CN112993334B - 燃料电池电堆无外增湿的启动及测试方法 - Google Patents

燃料电池电堆无外增湿的启动及测试方法 Download PDF

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Abstract

燃料电池电堆无外增湿的启动及测试方法，测试中电堆不用设置加湿器，启动及测试方法包括两步；第一步：阳极使用氢循环模式，阴极采用干空气进气模式，根据设置的条件参数快速升载到额定电压，然后控制电堆循环水入口温度在70℃并维持不变；第二步：根据不同电流密度下的操作条件参数进行降载，在测试时，在整个降载过程中，电堆的高频阻抗值保持相对稳定，进行IV曲线测试并记录电堆各个性能参数。不需采用阴极加湿方案对空气加湿，而且仍然有利于减小PEM的干湿循环，并增加PEM的寿命。简省加湿器配置，有利于降低燃料电池系统价格，顺应燃料电池的发展趋势。

Description

燃料电池电堆无外增湿的启动及测试方法
技术领域
本发明涉及IPC分类H01M8/00燃料电池及其制造技术，尤其是燃料电池电堆无外增湿的启动及测试方法。
背景技术
燃料电池测试技术主要包括三个部分：第一是燃料电池关键部件的基础性能测试；第二是燃料电池关键部件的稳定性测试；第三是燃料电池堆和燃料电池系统的性能测试。当前发达国家对车用燃料电池的发展非常重视，制定一系列与燃料电池关键零部件有关的国家标准，主要涉及质子交换膜、催化剂、膜电极和双电板等部件的性能测试。
上海捷氢科技有限公司在中国专利申请202010616238.2中提供了一种燃料电池电堆工况的测试系统及测试方法，通过调整所述氢气旁路调压阀和所述排氢电磁阀的动作策略，实现对进入所述燃料电池电堆的氢气的压力和流量进行控制，以及通过调整所述空压机和所述排空背压阀的动作策略，实现对进入所述燃料电池电堆的环境空气的压力和流量进行控制。也就是说，该测试系统可以快速准确的对氢气和空气的压力和流量进行控制，同时结合氢气循环泵，可以模拟氢气的循环，从而最大限度的复现电堆在燃料电池系统中的动态工作情况。
在已经公开的专利文献中，可见目前市场上的车用燃料电池系统，基本上都采用阴极加湿方案对空气加湿，例如专利CN207765543U，CN211125841U等。这种方式有利于减小PEM的干湿循环并且增加PEM的寿命。
但是目前主流的车用加湿器可选择方案较少，并且加湿器的价格也十分昂贵，这不利于降低燃料电池系统价格，有悖于燃料电池的发展趋势。
本领域内对于车用燃料电池系统开发而言，追求在保证电堆可靠性和寿命的前提下，测试系统零部件越少，不但电堆故障率会必然越低，而且电堆价格也会显著越低，但是现有技术无法简省外加湿环节。
发明内容
本发明的目的是提供燃料电池电堆无外增湿的启动及测试方法，不需采用阴极加湿方案对空气加湿，而且仍然有利于减小PEM的干湿循环。
本发明的目的将通过以下技术措施来实现：一种用于燃料电池电堆无外增湿的启动及测试方法，在无外增湿的条件下，燃料电池电堆的启动和测试方法，包括两步；第一步：阳极使用氢循环模式，阴极采用干空气进气模式，根据设置的条件参数快速升载到额定电压，通过常温快速启动升载，使得电流在较低电堆温度下快速增加，在短时间内，膜电极产生的水满足低温时MEA自身所需，在整个快速启动过程中，电堆的高频阻抗值相对稳定，控制电堆循环水入口温度在70℃并维持不变；第二步：根据不同电流密度下的操作条件参数进行降载；在大电流时，MEA阴极侧会产生大量的水，而其中部分的水从阴极反渗透至阳极，通过阳极氢循环，使得阳极满足阳极气体相对湿度要求；而中低电流密度下，通过降低电堆温度，MEA阴极侧自身产生的水也满足低温时阴/阳极气体所需相对湿度要求；在整个降载过程中，电堆的高频阻抗值保持相对稳定，在测试时，进行IV曲线测试并记录电堆各个性能参数。
尤其是，第一步中，采用14节短堆启动程序，启动时的主要参数表如下表a，第二步中，在测试时，IV曲线对应的参数序列，如下图表b：
Figure GDA0003460800380000021
Figure GDA0003460800380000031
表a.干空气启动操作条件表
Figure GDA0003460800380000032
表b.干空气IV测试操作条件表
电堆启动进程时间以15秒为单位，从0秒至252秒，电流以30A为递增单位，由0A逐段增加540A；电流密度以15秒为一个密集点，由0逐点增大到1.8A/cm-2，待电堆入水口温度维持70℃恒电流放电直到功率密度接近1.15Wcm-2，各个单电池电压正常、平均阻抗62±1mΩcm2，极差小于40mV，其他各个参数正常，然后开始按照操作条件进行降载极化曲线。
