CN112886037A - 燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提出一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法和装置，涉及质子交换膜燃料电池堆技术领域，其中，方法包括：在燃料电池堆阳极供给氢气、阴极供给惰性气体，控制燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势；向燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和各片燃料电池的电压信号；根据燃料电池激励‑响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻。本申请对电流或电压激励的形式无限定，极大地提升了膜电极参数测试的准确度和精度，也可极大地降低测试设备的成本。

Description

燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法和装置
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法和装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池是比较理想的车载动力源，受到广泛关注。随着燃料电池电堆功率需求的逐渐提升，燃料电池单堆膜电极数量已经提升到数百片，膜电极一致性对电堆性能和耐久性的影响愈加凸显。膜电极批量化测试和参数评价对于一致性筛选至关重要。传统的评价膜电极质量的参数一般包括催化剂活性面积、氢渗透电流。传统的电化学测试方法一般只能测试单节燃料电池，例如，循环伏安法只能测试单节燃料电池膜电极的催化剂活性面积，线性电位扫描法只能测试单节燃料电池膜电极的氢渗透电流。近年来已经发展出同步测试电堆多片膜电极参数的恒流充电解析方法，但是要求严格的高精度恒电流和高频率的电压采样，解析模型不完整、导致参数解析有固有误差，解析过程繁杂、极易造成误差传导。因此，现有膜电极多参数检测方法设备要求极高、测量及解析结果稳定性较差。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法，解决了现有方法的各种弊端，对电流或电压激励的形式无限定，电压采样频率的要求极低，解析模型完整、解析过程稳定性极高，极大地提升了膜电极参数测试的精度。
本申请的第二个目的在于提出一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置。
为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法，包括：
在燃料电池堆阳极供给氢气和燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制所述燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，以及所述燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势；
向所述燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片稳定浓差电势记为单片起始电压；
根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻；其中，所述燃料电池激励-响应公式为：
Figure BDA0002929554490000021
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，Re为短路电阻，t为时间。
本申请实施例的燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法，通过在燃料电池堆阳极供给氢气和燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势；向燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片稳定浓差电势记为单片起始电压；根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻。本申请对电流或电压激励的形式无限定，对电压采样频率的要求极低，解析模型完整、解析过程稳定性极高，极大地提升了膜电极参数测试的准确度和精度，也可极大地降低测试设备的成本。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述惰性气体包括但不限于氮气、氦气、氩气中的一种，若阴极供给空气，需要在盲端或阴极气体循环条件下放电消耗尽氧气，以此为阴极提供惰性气体环境。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述电压激励控制为所述燃料电池堆的电堆电压从稳定值升高到极限值；其中，所述电堆电压的极限值根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述微电流激励包括：恒电流激励和非恒电流激励；
所述微电流激励施加激励的终点根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值；
在使用高精度电源进行编程电流激励时，编程电流作为整堆实测电流。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述多次不同的电压激励或微电流激励为在激励电压的上升速率或激励电流的数值的不同。
可选地，在本申请的一个实施例中，在进行多次激励的过程中，按照预设时间间隔进行激励；其中，预设时间间隔根据在前一次激励完成后所有单片燃料电池的电压下降至所述浓差电势并维持预设时间确定。
可选地，在本申请的一个实施例中，在所述短路电阻大于预设电阻值时或忽略短路电阻影响进行简化处理时，所述燃料电池激励-响应公式转换为：
Figure BDA0002929554490000031
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，t为时间。
可选地，在本申请的一个实施例中，对每一单片燃料电池的数据进行单独解析，设定初始解析电压窗口为[U1,U2]，所述电压窗口对应氢脱附完成后、氧吸附开始前的电压区间，对所述电压窗口范围内所有数据进行处理，设定：
Figure BDA0002929554490000032
使用公式(1)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2+a3X3进行三元线性回归，解析得到各项系数，获取燃料电池膜电极多参数：
