CN111693880A - 一种具备在线内阻检测功能的电堆测试平台、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种具备在线内阻检测功能的电堆测试平台、系统及方法，涉及燃料电池领域。该测试平台在常规电堆测试平台的基础上，增加了在线内阻检测单元，包括直流电源、第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路、以及安置在这些管路上的阀和流量调节器等。当电堆的阳极侧和阴极侧分别通入氢气和空气时，该测试平台能够对电堆的发电性能进行常规检测；当电堆的阳极侧和阴极侧都通入氢气时，该测试平台能够对电堆的内阻进行快速在线检测，得到电堆及其中各个单电池的内阻，操作简单，成本低，效率高。

Description

一种具备在线内阻检测功能的电堆测试平台、系统及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种具备在线内阻检测功能的电堆测试平台、系统及方法。

背景技术

燃料电池堆(简称电堆)的电压小于理论电压是由三个过电位造成的。一是活化过电位，它是因为反应过程中需要克服反应动力学的阻力引起的。二是欧姆过电位，它是因为欧姆电阻带来的电压下降，其中包括材料本体电阻(如质子交换膜、催化层、气体扩散层、双极板)和各种接触电阻(如质子交换膜/催化层、催化层/气体扩散层、气体扩散层/双极板)。三是传质过电位，是反应物传递过程中的阻力带来的电压降。

表述电流密度与电压关系的特征曲线叫极化曲线，极化曲线上每一点的过电位都是上述三种过电位的总和。在低电流密度区间(如电流密度小于0.2A/cm²)，活化过电位占主导地位。在大电流密度区间(如电流密度大于2A/cm²)，传质过电压占主导地位。在电流密度处于0.2-2A/cm²之间，欧姆过电位占主导地位，这个区间也是电堆在发电过程中电流密度主要所处的区间。为此，测量电堆欧姆电阻的大小是个很关键的需求。

欧姆电阻的测试方法主要包括电流中断法和交流阻抗法。电流中断法操作简单，设备简单，但其测试结果往往高于实际值，准确度欠佳，且不能同时测试电堆中每个单电池。交流阻抗法是目前最普遍采用的方法，但设备非常昂贵，测试时间长，难以推广使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具在线电堆内阻检测功能和电堆发电性能检测功能的多功能测试平台、系统及方法，其能够有效地改善上述提到的技术问题。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种具备在线内阻检测功能的电堆测试平台，该电堆测试平台包括：

a)常规电堆测试平台的所有部件；

b)在线内阻检测单元，包括直流电源、管路、阀、流量计和流量调节器；

c)当电堆的阳极侧和阴极侧分别通入氢气和空气时，该电堆测试平台能够对电堆及其中各个单电池的发电性能进行常规检测；

d)当电堆的阳极侧和阴极侧都通入氢气时，该测试平台能够对电堆的内阻进行快速在线检测，得到电堆及其中各个单电池的内阻。

在可选的实施方式中，所述内阻检测单元包括第一管路、第二管路、第三管路、第四管路和第五管路；

a)所述第一管路的一端用于与电堆氢气腔连通，所述第一管路的另一端用于与氢气源或气源选择性连通；

b)所述第二管路的一端用于与电堆空气腔连通，所述第二管路的另一端用于与空气源或气源选择性连通；

c)所述第三管路的两端分别与所述第一管路和所述第二管路连通；

d)所述第四管路一端与所述第一管路连通，另一端与气源连通；

e)所述第五管路一端与所述第二管路连通，另一端与气源连通。

在可选的实施方式中，a)所述第一管路上连接有流量调节器，用于调节流过所述第一管路气体的流量；

b)所述第三管路上连接有第三单向阀、流量计和比例阀；第三单向阀用于阻碍流体从所述第二管路通过所述第三管路流向所述第一管路；流量计用于测量流过所述第三管路气体的流量；比例阀用于控制流过所述第三管路气体的流量；

