CN112909300A - 一种燃料电池停机吹扫的判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池停机吹扫的判定方法，包括如下步骤：步骤一、将燃料电池进行充分活化，确保电池性能稳定；步骤二、对燃料电池进行吹扫，吹扫过程中保持冷却系统开启，维持水温恒定；通过操控平台设定空气供给系统与氢气供给系统按500mA/cm2电流密度的操作条件供应气体，按50mA/cm2电流密度对燃料电池施加电流；步骤三、利用电压测试仪与阻抗测试仪实时监测吹扫过程电压与阻抗变化，验证电压与阻抗间的对应关系，利用电压值的变化作为燃料电池干湿状态的判断依据。本发明简单、实用、有效，通过实时监测到的电压值来判断电池吹扫过程的干湿状态，与现有技术相比，无需额外阻抗测试仪，易于实现，在实际车载燃料电池系统使用中具有很强的实用性。

Description

一种燃料电池停机吹扫的判定方法
技术领域
本发明涉及电池停机吹扫技术领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池停机吹扫的判定方法。
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。电池在正常运行停机后需要进行吹扫，而在低温条件下对吹扫要求更加严苛。吹扫结束时膜电极(MEA)的干湿状态至关重要，吹扫过干会导致质子交换膜中的水含量过低导致质子交换膜脱水，加速其机械衰减；吹扫不彻底会因液态水结冰而破坏MEA结构。在实验室条件下可以通过阻抗仪测得阻抗值来判断其水含量，进而判断吹扫是否达到要求，但在车用工况下该方法缺乏实用性与经济性，现阶段的公开文献中缺乏直观、有效的方法来监测堆内水含量，如何判断吹扫是否达到要求是一个技术难题。
现有技术中，燃料电池停机吹扫的判定方法有：(1)一种燃料电池吹扫装置及其控制方法，该燃料电池吹扫装置包括控制单元、检测单元和吹扫单元，其吹扫判断标准是通过控制单元中的阻抗仪读取的阻抗值来判断是否达到吹扫要求。但控制单元利用测得的阻抗值来对吹扫状态进行判断，这需要在燃料电池系统中加入在线阻抗测试仪，这增加了系统的成本及复杂性。(2)燃料电池停机吹扫方法，提出了一种降低吹扫功耗方法，其通过阻抗仪测得的交流阻抗值来判定电堆吹扫过程中不同阶段的吹扫状态，进而采取相应的吹扫控制策略以降低吹扫功耗，电堆吹扫状态的判断也是以阻抗值作为依据。但其提出的降低吹扫功耗的方法同样是基于阻抗测试仪测得的阻抗值来对吹扫策略进行实时调节，同样增加了系统的成本及复杂性。(3)燃料电池系统及其低温吹扫方法，通过冷却系统将进入电堆的冷却液的温度调节至预设温度范围，使燃料电池系统内的水蒸气冷凝成液态水，在吹扫过程中通过实施采集到的阳极和阴极侧的流阻来判断吹扫是否达到要求。虽然其提出的利用阴极和阳极流阻的变化来作为吹扫判断的标准具有一定可实施性，但对压力的测量精度要求较高，供气系统压力的波动对测量的准确性影响较大。
发明内容
根据上述提出的现有判定方法存在的控制单元利用测得的阻抗值来对吹扫状态进行判断，需要在燃料电池系统中加入在线阻抗测试仪，增加了系统的成本及复杂性；基于阻抗测试仪测得的阻抗值来对吹扫策略进行实时调节，同样增加了系统的成本及复杂性；虽然提出的利用阴极和阳极流阻的变化来作为吹扫判断的标准具有一定可实施性，但对压力的测量精度要求较高，供气系统压力的波动对测量的准确性影响较大的技术问题，而提供一种燃料电池停机吹扫的判定方法。本发明主要通过建立燃料电池电压与电池干湿状态间的对应关系，利用吹扫过程电池电压的变化来间接判断电池的干湿状态，将电压作为吹扫标准的判断依据。
本发明采用的技术手段如下：
一种燃料电池停机吹扫的判定方法，包括如下步骤：
步骤一、将燃料电池进行充分活化，确保电池性能稳定；
步骤二、对燃料电池进行吹扫，吹扫过程中保持冷却系统开启，维持水温恒定；通过操控平台设定空气供给系统与氢气供给系统按500mA/cm2电流密度的操作条件供应气体，按50mA/cm2电流密度对燃料电池施加电流；
步骤三、利用电压测试仪与阻抗测试仪实时监测吹扫过程电压与阻抗变化，验证电压与阻抗间的对应关系，利用电压值的变化作为燃料电池干湿状态的判断依据。
