CN113346113B - 一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法 - Google Patents

一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法，涉及新能源技术领域，该标定方法包括：对燃料电池系统进行活化，至燃料电池电堆内阻达到恒定状态；依次在不同的运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统；获取每次运行中，同一时间段、同一恒定功率段内的平均电压，作为不同运行温度下的电压，并绘制电压‑温度曲线；于每次运行结束后，将燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态，测试得到不同运行温度下的电堆内阻值，并绘制内阻‑温度曲线，根据电压‑温度曲线和内阻‑温度曲线，选取电堆内阻值突变前的最高电压对应的运行温度作为最佳运行温度。本申请，不仅标定过程简单快捷，极大缩短标定测试时间，且标定结果准确度高。

Description

一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法
技术领域
本申请涉及新能源技术领域，具体涉及一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法。
背景技术
目前，质子交换膜燃料电池的性能受到诸多因素影响，其中，水管理及热管理是首先考虑的两个因素。为了提高燃料电池性能需要将燃料电池运行温度控制在一定的范围内，若温度过低，则将导致电堆的极化现象加剧，输出电压降低，从而使电池性能恶化；若温度过高，则将导致电堆内膜电极脱水、收缩甚至破裂，而且燃料气体中水蒸气的分压会升高，稀释反应气体的浓度，严重时直接造成电堆膜电极失水损坏。
相关技术中，在研究燃料电池系统最佳运行温度方面，多采用针对单片进行电化学分析的方式，以确认最佳运行温度，此方法费用低，可以得到丰富的电化学信息。
但是，电堆组装以及系统集成相对于单片电池结构而言复杂程度数量级增加，因此单片电池的标定结果不能完全与燃料电池系统相符合，导致标定结果误差较大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法，以解决相关技术中燃料电池系统最佳运行温度标定结果误差较大的问题。
为达到以上目的，本申请提供一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其包括步骤：
对燃料电池系统进行活化，至燃料电池电堆内阻达到恒定状态；
依次在不同的运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统；获取每次运行中，同一时间段、同一恒定功率段内的平均电压，作为不同运行温度下的电压，并绘制电压-温度曲线；
于每次运行结束后，将上述燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态，测试得到不同运行温度下的电堆内阻值，并绘制内阻-温度曲线；
根据上述电压-温度曲线和内阻-温度曲线，选取电堆内阻值突变前的最高电压对应的运行温度作为最佳运行温度。
一些实施例中，对燃料电池系统进行活化之前，还包括：
将燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态后，测试得到电堆初始内阻，并基于上述电堆初始内阻设置上述燃料电池系统的活化时间。
一些实施例中，上述对燃料电池系统进行活化，具体包括：
设置加载速率和活化功率；
启动燃料电池系统，按照上述加载速率加载至活化功率，并在上述活化功率下运行活化时间。
一些实施例中，至燃料电池电堆内阻达到恒定状态，具体包括：
每次活化后，将上述阳极充满氢气，并设置为开路状态，采用电池内阻测试仪测试得到每次活化后的电堆内阻值；
若相邻两次活化后的电堆内阻值的差值的绝对值小于差值阈值，则判断上述燃料电池电堆内阻达到恒定状态，并以后一次活化后的电堆内阻值作为恒定内阻值。
一些实施例中，以PE为上述燃料电池系统的额定功率，上述加载速率为每秒加载10％-50％PE，上述活化功率为60％-100％PE。
一些实施例中，上述同一恒定功率段的功率范围为50％-80％PE。
一些实施例中，依次在不同的运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统，具体包括：
设置上述燃料电池系统的起始运行温度和终止运行温度；
自上述起始运行温度起，以预设步长逐次增加运行温度，直至终止运行温度，并在每个运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统。
一些实施例中，上述终止运行温度为上述燃料电池系统的最高允许运行温度。
一些实施例中，上述标定工况为包括怠速、加载、降载、额定功率、峰值功率、停机的试验工况。
