配一致性。
优选的，步骤二中，所述电堆温度为60℃≤Tstack≤70℃。
优选的，步骤二中，所述冷却系统4主要由水泵、水箱、换热器和管路组成，所述冷却系统4通过管路与燃料电池电堆1相连。
优选的，步骤四中，所述空气供给系统2按500-800mA/cm2电流密度供应气体。
优选的，步骤四中，所述氢气供给系统3通过压力控制，保证氢气侧压力比空气侧高10Kpa。
优选的，步骤四中，所述负载6按50-100mA/cm2电流密度供电。
实施例1
如图3所示，为燃料电池测试系统示意图，通过测试系统进行燃料电池电堆流体分配一致性检测。燃料电池测试系统9包括操控平台8、系统控制器5、冷却系统4、空气供给系统2、氢气供给系统3、负载6、巡检7(电池巡检仪)和燃料电池电堆1，冷却系统4、空气供给系统2、氢气供给系统3、负载6和巡检7均与燃料电池电堆1直接相连，操控平台8与系统控制器5相连，系统控制器5分别与冷却系统4、空气供给系统2、氢气供给系统3及负载6电连接。该测试系统的实施由操控平台8进行控制，系统控制器5对操控平台8下达的指令进行处理，并将处理后的命令下达到各设备进行动作，即系统控制器5控制冷却系统4、空气供给系统2、氢气供给系统3以及负载6的动作。在测试一开始，冷却系统4预先打开，并在测试过程中全程保持工作状态，该冷却系统4主要由水泵、水箱、换热器和管路组成，冷却系统4通过管路与燃料电池电堆1连接。此外，巡检7通过线束与燃料电池电堆1连接。
本实施例中采用的燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，包括如下步骤：
步骤一、将燃料电池电堆1进行充分活化，确保各节性能稳定；
步骤二、燃料电池电堆1活化完成后，冷却系统4保持工作状态，利用外部辅助热源对冷却液加热以维持电堆温度，电堆温度为60℃≤Tstack≤70℃；
步骤三、切换电堆入口气体且氢气与空气为非增湿状态；
步骤四、通过操控平台8和系统控制器5设定空气供给系统2按600mA/cm2电流密度供应气体，氢气供给系统3通过压力控制保证氢气侧压力比空气侧高10Kpa，负载6按50mA/cm2电流密度供电；其中负载6选用电子负载；
步骤五、通过巡检仪检测到的各节电压值以判断流体分配一致性。
如图1所示为一个180节电堆利用本发明所提出的流体分配一致性检测方法获得的电堆充分活化后，进气切换为干气状态进行大气量、低载荷吹扫1min后的电压分布图。
从图1中可以看出，采用大气量、低载荷的吹扫方法对电堆吹扫约1min后电堆第125节-180节电压明显偏低，说明该位置处气体流量较大，单位时间内气体携带走的水较多，使其质子交换膜含水量与其余节相比较低，欧姆损耗增大导致电压降低，流体分配不均一性得到体现，而该结果与物理事实和仿真结果相匹配，证明了该方法的准确性与可行性。如图2所示为流体分配仿真结果，从图2中可以看出其趋势与图1相符。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将燃料电池电堆进行充分活化，确保各节性能稳定；
步骤二、燃料电池电堆活化完成后，冷却系统保持工作状态，利用外部辅助热源对冷却液加热以维持电堆温度；
步骤三、切换电堆入口气体且氢气与空气为非增湿状态；
步骤四、通过操控平台和系统控制器设定空气供给系统与氢气供给系统供应气体，并通过系统控制器控制负载供电；
步骤五、通过巡检仪检测到的各节电压值以判断流体分配一致性。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，其特征在于，步骤二中，所述电堆温度为60℃≤Tstack≤70℃。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，其特征在于，步骤二中，所述冷却系统由水泵、水箱、换热器和管路组成，所述冷却系统通过管路与燃料电池电堆相连。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，其特征在于，步骤四中，所述空气供给系统按500-800mA/cm2电流密度供应气体。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，其特征在于，步骤四中，所述氢气供给系统通过压力控制，保证氢气侧压力比空气侧高10Kpa。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆流体分配一致性检测方法，其特征在于，步骤四中，所述负载按50-100mA/cm2电流密度供电。
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