c)所述第四管路上连接有第一单向阀和第一阀；所述第一单向阀用于阻碍所述氢气源的气体流过第四管路；所述第一阀用于控制所述第四管路的通断；

d)所述第五管路上连接有第二阀和第二单向阀；所述第二阀用于控制所述第五管路的通断，所述第二单向阀用于阻碍所述空气源气体流过所述第五管路。

第二方面，本发明实施例提供一种具备在线内阻检测功能的电堆测试系统，包括前述实施方式任一项所述的测试平台。

第三方面，本发明实施例提供一种具备在线所述方法包括：

a)开启氢气源，通过第一管路向电堆的氢气腔通入氢气，通过第三管路+第二管路向空气腔通入氢气；

b)启动与电堆的正负端相连的直流电源，由小到大逐步调节所述直流电源的输出电流；通过与电堆中每一个单电池相连的巡检仪检测所述电堆中每个所述单电池的电压；

c)用所述直流电源的输出电流除以电堆中单电池的活性面积，得到电流密度，对电堆中每一个单电池绘制电流密度与对应电压的特征曲线，其斜率为该片单电池的欧姆电阻。

在可选的实施方式中，氢气在被通入电堆的氢气腔和空气腔中之前被预先充分加湿。

在可选的实施方式中，在向电堆的氢气腔和空气腔通入氢气之前，通过第四管路+第一管路向所述氢气腔通入气源中的气体，通过第五管路+第二管路向所述空气腔通入气源中的气体，以排出所述氢气腔和所述空气腔内原有的气体。

在可选的实施方式中，进入电堆的氢气腔和空气腔氢气的流量由流量调节器和比例阀共同控制。

本发明实施例的有益效果包括，例如：

本发明实施例提供了一种具备在线内阻检测功能的电堆测试平台，该测试平台在常规电堆测试平台的基础上，增加在线内阻检测单元，包括直流电源、第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路以及流量计、比例阀、单向阀等。直流电源与电堆电连接，巡检仪与电堆中的每片单电池电连接，能够检测每个单电池在通过不同的电流时所对应的电压值。电流除以单电池的活性面积得到电流密度，根据不同的电流密度对应的电压值，能够得到每个单电池的电流密度与电压之间的特性曲线，该特征曲线为直线，气斜率即为每个单电池的欧姆电阻，从而能够同时得到多个单电池的欧姆电阻。与现有内阻检测方法相比，该平台对电堆种各单电池的内阻进行检测，又能有效评估电堆的发电性能，操作简单，成本低，具有非常大优势。

本发明实施例提供了一种具备在线内阻检测功能的电堆测试系统，该测试系统包括上述提到的测试平台，并且具备该测试平台的全部功能，该测试系统能够有效地进行电堆内阻检测和电堆发电性能的检测，提高测试效率。

本发明实施例还提供了一种具备在线内阻检测功能的电堆测试方法，该内阻测试方法通过上述的测试平台实施，该内阻测试方法进行内阻测试时，能够根据不同的电流密度对应的电压值，得到每个单电池的电流密度与电压之间的特性曲线，每个特性曲线的斜率即为每个单电池的欧姆电阻，从而能够同时得到多个单电池的欧姆电阻，与现有内阻测试仪器相比，该平台可对电堆中各单电池的内阻同时进行检测，并可有效评估电堆的发电性能，操作简单，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的具备在线内阻检测功能的电堆测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具备在线内阻检测功能的电堆测试方法的流程示意图。

图标：1-测试系统；11-电堆；111-单电池；112-氢气腔；113-空气腔；12-在线内阻检测单元；13-测试平台；121-直流电源；122-巡检仪；123-第一管路；124-第二管路；125-第三管路；140-第四管路；141-第五管路；126-比例阀；127-流量计；128-第三单向阀；129-第一阀；130-第二阀；131-第一单向阀；132-第二单向阀；133-断路器；134-流量调节器；2-气源；31-氢气源；32-空气源。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

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定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本实施例提供了一种电堆测试系统1，该测试系统1包括测试平台13，测试平台13是在常规测试平台的基础上，增加了在线内阻检测单元12，被测电堆11包括多个串联的单电池111，该测试平台13在进行内阻测试时能够同时得到一个或多个单电池111的欧姆电阻。