本发明的优点和效果：在无外增湿的条件下，通过根据不同电流密度下的操作条件参数进行降载，实现常温快速启动升载，顺利实现金属板电堆在室温下顺利启动，简省加湿器配置，突破现有技术瓶颈，顺应燃料电池的发展趋势，有利于降低电堆故障率，降低燃料电池系统价格，有利于降低燃料电池系统价格，并增加PEM的寿命。
附图说明
图1、3、5为本发明实施例1、2、3中测试方法启动程序示意图。
图2、4、6为本发明实施例1、2、3中测试方法IV曲线图。
具体实施方式
本发明原理在于，创新电堆启动方法，同时，根据不同电流密度下的操作条件参数进行降载，实现在简省加湿工序和设备同时顺利实现电堆启动升载，开发一种无外增湿的燃料电池电堆测试系统。
本发明包含二个创新点，其一是快速启动流程，其二是降载极化曲线。第一步和第二步两个过程的控制流程的策略组合确保电堆性能正常。本发明研究发现，其中，创新点一，启动流程快速升载，确保干空气下阻抗正常电池正常。如果启动时间过长，电堆会过干，造成阻抗异常，使得电池放电异常；而如果启动时间过短，则会导致温度变化极度异常，电池极差过大，也使得电池放电异常。创新点二，降载极化曲线降温降载确保阻抗正常确保电池电压正常。如果在降载过程中不进行控温，会发生电池阻抗异常，并且极化曲线异常。而如果降载过程温度控制不合理，势必极差异常，放电异常。这些现象和原理与当前主流加湿器方案的情况均不同，是本发明与现有技术的显著区别。
本发明中，在无外增湿的条件下，燃料电池电堆的启动方法，包括两步；第一步：阳极使用氢循环模式，阴极采用干空气进气模式，根据设置的条件参数快速升载到额定电压，然后，控制电堆循环水入口温度在70℃并维持不变；第二步：根据不同电流密度下的操作条件参数进行降载；在测试时，进行IV曲线测试并记录电堆各个性能参数。
本发明中，步骤一通过常温快速启动升载，使得电流在较低电堆温度下快速增加，在短时间内，膜电极产生的水满足低温时MEA自身所需，无需加湿；在整个快速启动过程中，电堆的高频阻抗值相对稳定，并与有加湿器加湿条件下相当；步骤二中，在大电流时，MEA阴极侧会产生大量的水，而其中部分的水从阴极反渗透至阳极，通过阳极氢循环，使得阳极满足阳极气体相对湿度要求；而中低电流密度下，通过降低电堆温度，MEA阴极侧自身产生的水也满足低温时阴/阳极气体所需相对湿度要求；在整个降载过程中，电堆的高频阻抗值保持相对稳定，并与有加湿器加湿条件下相当。
本发明适用于燃料电池生产测试技术领域中。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：作为对本发明的验证，实验测试包括二步：第一步中包括14节短堆启动程序，如附图1所示，第二步测试步骤IV曲线，如附图2所示。
前述中，第一步中14节短堆启动程序和第二步中IV曲线对应的参数序列，如下图表1：
Figure GDA0003460800380000051
表1.IV曲线参数表1
本发明实施例1中，电堆启动进程时间以15秒为单位，从0秒至252秒，电流以30A为递增单位，由0A逐段增加540A；电流密度以15秒为一个密集点，由0逐点增大到1.8A/cm-2，与此同时，平均电压由0.98V下降到0.62V，而功率密度由0升高到1.15W/cm-2，燃料电池电堆循环水入口温度由室温提升至70℃，电堆顺利启动。降载极化曲线中，平均电压正常，平均阻抗62mΩcm2，极差30mV。
实施例2：作为对本发明的验证，实验测试包括二步：第一步中包括14节短堆启动程序，如附图3所示，第二步测试步骤IV曲线，如附图4所示。
前述中，第一步中14节短堆启动程序和第二步中IV曲线对应的参数序列，如下图表2：
Figure GDA0003460800380000061
表2.IV曲线参数表2
本发明实施例2中，电堆启动进程时间以15秒为单位，从0秒至252秒，电流以30A为递增单位，由0A逐段增加540A；电流密度以15秒为一个密集点，由0逐点增大到1.8A/cm-2，与此同时，燃料电池电堆循环水入口温度由室温提升至70℃，电堆顺利启动。而降载极化曲线中，电堆性能异常，平均电压偏低，平均阻抗大于65mΩcm2，极差大于100mV。
实施例3：作为对本发明的验证，实验测试包括二步：第一步中包括14节短堆启动程序，如附图5所示，第二步测试步骤IV曲线，如附图6所示。
前述中，第一步中14节短堆启动程序和第二步中IV曲线对应的参数序列，如下图表3：
Figure GDA0003460800380000071
表3.IV曲线参数表3
本发明实施例3中，电堆启动进程时间以15秒为单位，从0秒至252秒，电流以30A为递增单位，由0A逐段增加540A；电流密度以15秒为一个密集点，由0逐点增大到1.8A/cm-2，燃料电池电堆循环水入口温度由室温提升至60℃，电堆顺利启动。而降载极化曲线中，电堆性能异常，平均电压偏低，平均阻抗大于65mΩcm2，极差大于100mV。

