CN112670541A - 一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，本发明方法，包括：S1、建立膜电极(MEA)内部水含量与阻抗值变化的对应关系，分析燃料电池低温启动过程阻抗值变化的原因，得到导致阻抗值变化的影响因素；S2、实时获取燃料电池的阻抗值；S3、基于获取的燃料电池的阻抗值，通过低温启动过程燃料电池的阻抗值变化来间接判断膜电极的结冰情况。本发明的技术方案解决了现有技术中存在的不能实时监测低温启动过程膜电极结冰情况的问题。

Description

一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法、系统及 存储介质

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法、系统及存储介质。

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，在低温环境下可以提供稳定的功率输出是燃料电池的一大优势，但是工作原理决定了其在低温环境下的启动过程中存在着极大的挑战。由于燃料电池在工作过程中会生成大量的水，而在低温条件下水会结冰体积膨胀而破坏膜电极结构、阻碍气体输运通道，进而导致低温启动失败且对电堆产生不可逆的损伤，因此，在低温启动过程中实时监测膜电极中水的状态对于优化低温启动策略至关重要，现有技术中公开了如下相关技术：

方案一：专利《可视化燃料电池装置》公开了一种可视化燃料电池装置，通过将流场单元设置为透明材料，使得流道成为透明流道，实现流道的可视化，可实时观察低温启动过程流道中水的状态。

方案二：文献“Cold start characteristics and freezing mechanismdependence on start-up temperature in a polymer electrolyte membrane fuelcell”中提到了一种在低温启动后将电堆在恒温箱内拆解，利用显微镜观察膜电极内结冰情况的方法。

方案三：文献“Passive control of liquid water storage and distributionin a PEFC through flow-field design”中提到了利用中子成像的方法来观测反应过程电池内部水的状态的方法。

但是上述方案存在如下缺点：

方案一：专利《可视化燃料电池装置》利用可视化装置可直观的观测低温启动过程中流道和膜电极表面水的状态，但MEA内部水的状态观测不到，而低温启动过程结冰的位置主要在膜电极内部，因此不能准确判断结冰情况。

方案二：文献“Cold start characteristics and freezing mechanismdependence on start-up temperature in a polymer electrolyte membrane fuelcell”中提到的低温启动后在低温箱内对电堆进行拆解和利用显微镜观测的方法不能实时反应低温启动过程的结冰情况，且在拆解和观测过程中水的状态会发生变化，不能真实有效的反应结冰过程。

方案三：文献“Passive control of liquid water storage and distributionin a PEFC through flow-field design”中提到的利用中子成像的方法虽然能准确的捕捉启动过程水的变化情况，其试验成本较高，技术复杂，现阶段较难在低温环境下具备试验条件。

由此可见，现阶段缺乏简单、有效的手段对电堆内结冰情况进行监测。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法、系统及存储介质。本发明建立了低温启动过程阻抗值变化与结冰过程间的对应关系，利用阻抗在线监测设备实时监测阻抗值，通过低温启动过程电堆的阻抗值变化来间接判断膜电极的结冰情况。

本发明采用的技术手段如下：

一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，包括如下步骤：

S1、建立膜电极内部水含量与阻抗值变化的对应关系，分析燃料电池低温启动过程阻抗值变化的原因，得到导致阻抗值变化的影响因素；

S2、实时获取燃料电池的阻抗值；

S3、基于获取的燃料电池的阻抗值，通过低温启动过程燃料电池的阻抗值变化来间接判断膜电极的结冰情况。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S11、计算燃料电池的阻抗值，其计算公式如下：