具体地，该测试平台13中的在线内阻检测单元12包括直流电源121和巡检仪122，直流电源121和电堆11相连接，可以理解的是，直流电源121给电堆11通电后，由于多个单电池111串联，通过每个单电池111的电流相同。

在本实施例中，直流电源121可输出不同的电流，这样，能够改变通过多个单电池111的电流。

需要说明的是，在本实施例中，巡检仪122同时与一个或多个单电池111电连接。巡检仪122能够检测每个单电池111在通过不同的电流时所对应的电压值。

电流除以单电池的活性面积得到电流密度，根据不同的电流密度对应的电压值，能够得到每个单电池111的电流密度与电压之间的特性曲线，每个特性曲线的斜率即为每个单电池111的欧姆电阻，从而能够同时得到多个单电池111的欧姆电阻，操作简单，成本低廉。

需要说明的是，电堆11还包括氢气腔112和空气腔113，氢气腔112为电堆11在正常放电过程中，氢气进入的腔室。类似地，空气腔113为电堆11在正常放电过程中，空气进入的腔室。但是，在本实施例中，进行内阻测试时，氢气腔112和空气腔113均通入氢气。

需要说明的是，一般地，在进行内阻测试时，直流电源121输出的电流对应单电池活性面积的电流密度变化范围为0-1A/cm²。

请参照图1，在本实施例中，该测试平台13还包括断路器133，断路器133能够使直流电源121给电堆11通电或断电。

请参照图1，在本实施例中，测试系统1还包括气源2，氢气源31，空气源32，在线内阻检测单元12还包括第一管路123和第二管路124，第一管路123的一端与氢气腔112连通，第一管路123的另一端与气源2或氢气源31选择性连通，第二管路124的一端与空气腔113连通，第二管路124的另一端与气源2或空气源32选择性连通。

可以理解的是，在本实施例中，从气源2或氢气源31输出的气体可以通过第一管路123进入到氢气腔112内。类似地，从气源2或空气源32输出的气体可以通过第二管路124进入到空气腔113内。类似地，从氢气源31输出的气体可以通过第一管路123与第三管路125进入空气腔113内。

需要说明的是，在电堆常规发电性能测试时，从氢气源31输出氢气通过第一管路123进入氢气腔112内，同时从空气源32输出空气通过第二管路124进入空气腔113内。

请参照图1，在本实施例中，该在线内阻检测单元12还包括第三管路125，第三管路125的两端分别与第一管路123和第二管路124连通。

在进行内阻测试时，可以根据需要从气源2输出气体如氮气，同时通过第四管路140与第五管路141，而后通过第一管路与第二管路，分别进入电堆氢气腔112与空气腔113内，吹扫排出电堆11内残余的气体，如空气。之后从氢气源31输出氢气通过第一管路123与第三管路125分别进入电堆氢气腔112与空气腔113内进行内阻检测。

在本实施例中，该在线内阻检测单元12还包括比例阀126，比例阀126设置在第三管路125上，比例阀126能够调节通过第三管路125气体的流量。这样，比例阀126能够调节从第一管路123通过第三管路125进入到第二管路124内的氢气流量，从而能够调节进入到氢气腔112内的氢气流量以及调节进入到空气腔113内的氢气流量。

在直流电源给电堆施加直流电流时，与直流电源正极相连的电堆腔室中通入的氢气量要至少等于在该腔室中由直流电消耗的氢气量，在两者相等时，可以称为标准流量。

一般地，在进行内阻测试时，如果直流电源121的正极、负极分别接到电堆的原空气侧、氢气侧，进入到氢气腔112的氢气流量可为氢气标准流量的0.3倍，而进入到空气腔113的氢气流量为氢气的标准流量的1.2倍。

需要说明的是，在本实施例中，该测试平台13还包括流量调节器134，流量调节器134能够调节第一管路123内的流量，使得未进入第三管路125前的氢气的总流量为氢气的标准流量的1.5倍。