Figure BDA0002929554490000033
使用公式(2)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2进行二元线性回归，解析得到膜电极多参数：
iH＝a0,QCata.-H＝a1,Cdl＝a2 (5)
其中，QCata.-H为氢脱附电荷总量，可通过氢脱附电荷量解析出催化剂活性面积：
Figure BDA0002929554490000034
其中，ΓCata.是催化剂表面完全覆盖单层的吸附氢所需要的电荷量，LCata.是被测电极催化剂载量。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述的方法，还包括：
使用所述公式(1)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure BDA0002929554490000035
使用所述公式(2)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure BDA0002929554490000041
检验在所述电压窗口[U1,U2]内QCata.是否满足预设条件，若不满足，则调整电压窗口，重复解析，直到满足所述预设条件，其中，所预设条件为所述电压窗口内全部QCata.数据的标准差小于限定值。
为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置，包括：
设置模块，用于在燃料电池堆阳极供给氢气和燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制所述燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，以及所述燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势；
控制模块，用于向所述燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片浓差电势记为单片起始电压；
解析模块，用于根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻；其中，所述燃料电池激励-响应公式为：
Figure BDA0002929554490000042
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，Re为短路电阻，t为时间。
本申请实施例的燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置，通过在燃料电池堆阳极供给氢气和燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，以及燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势；向燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片稳定浓差电势记为单片起始电压；根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻。本申请对电流或电压激励的形式无限定，对电压采样频率的要求极低，解析模型完整、解析过程稳定性极高，极大地提升了膜电极参数测试的准确度和精度，也可极大地降低测试设备的成本。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述的装置，还包括：
控制模块，用于所述电压激励控制为所述燃料电池堆的电堆电压从稳定值升高到极限值；其中，所述电堆电压的极限值根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值；
所述微电流激励包括：恒电流激励和非恒电流激励，确定模块，用于所述微电流激励施加激励的终点根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值；其中，在使用高精度电源进行编程电流激励时，编程电流作为整堆实测电流。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述的装置，还包括：
激励模块，用于在进行多次激励的过程中，按照预设时间间隔进行激励；其中，预设时间间隔根据在前一次激励完成后所有单片燃料电池的电压下降至所述浓差电势并维持预设时间确定。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述的装置，还包括：
在所述短路电阻大于预设电阻值时或忽略短路电阻影响进行简化处理时，所述燃料电池激励-响应公式转换为：
Figure BDA0002929554490000051
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，t为时间；
对每一单片燃料电池的数据进行单独解析，设定初始解析电压窗口为[U1,U2]，所述电压窗口对应氢脱附完成后、氧吸附开始前的电压区间，对所述电压窗口范围内所有数据进行处理，设定：
Figure BDA0002929554490000052
第一解析模块，用于使用公式(1)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2+a3X3进行三元线性回归，解析得到各项系数，获取燃料电池膜电极多参数：
Figure BDA0002929554490000053
第二解析模块，用于使用公式(2)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2进行二元线性回归，解析得到膜电极多参数：
iH＝a0,QCata.-H＝a1,Cdl＝a2 (5)
其中，QCata.-H为氢脱附电荷总量，可通过氢脱附电荷量解析出催化剂活性面积：
Figure BDA0002929554490000061
其中，ΓCata.是催化剂表面完全覆盖单层的吸附氢所需要的电荷量，LCata.是被测电极催化剂载量；
在所述第一解析模块使用所述公式(1)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure BDA0002929554490000062
在所述第二解析模块使用所述公式(2)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure BDA0002929554490000063
检验模块，用于检验在所述电压窗口[U1,U2]内QCata.是否满足预设条件；