进一步地，在吹扫过程中，吹扫初期主要是移除流道内的自由水，此过程中燃料电池内部质子交换膜内水含量基本保持不变，离子电阻不变，因此电压相对稳定；随着吹扫的继续进行，聚合物内水含量逐渐降低，离子电导率逐渐升高，欧姆极化变大，导致电堆电压降低；当反应生成的水与吹扫气体所携带走的水达到动态平衡时膜内水含量趋于稳定，电压趋于稳定；因此，根据吹扫过程电压的变化来判断电池内部水的移除过程，进而判断电池内部的干湿状态。
进一步地，建立吹扫过程中电压与质子交换膜内水含量间的对应关系，据此关系可通过电压值来判断电堆内部水含量，作为吹扫结束的判断标准；
其中，利用阻抗测试仪测量阻抗值进而间接反应其含水量，根据吹扫过程电压值的变化建立起同阻抗值的关系，阻抗值的变化反应出燃料电池的干湿状态，进而利用电压值来间接判断电池的吹扫状态。
进一步地，吹扫过程中燃料电池电压的变化满足如下公式：
ΔV＝V1-V2＝(Ethermo-ηact1-ηohmic1-ηconc1)-(Ethermo-ηact2-ηohmic2-ηconc2)
式中，ΔV为吹扫过程中燃料电池电压的变化；V1为吹扫初始时刻的电压值；V2为吹扫结束时刻的电压值；Ethermo为热力学可逆电压；ηact1为吹扫初始时刻由反应动力学引起的活化损耗；ηohmic1为吹扫初始时刻由离子和质子传导引起的欧姆损耗；ηconc1为吹扫初始时刻由质量传输引起的浓度损耗；ηact2为吹扫结束时刻由反应动力学引起的活化损耗；ηohmic2为吹扫结束时刻由离子和质子传导引起的欧姆损耗；ηconc2为吹扫结束时刻由质量传输引起的浓度损耗。
进一步地，在燃料电池电堆停机吹扫时，利用大气量、低载荷的条件进行吹扫，在此种状态下，电堆活化损耗ηact与浓度损耗ηconc基本维持不变，吹扫过程电堆电压的变化主要受欧姆极化影响，此时，吹扫过程中燃料电池电压的变化满足如下公式：
ΔV＝V1-V2＝ηohmic2-ηohmic1。
进一步地，所述欧姆损耗满足如下公式：
ηohmic＝(ΩBP+ΩGDL+ΩMPL+ΩCL+Ωm)I
式中，ΩBP、ΩGDL和ΩMPL由电子电阻构成，ΩCL和Ωm包含电子电阻和离子电阻两部分，吹扫过程中，电子电阻与离子电阻相比可忽略不计，离子电阻与聚合物内水含量密切相关。
进一步地，聚物内的离子电导率k满足如下公式：
Figure BDA0002917637300000041
式中，λ为膜内水含量，T为该时刻的温度。
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停机吹扫的判定方法，简单、实用、有效，通过实时监测到的电压值来判断电池吹扫过程的干湿状态，与现有技术相比，无需额外阻抗测试仪，易于实现，在实际车载燃料电池系统使用中具有很强的实用性。
2、本发明提供的燃料电池停机吹扫的判定方法，建立燃料电池电压与电池干湿状态间的对应关系，利用吹扫过程电池电压的变化来间接判断电池的干湿状态，将电压作为吹扫标准的判断依据。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有判定方法存在的控制单元利用测得的阻抗值来对吹扫状态进行判断，需要在燃料电池系统中加入在线阻抗测试仪，增加了系统的成本及复杂性；基于阻抗测试仪测得的阻抗值来对吹扫策略进行实时调节，同样增加了系统的成本及复杂性；虽然提出的利用阴极和阳极流阻的变化来作为吹扫判断的标准具有一定可实施性，但对压力的测量精度要求较高，供气系统压力的波动对测量的准确性影响较大的问题。
基于上述理由本发明可在电池停机吹扫等领域广泛推广。
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为本发明燃料电池停机吹扫测试系统示意图。
图2为本发明吹扫过程电堆电压与阻抗值对应关系。
图3为本发明燃料电池吹扫过程示意图。
图中：1、操控平台；2、空气供给系统；3、冷却系统；4、氢气供给系统；5、电压测试仪；6、阻抗测试仪；7、燃料电池。
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1所示，本发明提供了一种燃料电池停机吹扫的判定方法，包括如下步骤：
步骤一、将燃料电池7进行充分活化，确保燃料电池7性能稳定；