Claims (1)

1.一种燃料电池电堆无外增湿的启动及测试方法，其特征在于，在无外增湿的条件下，燃料电池电堆的启动包括两步；第一步：阳极使用氢循环模式，阴极采用干空气进气模式，根据设置的条件参数快速升载到额定电压，通过常温快速启动升载，使得电流在较低电堆温度下快速增加，在短时间内，膜电极产生的水满足低温时MEA自身所需，在整个快速启动过程中，电堆的高频阻抗值相对稳定，控制电堆循环水入口温度在70℃并维持不变；第二步：根据不同电流密度下的操作条件参数进行降载；在大电流时，MEA阴极侧会产生大量的水，而其中部分的水从阴极反渗透至阳极，通过阳极氢循环，使得阳极满足阳极气体相对湿度要求；而中低电流密度下，通过降低电堆温度，MEA阴极侧自身产生的水也满足低温时阴/阳极气体所需相对湿度要求；在整个降载过程中，电堆的高频阻抗值保持相对稳定，在测试时，进行IV曲线测试并记录电堆各个性能参数；
第一步中，采用14节短堆启动程序，启动时的主要参数表如下表a，第二步中，在测试时，IV曲线对应的参数序列，如下图表b：
Figure FDA0003650950570000011
表a.干空气启动操作条件表
Figure FDA0003650950570000021
表b.干空气IV测试操作条件表
电堆启动进程时间以15秒为单位，从0秒至252秒，电流以30A为递增单位，由0A逐段增加540A；电流密度以15秒为一个密集点，由0逐点增大到1.8A/cm-2；待电堆入水口温度维持70℃恒电流放电直到功率密度接近1.15Wcm-2，各个单电池电压正常、平均阻抗62±1mΩcm2，极差小于40mV，其他各个参数正常，然后开始按照操作条件进行降载极化曲线。
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