一些实施例中，上述阳极充入的氢气均未作加湿处理。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，由于对燃料电池系统进行活化，至燃料电池电堆内阻恒定后，可保证电堆内阻保持稳定，此时，可依次在不同的运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统，并获取每次运行中，同一时间段、同一恒定功率段内的平均电压，作为不同运行温度下的电压，并绘制电压-温度曲线，同时，每次运行结束后，将燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态，测试得到不同运行温度下的电堆内阻值，并绘制内阻-温度曲线，即可根据电压-温度曲线和内阻-温度曲线，选取电堆内阻值突变前的最高电压对应的运行温度作为最佳运行温度；因此，不仅最佳运行温度的标定过程简单快捷，极大缩短标定测试时间，且标定结果准确度高，适用于燃料电池系统产品出厂标定。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的燃料电池系统最佳运行温度标定方法的流程图；
图2为图1中步骤S1的流程图；
图3为本申请实施例的NEDC工况的功率图；
图4为本申请实施例的电压-温度曲线和内阻-温度曲线。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请实施例提供一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其能解决相关技术中燃料电池系统最佳运行温度标定结果误差较大的问题。
如图1所示，本实施例的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，具体包括步骤：
S1.对燃料电池系统进行活化，至燃料电池电堆内阻达到恒定状态。
S2.依次在不同的运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统；获取每次运行中，同一时间段、同一恒定功率段内的平均电压，作为不同运行温度下的电压，并绘制电压-温度曲线。
其中，燃料电池系统的运行温度，为燃料电池系统的冷却液进口温度。
S3.于每次运行结束后，将上述燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态，测试得到不同运行温度下的电堆内阻值，并绘制内阻-温度曲线。
S4.根据上述电压-温度曲线和内阻-温度曲线，选取电堆内阻值突变前的最高电压对应的运行温度作为最佳运行温度，即该最佳运行温度下的电压尽可能大且电堆内阻值尽可能小。
可选地，以上述电堆内阻值的变化率大于变化率阈值为突变；变化率阈值范围为10％-30％。
本实施例中，以上述电堆内阻值的变化率大于20％为突变。其中，电堆内阻值的变化率为：基于内阻-温度曲线，当前运行温度下的电堆内阻值R T2与上一个运行温度下的电堆内阻值RT1的差值与RT1的比值。
本实施例的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，由于对燃料电池系统进行活化，至燃料电池电堆内阻恒定后，可保证电堆内阻保持稳定，此时，可依次在不同的运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统，并获取每次运行中，同一时间段、同一恒定功率段内的平均电压，作为不同运行温度下的电压，并绘制电压-温度曲线，同时，每次运行结束后，将燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态，测试得到不同运行温度下的电堆内阻值，并绘制内阻-温度曲线，即可根据电压-温度曲线和内阻-温度曲线，选取电堆内阻值突变前的最高电压对应的运行温度作为最佳运行温度；因此，不仅最佳运行温度的标定过程简单快捷，极大缩短标定测试时间，且标定结果准确度高，适用于燃料电池系统产品出厂标定或根据采集路谱进行最佳运行温度标定。
优选地，上述对燃料电池系统进行活化之前，还包括以下步骤：
将燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态后，测试得到电堆初始内阻，并基于上述电堆初始内阻设置上述燃料电池系统的活化时间。
在其他实施例中，对燃料电池系统进行活化的活化时间也可根据燃料电池系统的实际情况进行设置。
本实施例中，上述步骤S1的对燃料电池系统进行活化，具体包括以下步骤：
首先，设置加载速率和活化功率。
然后，启动燃料电池系统，按照上述加载速率加载至活化功率，并在上述活化功率下运行活化时间。
进一步地，上述步骤S1中，至燃料电池电堆内阻达到恒定状态，具体包括以下步骤：
每次活化后，将上述阳极充满氢气，并设置为开路状态，即可采用电池内阻测试仪测试得到每次活化后的电堆内阻值。其中，测试电流频率范围为0.1～10kHz，电流值范围为10μA～100mA。