调整模块，用于若不满足，则调整电压窗口，重复解析，直到满足所述预设条件，其中，所述预设条件为所述电压窗口内全部QCata.数据的标准差小于限定值。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例一所提供的一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法的流程示意图；
图2为本申请实施例的燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法流程图；
图3为本申请实施例的膜电极多参数测量时的激励-电压响应图；
图4为本申请实施例的全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量反解图；
图5为本申请实施例所提供的一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法和装置。
图1为本申请实施例一所提供的一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法的流程示意图。
如图1所示，该燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法包括以下步骤：
步骤101，在燃料电池堆阳极供给氢气和燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，以及燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势。
步骤102，向燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片稳定浓差电势记为单片起始电压。
步骤103，根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻。
其中，燃料电池激励-响应公式为：
Figure BDA0002929554490000071
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，Re为短路电阻，t为时间。
在本申请实施例中，惰性气体包括但不限于氮气、氦气、氩气中的一种，若阴极供给空气，需要在盲端或阴极气体循环条件下放电消耗尽氧气，以此为阴极提供惰性气体环境。
在本申请实施例中，电压激励控制为燃料电池堆的电堆电压从稳定值升高到极限值；其中，电堆电压的极限值根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，响应电压小于安全电压阈值。
在本申请实施例中，微电流激励包括：恒电流激励和非恒电流激励；微电流激励施加激励的终点根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，响应电压小于安全电压阈值；在使用高精度电源进行编程电流激励时，编程电流作为整堆实测电流。
在本申请实施例中，多次不同的电压激励或微电流激励为在激励电压的上升速率或激励电流的数值的不同。
在本申请实施例中，在进行多次激励的过程中，按照预设时间间隔进行激励；其中，预设时间间隔根据在前一次激励完成后所有单片燃料电池的电压下降至稳定浓差电势并维持预设时间确定。
在本申请实施例中，在短路电阻大于预设电阻值时，燃料电池激励-响应公式转换为：
Figure BDA0002929554490000081
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，t为时间。
在本申请实施例中，对每一单片燃料电池的数据进行单独解析，设定初始解析电压窗口为[U1,U2]，电压窗口对应氢脱附完成后、氧吸附开始前的电压区间，对电压窗口范围内所有数据进行处理，设定：
Figure BDA0002929554490000082
使用公式(1)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2+a3X3进行三元线性回归，解析得到各项系数，获取燃料电池膜电极多参数：
Figure BDA0002929554490000083
使用公式(2)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2进行二元线性回归，解析得到膜电极多参数：
iH＝a0,QCata.-H＝a1,Cdl＝a2 (5)
其中，QCata.-H为氢脱附电荷总量，可通过氢脱附电荷量解析出催化剂活性面积：
Figure BDA0002929554490000084
其中，ΓCata.是催化剂表面完全覆盖单层的吸附氢所需要的电荷量，LCata.是被测电极催化剂载量。
在本申请实施例中，使用公式(1)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure BDA0002929554490000085
使用公式(2)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure BDA0002929554490000086
检验在电压窗口[U1,U2]内QCata.是否满足预设条件，若不满足，则调整电压窗口，重复解析，直到满足预设条件，其中，预设条件为电压窗口内全部QCata.数据的标准差小于限定值。
具体地，(1)气体供应和工况控制:向燃料电池堆阳极供给氢气、阴极供给惰性气体，控制燃料电池堆温度、气体背压、气体湿度稳定，等待各片燃料电池达到并维持稳定的浓差电势。惰性气体可选择氮气、氦气或氩气。
进一步地，如果阴极供给空气，需要在盲端或阴极气体循环条件下放电消耗尽氧气，以此为阴极提供惰性气体环境。
具体地，(2)施加激励并采集响应信号:使用外接电源，向燃料电池堆施加电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和各片燃料电池电压信号，将每次激励施加始点记为时间零点，将稳定的单片浓差电势记为单片起始电压，每次膜电极参数测量过程中需进行多次有区别的激励。区别体现在激励电压的上升速率或激励电流的数值。在进行多次激励的过程中，需等待前一次激励完成、所有单片电压降至浓差电势并稳定一段时间，再施加下一次激励。
进一步地，电压激励为控制电堆电压从稳定值升高到极限值，电堆电压极限值根据响应电压最高的单片确定，该单片响应电压不得超过安全阈值。微电流激励包括恒电流激励和非恒电流激励，激励施加终点根据响应电压最高的单片确定，该单片响应电压不得超过安全阈值。使用高精度电源进行编程电流激励时，该编程电流可作为整堆实测电流；使用一般电源激励时，必须实测整堆实时电流。
具体地，(3)参数解析：根据燃料电池激励-响应公式解析各片膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容、短路电阻。