HFR＝R_totalA_mem

其中，A_mem表示膜的活性面积；R_total表示膜阻；

S12、计算膜阻R_total，其计算公式如下：

其中，δ_mem表示膜的厚度；κ表示电导率；A_i表示流道和脊处的面积；λ_i表示流道和脊处膜内含水量；

S13、基于步骤S12中膜阻R_total的计算公式，其公式中的电导率κ与膜内水含量存在如下函数关系：

其中，λ表示膜内水含量；T表示膜内温度；

S14、计算膜内水含量λ，其计算公式如下：

其中，EW表示膜的当量重量；ρ_mem表示膜的密度；

表示膜内水的浓度；

S15、基于上述步骤S11-步骤S14，得到：

从上式中得到，导致阻抗值变化的影响因素主要是膜内水含量，而膜内水含量变化的影响因素主要是膜内水的浓度。

进一步地，所述步骤S2实时获取燃料电池的阻抗值，具体为：

通过阻抗在线监测设备实时监测燃料电池的阻抗值。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

S31、在低温启动过程中，膜内水含量随着反应的进行发生变化，在低温存储前由于将电堆吹扫至较干的状态，因此在启动初期膜内水含量较低，电堆阻抗值较大；

S32、随着反应的进行，反应生成的水被离聚物吸收，其阻抗值不断降低，在膜内水含量达到饱和状态时，其阻抗值达到最低值；

S33、当膜内水含量达到饱和状态时，若电堆温度没有升高至0℃，则反应生成的水会逐渐结冰，离聚物内水的浓度降低，膜内水含量减小，电导率减小，膜阻增大，阻抗值增大；

S34、随着反应的进行，电堆温度逐渐升高，当电堆温度升高至0℃后，冰开始融化，离聚物内水的浓度升高，膜内水含量增大，电导率增大，膜阻减小，阻抗值减小。

一种燃料电池低温启动测试系统，系统在运行时，执行上述燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法。

一种燃料电池低温启动测试系统的使用方法，包括：

步骤1、将燃料电池电堆置于低温箱中，设置低温箱温度为-20℃，放置12小时；

步骤2、打开冷却系统，确认电堆出口温度为-20℃；

步骤3、通过操控平台控制空气供给系统和氢气供给系统通入气体；

步骤4、通过操控平台设定负载进行加载；

步骤5、通过阻抗测试仪实时采集到的阻抗值，基于上述权利要求1-4中任意一项权利要求所述的燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，判断低温启动过程膜电极的结冰情况。

一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现上述燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法。

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低温启动过程膜电极结冰的判断方法，通过实时监测低温启动过程电堆的阻抗值可间接判断出启动过程膜电极是否结冰，对低温启动策略优化具有重要意义。

2、本发明提供的燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，具备简单、实用、有效的优点。

基于上述理由本发明可在质子交换膜燃料电池等领域广泛推广。

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为本发明方法流程图。

图2为本发明实施例提供的一次低温启动过程的电堆阻抗值变化示意图。

图3为本发明燃料电池测试系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，包括如下步骤：

S1、建立膜电极(MEA)内部水含量与阻抗值变化的对应关系，分析燃料电池低温启动过程阻抗值变化的原因，得到导致阻抗值变化的影响因素；

高频阻抗是表征燃料电池膜电极干湿状态的重要参数，由于膜内水含量与高频阻抗值存在对应关系，且阻抗值的测量较为简单，因此通常将高频阻抗值的测量作为膜内水含量的监测手段。具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1具体包括：

S11、计算燃料电池的阻抗值，其计算公式如下：

HFR＝R_totalA_mem

其中，A_mem表示膜的活性面积；R_total表示膜阻；

S12、计算膜阻R_total，其计算公式如下：

其中，δ_mem表示膜的厚度；κ表示电导率；A_i表示流道和脊处的面积；λ_i表示流道和脊处膜内含水量；

S13、基于步骤S12中膜阻R_total的计算公式，其公式中的电导率κ与膜内水含量存在如下函数关系：

其中，λ表示膜内水含量；T表示膜内温度；

S14、计算膜内水含量λ，其计算公式如下：

其中，EW表示膜的当量重量；ρ_mem表示膜的密度；

表示膜内水的浓度；

S15、基于上述步骤S11-步骤S14，得到：

从上式中得到，根据电导率κ与膜内水含量存在的函数关系可以看出温度的影响要远小于膜内水含量的影响，可忽略，因此，导致阻抗值变化的影响因素主要是膜内水含量，而膜内水含量变化的影响因素主要是膜内水的浓度。

S2、实时获取燃料电池的阻抗值；

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2实时获取燃料电池的阻抗值，具体为：

通过阻抗在线监测设备实时监测燃料电池的阻抗值。

S3、基于获取的燃料电池的阻抗值，通过低温启动过程燃料电池的阻抗值变化来间接判断膜电极的结冰情况。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3具体包括：

S31、在低温启动过程中，膜内水含量随着反应的进行发生变化，在低温存储前由于将电堆吹扫至较干的状态，因此在启动初期膜内水含量较低，电堆阻抗值较大；

S32、随着反应的进行，反应生成的水被离聚物吸收，其阻抗值不断降低，在膜内水含量达到饱和状态时，其阻抗值达到最低值；

S33、当膜内水含量达到饱和状态时，若电堆温度没有升高至0℃，则反应生成的水会逐渐结冰，离聚物内水的浓度降低，膜内水含量减小，电导率减小，膜阻增大，阻抗值增大；

S34、随着反应的进行，电堆温度逐渐升高，当电堆温度升高至0℃后，冰开始融化，离聚物内水的浓度升高，膜内水含量增大，电导率增大，膜阻减小，阻抗值减小。

为了验证本发明方法的有效性，如图2所示，本发明实施例提供了一次低温启动过程的电堆阻抗值变化示意图，从图中可以看出，在0-t₁时间段，电堆阻抗值迅速下降，这是因为随着反应的进行阴极侧氧的还原反应生成的水被质子交换膜吸收，对其起到了润湿作用进而阻抗值快速下降；在t₁-t₂时间段，质子交换膜以及阴极侧聚集的游离态水开始冻结，阻抗值随着冻结量的增大而逐渐升高；在t₂-t₃时间段，由于反应的进行，电堆温度逐渐升高，冻结的冰开始融化，阻抗值逐渐降低。