请参照图1，在本实施例中，该测试平台13还包括流量计127，流量计127设置在第三管路125上，流量计127能够检测第三管路125内的流量。这样，工作人员能够根据流量计127显示的数据判定通过第三管路125的氢气流量是否满足进入空气腔113的氢气需求量。

请参照图1，在本实施例中，测试平台13还包括第三单向阀128，第三单向阀128设置在第三管路125上，第三单向阀128能够阻碍气体从第二管路124通过第三管路125回流入第一管路123。

请参照图1，测试平台13还包括第一阀129和第二阀130，第一阀129设置在第四管路140上，第二阀130设置在第五管路141上，第一阀129能够控制第四管路140的通断，第二阀130能够控制第五管路141的通断。

一般地，在向氢气腔112和空气腔113通入氢气之前，可以先向氢气腔112和空气腔113通入氮气，这样，去除氢气腔112和空气腔113内部原有的气体，如空气。

需要说明的是，在向氢气腔112和空气腔113通入氮气时，可以同时打开第一阀129和第二阀130，以使氮气能够更快地进入到氢气腔112和空气腔113，更快地完成去除氢气腔112和空气腔113内的空气。

请参照图1，在本实施例中，测试平台13还包括第一单向阀131和第二单向阀132，第一单向阀131设置在第四管路140上，第二单向阀132设置在第五管路141上。

可以理解的是，第一单向阀131可以阻碍氢气源31的气体流过第四管路进入第五管路，第二单向阀132可以阻碍空气源31的气体流过第五管路进入第四管路，这样，能够提高整个测试平台13的安全性能。

请参照图2，本实施例还提供了一种内阻测试方法，该内阻测试方法包括：

S32：向电堆11的氢气腔112和空气腔113通入一定流量的氢气。

S33：启动直流电源121，调节直流电源121所输出的电流。

S34：记录巡检仪122检测的每个单电池111在通过不同的电流时所对应的电压值。

电流除以单电池的活性面积得到电流密度，根据不同的电流密度对应的电压值，能够得到每个单电池111的电流密度与电压之间的特性曲线，每个特性曲线的斜率即为每个单电池111的欧姆电阻，从而能够同时得到多个单电池111的欧姆电阻，降低测试成本，提高测试效率。

需要说明的是，在本实施例中，该内阻测试方法能够通过上述的内阻测试系统1实施。

请参照图2，在本实施例中，在步骤S32之前，该内阻测试方法还包括：

S31：将氢气加湿。

这样，加湿后的氢气能够提高质子交换膜的质子电导率，以便准确测试电堆内阻。

请参照图2，在本实施例中，在步骤S31之前，该内阻测试方法还包括：

S30：向氢气腔112和空气腔113通入氮气，以排出氢气腔112和空气腔113内的空气。

这样，氮气可以除去氢气腔112和空气腔113内部原有的空气。

综上，本实施例提供的内阻测试系统1的原理：

打开气源2，打开第一阀129和第二阀130，向氢气腔112和空气腔113内通入氮气，持续一段时间后，关闭第一阀129和第二阀130，关闭气源2。

打开氢气源31，打开比例阀126，将加湿后的氢气通入第一管路123与第三管路125，使一定流量的氢气同时通入电堆氢气腔112与空气腔113，合断路器133，直流电源121对电堆施加电流。

调节直流电源121的电流，使单电池的电流密度在0-1A/cm²的范围内逐渐增大，通过巡检仪122记录每个单电池111在不同电流密度时所对应的电压值。

然后，得到每个单电池111关于电流密度和电压的特性曲线，每个特性曲线的斜率即为每个单电池111的欧姆电阻。

以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具备在线内阻检测功能的电堆测试平台，其特征在于，该电堆测试平台包括：