作为一种场景举例，结合一款含7片燃料电池的电堆膜电极多参数测试具体阐述本发明专利实施方式，燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法流程图，如图2所示。测试及解析过程分为三个步骤：
(1)气体供应和工况控制：向燃料电池堆阳极供给氢气、阴极供给惰性气体，本实施例中惰性气体采用氮气，氢气流量为4SLPM，氮气流量为15.8SLPM，控制燃料电池堆温度为50℃、气体背压为0.2bar、气体相对湿度为100％，等待各片燃料电池达到并维持稳定的浓差电势。
(2)施加激励并采集响应信号：使用外接电源，向燃料电池堆施加电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和各片燃料电池电压信号，将每次激励施加始点记为时间零点，将稳定的单片浓差电势记为单片起始电压，每次膜电极参数测量过程中需进行多次有区别的激励。区别体现在激励电压的上升速率或激励电流的数值。在进行多次激励的过程中，需等待前一次激励完成、所有单片电压降至浓差电势并稳定一段时间，再施加下一次激励。电压激励为控制电堆电压从稳定值升高到极限值，电堆电压极限值根据响应电压最高的单片确定，该单片响应电压不得超过安全阈值。微电流激励包括恒电流激励和非恒电流激励，激励施加终点根据响应电压最高的单片确定，该单片响应电压不得超过安全阈值。使用高精度电源进行编程电流激励时，该编程电流可作为整堆实测电流；使用一般电源激励时，必须实测整堆实时电流。
本实施例中，采用高精度电源施加恒电流激励，多次激励电流密度分别为6mA·cm-2、7mA·cm-2、8mA·cm-2、9mA·cm-2、10mA·cm-2,在单片最高电压达到安全阈值0.8V时终止该次激励。使用数采系统采集燃料电池单片电压，电压采样频率为100Hz。电堆中第一单片的激励-电压响应图如图3所示。
(3)参数解析：根据燃料电池激励-响应公式解析各片膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容、短路电阻。
完整激励-响应公式为：
Figure BDA0002929554490000101
在进行简化处理或短路电阻过大时，可忽略电子短路项，采用简化激励-响应公式，简化激励-响应公式为：
Figure BDA0002929554490000102
式中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量(涉及氢脱附和氧吸附)，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，Re为短路电阻，t为时间。
在本实施例中，采用完整激励-响应公式开展解析。首先设定初始解析电压窗口为[0.4V,0.6V]，该电压窗口对应初始设定的氢脱附完成后、氧吸附开始前的电压区间，对电压窗口范围内所有数据进行处理，设定：
Figure BDA0002929554490000103
根据Y＝a0+a1X1+a2X2+a3X3进行三元线性回归，解析得到各项系数，即可得到膜电极多参数。第一单片的解析结果为：
iH＝a0＝4.13mA·cm-2,Qcata.-H＝a1＝46.95mC·cm-2
Figure BDA0002929554490000111
式中，QCata.-H为氢脱附电荷总量，可通过氢脱附电荷量解析出催化剂活性面积：
Figure BDA0002929554490000112
式中，ΓCata.是催化剂表面完全覆盖单层的吸附氢所需要的电荷量，LCata.是被测电极催化剂载量。
求解完成后，需对解析结果需进行反解验证。使用完整激励-响应公式解析时，需反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure BDA0002929554490000113
检验在电压窗口[0.4V，0.6V]内QCata.是否呈现严格平台现象，若平台现象不严格，需调整电压窗口，重复解析，直到满足验证要求，验证要求为调整后的电压窗口内全部QCata.数据的标准差低于限定值。
在本实施例中，第一单片在全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量反解图如图4所示，反解结果显示在电压窗口[0.4V，0.6V]内QCata.呈现严格平台现象，且电压窗口内全部QCata.数据的标准差低于限定值。测试及解析过程完成，所得解析结果即为最终得到的膜电极参数。
本申请实施例的燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法，通过在燃料电池堆阳极供给氢气和燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制燃料电池堆温度、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，以及燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势；向燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片稳定浓差电势记为单片起始电压；根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻。本申请同步检测电堆多片膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容、短路电阻，基本解决了膜电极参数测量的各种弊端，对电流或电压激励的形式无限定，电压采样频率的要求极低，解析模型完整、解析过程稳定性极高，极大地提升了膜电极参数测试的准确性和精度。
为了实现上述实施例，本申请还提出一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置。
图5为本申请实施例提供的一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置的结构示意图。
如图5所示，该燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置包括：设置模块510、控制模块520和解析模块530。
设置模块510，用于在燃料电池堆阳极供给氢气和燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制所述燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，以及所述燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势。
控制模块520，用于向所述燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片气体流量浓差电势记为单片起始电压。