步骤二、对燃料电池7进行吹扫，吹扫过程中保持冷却系统3开启，维持水温恒定；通过操控平台1设定空气供给系统2与氢气供给系统4按500mA/cm2电流密度的操作条件供应气体，按50mA/cm2电流密度对燃料电池7施加电流；
步骤三、利用电压测试仪5与阻抗测试仪6实时监测吹扫过程电压与阻抗变化，验证电压与阻抗间的对应关系，利用电压值的变化作为燃料电池7干湿状态的判断依据。
实施例1
本发明利用燃料电池输出电压作为判断燃料电池停机吹扫依据的原理：
燃料电池停机吹扫的目的是将反应过程中生成的大量的游离态水移除，且需维持质子交换膜内适宜的水含量。
整个吹扫过程主要分为流道中水的移除和膜电极内部水的移除两个过程，可将燃料电池内部水含量与电压的变化建立起对应关系。
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，吹扫过程中电池电压的变化可由公式(1)表示：
ΔV＝V1-V2＝(Ethermo-ηact1-ηohmic1-ηconc1)-(Ethermo-ηact2-ηohmic2-ηconc2) (1)
式中，ΔV为吹扫过程中燃料电池电压的变化；V1为吹扫初始时刻的电压值；V2为吹扫结束时刻的电压值；Ethermo为热力学可逆电压；ηact1为吹扫初始时刻由反应动力学引起的活化损耗；ηohmic1为吹扫初始时刻由离子和质子传导引起的欧姆损耗；ηconc1为吹扫初始时刻由质量传输引起的浓度损耗；ηact2为吹扫结束时刻由反应动力学引起的活化损耗；ηohmic2为吹扫结束时刻由离子和质子传导引起的欧姆损耗；ηconc2为吹扫结束时刻由质量传输引起的浓度损耗。
在燃料电池电堆停机吹扫时，利用大气量、低载荷的条件进行吹扫，在此种状态下，电堆活化损耗ηact与浓度损耗ηconc基本维持不变，吹扫过程电堆电压的变化主要受欧姆极化影响，公式(1)可以简化为公式(2)，即：
ΔV＝V1-V2＝ηohmic2-ηohmic1 (2)
而欧姆极化(欧姆损耗)可由公式(3)计算：
ηohmic＝(ΩBP+ΩGDL+ΩMPL+ΩCL+Ωm)I (3)
式中，ΩBP、ΩGDL和ΩMPL三部分主要由电子电阻构成，而ΩCL和Ωm包含电子电阻和离子电阻两部分，在吹扫过程中，电子电阻与离子电阻相比可忽略不计，而离子电阻与聚合物内水含量密切相关，聚物内的离子电导率可由公式(4)计算：
Figure BDA0002917637300000071
式中，λ为膜内水含量，T为该时刻的温度。
由以上三式可以建立起吹扫过程中电压与膜内水含量间的对应关系V＝f(λ)，据此关系可通过电压值来判断电堆内部水含量，作为吹扫结束的判断标准。
在吹扫过程中，吹扫初期主要是移除流道内的自由水，此过程中膜内水含量基本保持不变，离子电阻不变，因此电压相对稳定；随着吹扫的继续进行，聚合物内水含量逐渐降低，离子电导率逐渐升高，欧姆极化变大，导致电堆电压降低；当反应生成的水与吹扫气体所携带走的水达到动态平衡时膜内的水含量趋于稳定，电压趋于稳定。因此，可根据吹扫过程电压的变化来判断电池内部水的移除过程，判断电池内部的干湿状态。
实施例2
如图3所示为该实施例吹扫过程中电池平均电压、水温和加载电流随时间的变化曲线，吹扫过程中主要控制参数保持恒定，电压随吹扫时间变化。
在实验过程中由于无法直接得到电池内部质子交换膜的含水量，通常利用阻抗仪测量阻抗值进而间接反应其含水量的多少，因此可以将本发明中提及的电压作为判断吹扫依据的方法与吹扫过程阻抗值的变化进行比较，说明本方法的可实施性，如图2所示为吹扫过程电堆电压与阻抗值变化的对应关系。
由图2可知，阻抗值与电压值的变化表现出很强的相关性，0-t1电池阻抗值与电压值相对稳定，此过程主要是移除流道内的大量反应生成水以及MEA内的自由水；t1-t2电池阻抗值快速升高的同时电压快速下降，此过程中吹扫气体将MEA内的水大量移除致使其阻抗值快速升高，受欧姆极化的影响电压随之下降；t2-t3电池阻抗值与电压值再次稳定，此过程中电池内部反应生成的水与吹扫气体所携带走的水达到动态平衡，电压值与阻抗值趋于稳定。因此，可以根据吹扫过程电压值的变化建立起同阻抗值的关系，而阻抗值的变化可以反应出电池的干湿状态，进而证明可以利用电压值来间接判断电池的吹扫状态。