a)常规电堆测试平台的所有部件；

b)在线内阻检测单元，包括直流电源、管路、阀、流量计和流量调节器；

c)当电堆的阳极侧和阴极侧分别通入氢气和空气时，该电堆测试平台能够对电堆及其中各个单电池的发电性能进行常规检测；

d)当电堆的阳极侧和阴极侧都通入氢气时，该测试平台能够对电堆的内阻进行快速在线检测，得到电堆及其中各个单电池的内阻。

2.根据权利要求1所述的具备在线内阻检测功能的电堆测试平台，其特征在于，所述内阻检测单元(12)包括第一管路(123)、第二管路(124)、第三管路(125)、第四管路(140)和第五管路(141)；

a)所述第一管路(123)的一端用于与电堆(11)氢气腔(112)连通，所述第一管路(123)的另一端用于与氢气源(31)或气源(2)选择性连通；

b)所述第二管路(124)的一端用于与电堆(11)空气腔(113)连通，所述第二管路(124)的另一端用于与空气源(32)或气源(2)选择性连通；

c)所述第三管路(125)的两端分别与所述第一管路(123)和所述第二管路(124)连通；

d)所述第四管路(140)一端与所述第一管路(123)连通，另一端与气源(2)连通；

e)所述第五管路(141)一端与所述第二管路(124)连通，另一端与气源(2)连通。

3.根据权利要求2所述的具备在线内阻检测功能的电堆测试平台，其特征在于，

a)所述第一管路(123)上连接有流量调节器(134)，用于调节流过所述第一管路(123)气体的流量；

b)所述第三管路(125)上连接有第三单向阀(128)、流量计(127)和比例阀(126)；第三单向阀(128)用于阻碍流体从所述第二管路(124)通过所述第三管路(125)流向所述第一管路(123)；流量计(127)用于测量流过所述第三管路(125)气体的流量；比例阀(126)用于控制流过所述第三管路(125)气体的流量；

c)所述第四管路(140)上连接有第一单向阀(131)和第一阀(129)；所述第一单向阀(131)用于阻碍所述氢气源(31)的气体流过第四管路(140)；所述第一阀(129)用于控制所述第四管路(140)的通断；

d)所述第五管路(141)上连接有第二阀(130)和第二单向阀(132)；所述第二阀(130)用于控制所述第五管路(141)的通断，所述第二单向阀(132)用于阻碍所述空气源(32)气体流过所述第五管路(141)。

4.一种具备在线内阻检测功能的电堆测试系统，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的具备在线内阻检测功能的电堆测试平台。

5.一种具备在线内阻检测功能的电堆测试方法，其特征在于，使用权利要求1-3任一项所述的测试平台，所述方法包括：

a)开启氢气源(31)，通过第一管路(123)向电堆(11)的氢气腔(112)通入氢气，通过第三管路(125)+第二管路(124)向空气腔(113)通入氢气；

b)启动与电堆(11)的正负端相连的直流电源(121)，由小到大逐步调节所述直流电源(121)的输出电流；通过与电堆(11)中每一个单电池(111)相连的巡检仪(122)检测所述电堆(11)中每个所述单电池(111)的电压；

c)用所述直流电源(121)的输出电流除以电堆(11)中单电池(111)的活性面积，得到电流密度，对电堆(11)中每一个单电池(111)绘制电流密度与对应电压的特征曲线，其斜率为该片单电池的欧姆电阻。

6.根据权利要求5所述的具备在线内阻检测功能的电堆测试方法，其特征在于，氢气在被通入电堆(11)的氢气腔(112)和空气腔(113)中之前被预先充分加湿。

7.根据权利要求5所述的具备在线内阻检测功能的电堆测试方法，其特征在于，在向电堆(11)的氢气腔(112)和空气腔(113)通入氢气之前，通过第四管路+第一管路向所述氢气腔(112)通入气源(2)中的气体，通过第五管路+第二管路向所述空气腔(113)通入气源(2)中的气体，以排出所述氢气腔(112)和所述空气腔(113)内原有的气体。

8.根据权利要求5所述的具备在线内阻检测功能的电堆测试方法，其特征在于，进入电堆(11)的氢气腔(112)和空气腔(113)氢气的流量由流量调节器(134)和比例阀(126)共同控制。

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