解析模块530，用于根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻；其中，所述燃料电池激励-响应公式为：
Figure BDA0002929554490000121
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，Re为短路电阻，t为时间。
本申请实施例的燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置，通过在燃料电池堆阳极供给氢气和燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，以及燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势；向燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片稳定浓差电势记为单片起始电压；根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻。由此，同步检测电堆多片膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容、短路电阻，基本解决了膜电极参数测量的各种弊端，对电流或电压激励的形式无限定，电压采样频率的要求极低，解析模型完整、解析过程稳定性极高，极大地提升了膜电极参数测试的准确性和精度。
在本申请的一个实施例中，所述的装置，还包括：控制模块，用于所述电压激励控制为所述燃料电池堆的电堆电压从稳定值升高到极限值；其中，所述电堆电压的极限值根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值；所述微电流激励包括：恒电流激励和非恒电流激励，确定模块，用于所述微电流激励施加激励的终点根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值；其中，在使用高精度电源进行编程电流激励时，编程电流作为整堆实测电流。
在本申请的一个实施例中，所述的装置，还包括：激励模块，用于在进行多次激励的过程中，按照预设时间间隔进行激励；其中，预设时间间隔根据在前一次激励完成后所有单片燃料电池的电压下降至所述浓差电势并维持预设时间确定。
在本申请的一个实施例中，所述的装置，还包括：在所述短路电阻大于预设电阻值时或忽略短路电阻影响进行简化处理时，所述燃料电池激励-响应公式转换为：
Figure BDA0002929554490000131
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，t为时间；对每一单片燃料电池的数据进行单独解析，设定初始解析电压窗口为[U1,U2]，所述电压窗口对应氢脱附完成后、氧吸附开始前的电压区间，对所述电压窗口范围内所有数据进行处理，设定：
Figure BDA0002929554490000132
第一解析模块，用于使用公式(1)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2+a3X3进行三元线性回归，解析得到各项系数，获取燃料电池膜电极多参数：
Figure BDA0002929554490000133
第二解析模块，用于使用公式(2)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2进行二元线性回归，解析得到膜电极多参数：
iH＝a0,QCata.-H＝a1,Cdl＝a2 (5)
其中，QCata.-H为氢脱附电荷总量，可通过氢脱附电荷量解析出催化剂活性面积：
Figure BDA0002929554490000134
其中，ΓCata.是催化剂表面完全覆盖单层的吸附氢所需要的电荷量，LCata.是被测电极催化剂载量；
在所述第一解析模块使用所述公式(1)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure BDA0002929554490000141
在所述第二解析模块使用所述公式(2)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure BDA0002929554490000142
检验模块，用于检验在所述电压窗口[U1,U2]内QCata.是否满足预设条件；
调整模块，用于若不满足，则调整电压窗口，重复解析，直到满足所述预设条件，其中，所述预设条件为所述电压窗口内全部QCata.数据的标准差小于限定值。
需要说明的是，前述对燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法实施例的解释说明也适用于该实施例的燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置，此处不再赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在燃料电池堆阳极供给氢气、燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制所述燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，以及所述燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势；
向所述燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片稳定浓差电势记为单片起始电压；
根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻；其中，所述燃料电池激励-响应公式为：
Figure FDA0002929554480000011
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，Re为短路电阻，t为时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述电压激励控制为所述燃料电池堆的电堆电压从稳定值升高到极限值；其中，所述电堆电压的极限值根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微电流激励包括：恒电流激励和非恒电流激励；
所述微电流激励施加激励的终点根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值；