如图3所示，本发明提供了一种燃料电池低温启动测试系统，系统在运行时，执行上述燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法。该测试系统包括：燃料电池电堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统、系统控制器、负载、巡检、操控平台、阻抗测试仪以及低温箱。

一种燃料电池低温启动测试系统的使用方法，包括：

步骤1、将燃料电池电堆置于低温箱中，设置低温箱温度为-20℃，放置12小时；

步骤2、打开冷却系统，确认电堆出口温度为-20℃；

步骤3、通过操控平台控制空气供给系统和氢气供给系统通入气体；

步骤4、通过操控平台设定负载进行加载；

步骤5、通过阻抗测试仪实时采集到的阻抗值，基于上述燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，判断低温启动过程膜电极的结冰情况。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现上述燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法。

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 (7)

1.一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立膜电极内部水含量与阻抗值变化的对应关系，分析燃料电池低温启动过程阻抗值变化的原因，得到导致阻抗值变化的影响因素；

S2、实时获取燃料电池的阻抗值；

S3、基于获取的燃料电池的阻抗值，通过低温启动过程燃料电池的阻抗值变化来间接判断膜电极的结冰情况。

2.根据权利要求1所述的燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11、计算燃料电池的阻抗值，其计算公式如下：

HFR＝R_totalA_mem

其中，A_mem表示膜的活性面积；R_total表示膜阻；

S12、计算膜阻R_total，其计算公式如下：

i＝channel and land

其中，δ_mem表示膜的厚度；κ表示电导率；A_i表示流道和脊处的面积；λ_i表示流道和脊处膜内含水量；

S13、基于步骤S12中膜阻R_total的计算公式，其公式中的电导率κ与膜内水含量存在如下函数关系：

其中，λ表示膜内水含量；T表示膜内温度；

S14、计算膜内水含量λ，其计算公式如下：

其中，EW表示膜的当量重量；ρ_mem表示膜的密度；

表示膜内水的浓度；

S15、基于上述步骤S11-步骤S14，得到：

从上式中得到，导致阻抗值变化的影响因素主要是膜内水含量，而膜内水含量变化的影响因素主要是膜内水的浓度。

3.根据权利要求1所述的燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，其特征在于，所述步骤S2实时获取燃料电池的阻抗值，具体为：

通过阻抗在线监测设备实时监测燃料电池的阻抗值。

4.根据权利要求1所述的燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31、在低温启动过程中，膜内水含量随着反应的进行发生变化，在低温存储前由于将电堆吹扫至较干的状态，因此在启动初期膜内水含量较低，电堆阻抗值较大；

S32、随着反应的进行，反应生成的水被离聚物吸收，其阻抗值不断降低，在膜内水含量达到饱和状态时，其阻抗值达到最低值；

S33、当膜内水含量达到饱和状态时，若电堆温度没有升高至0℃，则反应生成的水会逐渐结冰，离聚物内水的浓度降低，膜内水含量减小，电导率减小，膜阻增大，阻抗值增大；

S34、随着反应的进行，电堆温度逐渐升高，当电堆温度升高至0℃后，冰开始融化，离聚物内水的浓度升高，膜内水含量增大，电导率增大，膜阻减小，阻抗值减小。

5.一种燃料电池低温启动测试系统，其特征在于，系统在运行时，执行上述权利要求1-4中任意一项权利要求所述的燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法。

6.一种燃料电池低温启动测试系统的使用方法，其特征在于，包括：

步骤1、将燃料电池电堆置于低温箱中，设置低温箱温度为-20℃，放置12小时；

步骤2、打开冷却系统，确认电堆出口温度为-20℃；

步骤3、通过操控平台控制空气供给系统和氢气供给系统通入气体；

步骤4、通过操控平台设定负载进行加载；

步骤5、通过阻抗测试仪实时采集到的阻抗值，基于上述权利要求1-4中任意一项权利要求所述的燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法，判断低温启动过程膜电极的结冰情况。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法。

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