本发明提出的燃料电池吹扫判定方法通过建立燃料电池电压与电池干湿状态间的对应关系，利用吹扫过程电池电压的变化来间接判断电池的干湿状态，将电压作为吹扫标准的判断依据，本发明方法简单、实用、有效，该方法通过实时监测到的电压值来判断电池吹扫过程的干湿状态，与现有技术相比，无需额外阻抗测试仪，易于实现，在实际车载燃料电池系统使用中具有很强的实用性。
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)

1.一种燃料电池停机吹扫的判定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将燃料电池进行充分活化，确保电池性能稳定；
步骤二、对燃料电池进行吹扫，吹扫过程中保持冷却系统开启，维持水温恒定；通过操控平台设定空气供给系统与氢气供给系统按500mA/cm2电流密度的操作条件供应气体，按50mA/cm2电流密度对燃料电池施加电流；
步骤三、利用电压测试仪与阻抗测试仪实时监测吹扫过程电压与阻抗变化，验证电压与阻抗间的对应关系，利用电压值的变化作为燃料电池干湿状态的判断依据。
2.根据权利要求1所述的燃料电池停机吹扫的判定方法，其特征在于，在吹扫过程中，吹扫初期主要是移除流道内的自由水，此过程中燃料电池内部质子交换膜内水含量基本保持不变，离子电阻不变，因此电压相对稳定；随着吹扫的继续进行，聚合物内水含量逐渐降低，离子电导率逐渐升高，欧姆极化变大，导致电堆电压降低；当反应生成的水与吹扫气体所携带走的水达到动态平衡时膜内水含量趋于稳定，电压趋于稳定；因此，根据吹扫过程电压的变化来判断电池内部水的移除过程，进而判断电池内部的干湿状态。
3.根据权利要求2所述的燃料电池停机吹扫的判定方法，其特征在于，建立吹扫过程中电压与质子交换膜内水含量间的对应关系，据此关系可通过电压值来判断电堆内部水含量，作为吹扫结束的判断标准；
其中，利用阻抗测试仪测量阻抗值进而间接反应其含水量，根据吹扫过程电压值的变化建立起同阻抗值的关系，阻抗值的变化反应出燃料电池的干湿状态，进而利用电压值来间接判断电池的吹扫状态。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池停机吹扫的判定方法，其特征在于，吹扫过程中燃料电池电压的变化满足如下公式：
ΔV＝V1-V2＝(Ethermo-ηact1-ηohmic1-ηconc1)-(Ethermo-ηact2-ηohmic2-ηconc2)
式中，ΔV为吹扫过程中燃料电池电压的变化；V1为吹扫初始时刻的电压值；V2为吹扫结束时刻的电压值；Ethermo为热力学可逆电压；ηact1为吹扫初始时刻由反应动力学引起的活化损耗；ηohmic1为吹扫初始时刻由离子和质子传导引起的欧姆损耗；ηconc1为吹扫初始时刻由质量传输引起的浓度损耗；ηact2为吹扫结束时刻由反应动力学引起的活化损耗；ηohmic2为吹扫结束时刻由离子和质子传导引起的欧姆损耗；ηconc2为吹扫结束时刻由质量传输引起的浓度损耗。
5.根据权利要求4所述的燃料电池停机吹扫的判定方法，其特征在于，在燃料电池电堆停机吹扫时，利用大气量、低载荷的条件进行吹扫，在此种状态下，电堆活化损耗ηact与浓度损耗ηconc基本维持不变，吹扫过程电堆电压的变化主要受欧姆极化影响，此时，吹扫过程中燃料电池电压的变化满足如下公式：
ΔV＝V1-V2＝ηohmic2-ηohmic1。
6.根据权利要求5所述的燃料电池停机吹扫的判定方法，其特征在于，所述欧姆损耗满足如下公式：
ηohmic＝(ΩBP+ΩGDL+ΩMPL+ΩCL+Ωm)I
式中，ΩBP、ΩGDL和ΩMPL由电子电阻构成，ΩCL和Ωm包含电子电阻和离子电阻两部分，吹扫过程中，电子电阻与离子电阻相比可忽略不计，离子电阻与聚合物内水含量密切相关。
7.根据权利要求6所述的燃料电池停机吹扫的判定方法，其特征在于，聚物内的离子电导率k满足如下公式：
Figure FDA0002917637290000021
式中，λ为膜内水含量，T为该时刻的温度。
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