在使用高精度电源进行编程电流激励时，编程电流作为整堆实测电流。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行多次激励的过程中，按照预设时间间隔进行激励；其中，预设时间间隔根据在前一次激励完成后所有单片燃料电池的电压下降至所述浓差电势并维持预设时间确定。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述短路电阻大于预设电阻值时或忽略短路电阻影响进行简化处理时，所述燃料电池激励-响应公式转换为：
Figure FDA0002929554480000021
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，t为时间。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，对每一单片燃料电池的数据进行单独解析，设定初始解析电压窗口为[U1,U2]，所述电压窗口对应氢脱附完成后、氧吸附开始前的电压区间，对所述电压窗口范围内所有数据进行处理，设定：
Figure FDA0002929554480000022
使用公式(1)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2+a3X3进行三元线性回归，解析得到各项系数，获取燃料电池膜电极多参数：
Figure FDA0002929554480000023
使用公式(2)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2进行二元线性回归，解析得到膜电极多参数：
iH＝a0,QCata.-H＝a1,Cdl＝a2 (5)
其中，QCata.-H为氢脱附电荷总量，可通过氢脱附电荷量解析出催化剂活性面积：
Figure FDA0002929554480000024
其中，ΓCata.是催化剂表面完全覆盖单层的吸附氢所需要的电荷量，LCata.是被测电极催化剂载量；
使用所述公式(1)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure FDA0002929554480000025
使用所述公式(2)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure FDA0002929554480000031
检验在所述电压窗口[U1,U2]内QCata.是否满足预设条件，若不满足，则调整电压窗口，重复解析，直到满足所述预设条件，其中，所述预设条件为所述电压窗口内全部QCata.数据的标准差小于限定值。
7.一种燃料电池堆多片膜电极多参数同步检测装置，其特征在于，包括：
设置模块，用于在燃料电池堆阳极供给氢气和燃料电池堆阴极供给惰性气体，控制所述燃料电池堆温度、气体流量、气体背压和气体湿度分别维持对应的预设数值，以及所述燃料电池堆中的各片燃料电池维持在稳定浓差电势；
控制模块，用于向所述燃料电池堆施加多次不同的电压激励或微电流激励，采集整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，其中，每次激励施加始点记为时间零点，将各单片浓差电势记为单片起始电压；
解析模块，用于根据燃料电池激励-响应公式解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻；其中，所述燃料电池激励-响应公式为：
Figure FDA0002929554480000032
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，Re为短路电阻，t为时间。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
控制模块，用于所述电压激励控制为所述燃料电池堆的电堆电压从稳定值升高到极限值；其中，所述电堆电压的极限值根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值；
所述微电流激励包括：恒电流激励和非恒电流激励，确定模块，用于所述微电流激励施加激励的终点根据响应电压最高的单片燃料电池确定，其中，所述响应电压小于安全电压阈值；其中，在使用高精度电源进行编程电流激励时，编程电流作为整堆实测电流。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
激励模块，用于在进行多次激励的过程中，按照预设时间间隔进行激励；其中，预设时间间隔根据在前一次激励完成后所有单片燃料电池的电压下降至所述浓差电势并维持预设时间确定。
10.如权利要求7-9任一项所述的装置，其特征在于，还包括：
在所述短路电阻大于预设电阻值时或忽略短路电阻影响进行简化处理时，所述燃料电池激励-响应公式转换为：
Figure FDA0002929554480000041
其中，ich为实时激励电流密度或电压激励时的实时响应电流密度，iH为氢渗透电流密度，QCata.为实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Cdl为双电层电容，U为单片电池实时电压，U0为单次激励的单片起始电压，t为时间；
对每一单片燃料电池的数据进行单独解析，设定初始解析电压窗口为[U1,U2]，所述电压窗口对应氢脱附完成后、氧吸附开始前的电压区间，对所述电压窗口范围内所有数据进行处理，设定：
Figure FDA0002929554480000042
第一解析模块，用于使用公式(1)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2+a3X3进行三元线性回归，解析得到各项系数，获取燃料电池膜电极多参数：
Figure FDA0002929554480000043
第二解析模块，用于使用公式(2)进行解析，则根据Y＝a0+a1X1+a2X2进行二元线性回归，解析得到膜电极多参数：
iH＝a0,QCata.-H＝a1,Cdl＝a2 (5)
其中，QCata.-H为氢脱附电荷总量，可通过氢脱附电荷量解析出催化剂活性面积：
Figure FDA0002929554480000044
其中，ΓCata.是催化剂表面完全覆盖单层的吸附氢所需要的电荷量，LCata.是被测电极催化剂载量；
在所述第一解析模块使用所述公式(1)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure FDA0002929554480000051
在所述第二解析模块使用所述公式(2)解析时，反解全部激励条件下全电压范围内实时催化剂表面吸脱附电荷总量：
Figure FDA0002929554480000052
检验模块，用于检验在所述电压窗口[U1,U2]内QCata.是否满足预设条件；
调整模块，用于若不满足，则调整电压窗口，重复解析，直到满足所述预设条件，其中，所述预设条件为所述电压窗口内全部QCata.数据的标准差小于限定值。
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