若相邻两次活化后的电堆内阻值的差值的绝对值小于差值阈值，则判断燃料电池电堆内阻达到恒定状态，并将后一次活化后的电堆内阻值作为恒定内阻值。
如图2所示，上述步骤S1具体包括以下步骤：
S11.设置加载速率和活化功率；
S12.启动燃料电池系统，按照加载速率加载至活化功率，并在活化功率下运行活化时间；
S13.将燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态，采用电池内阻测试仪测试得到电堆内阻值；
S14.判断该电堆内阻值是否为第一次活化后的电堆内阻值，若是，则转向S12，否则，转向S15；
S15.判断该电堆内阻值与上一次活化后得到的电堆内阻值的差值的绝对值是否小于差值阈值；若是，则转向S16，否则，转向S12。
S16.燃料电池电堆内阻达到恒定状态，并以该电堆内阻值作为恒定内阻值。
本实施例中，上述差值阈值为上一次活化后的电堆内阻值的10％。
在其他实施例中，差值阈值可依据待标定燃料电池系统的实际情况进行设置。
在上述实施例的基础上，本实施例中，以PE为上述燃料电池系统的额定功率，上述加载速率为每秒加载10％-50％PE，上述活化功率为60％-100％PE。活化时间为0.5-2h。
其中，上述加载速率最低不低于10％PE/s，最高不超过50％PE/s，是为保证电堆在不处于最佳工作状态下不会产生过载造成电堆损坏。
上述活化功率最低不低于60％PE，最高不超过PE，即可使电堆在中高功率段运行，使电堆产生大量的水，水通过扩散以及质子迁移作用对膜的两侧进行润湿，以达到降低电堆内阻的目的，即完成活化；另外，还可在温度标定前，排除因电堆长期未使用造成电堆内阻过高，使得标定结果不准确的情况。
在上述实施例的基础上，本实施例中，上述步骤S2的依次在不同的运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统，具体包括以下步骤：
首先，设置上述燃料电池系统的起始运行温度和终止运行温度。
然后，自上述起始运行温度起，以预设步长逐次增加运行温度，直至终止运行温度，并在每个运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统。
进一步地，上述终止运行温度为上述燃料电池系统的最高允许运行温度。
可选地，起始运行温度为50-55℃，最高允许运行温度为70-75℃，预设步长为3-5℃。
可选地，上述同一恒定功率段的功率范围为50％-80％PE，即获取每次运行中同一恒定功率段内的平均电压时，该恒定功率的范围在50％-80％PE。
本实施例中，只要是满足功率在50％～80％PE范围内，选取一个固定的功率段作为对比，且保证每次获取的都是这一段即可。
优选地，上述阳极充入的氢气均未作加湿处理。即标定过程用到的氢气均未增湿，湿度控制依靠燃料电池系统自行调节。
可选地，上述标定工况为包括怠速、加载、降载、额定功率、峰值功率、停机等的燃料电池系统实际运行复合工况或路谱工况。该标定工况的意义在于真实模拟燃料电池系统在车载状态下的运行情况，而非在静态下的运行。优选地，标定工况的平均功率在20％～70％PE。
如图3所示，本实施例中，上述标定工况为NEDC(New European Driving Cycle，新欧洲驾驶循环)工况。其中，该NEDC工况包括怠速工况、加载工况、降载工况、额定功率工况、峰值功率工况和停机。
其中，上述NEDC工况平均功率在20％～70％PE，以保证模拟车载状态的标定工况的合理性，防止标定工况中高功率段占比过高或者过低。本实施例中，以70％PE作为选取的恒定功率段的功率。
本实施例中，电堆在阳极充有燃料且阴极充有氧化剂的状态下，具有一定的开路电压，此时可以视为化学电源电池，而膜电极的干湿程度直接影响电池的内阻，因此，可通过不同运行温度下的电堆内阻来判断膜的干湿状态，而运行过程中的电压对应电堆的运行性能，进而通过电堆内阻测定电堆膜电极的干湿状态，辅助以运行电压的分析，可建立标定燃料电池系统最佳运行温度的方法。
以一台额定功率PE为50kW的质子交换膜燃料电池系统为例，将质子交换膜燃料电池系统与测试台架连接，即将燃料电池系统的氢气入口、冷却水进出口、低压供电端口均与测试台架连接，将上位机通过Can通讯线及高压负载线与燃料电池系统和测试台架连接通讯后，对该燃料电池系统的最佳运行温度进行标定，具体包括：A1.将燃料电池系统阳极充满氢气，并设定至开路状态，此时采用电池内阻测试仪测试得到电堆初始内阻214mΩ；
A2.将燃料电池系统启动，按照10kW/s的加载速率加载至40kW，并在功率为40kW状态下运行1h，以进行活化；
A3.停机后将燃料电池系统阳极充满氢气，设定至开路状态，此时采用电池内阻测试仪测试电堆内阻值为145mΩ；
A4.重复步骤A2和A3，此时采用电池内阻测试仪测试电堆内阻值为131mΩ，该次电堆内阻值与上一次电堆内阻值的差值的绝对值为14mΩ，小于14.5mΩ，因此，判断燃料电池电堆内阻达到恒定状态，完成质子交换膜燃料电池活化，并得到电堆基础内阻即恒定内阻值131mΩ；
A5.选择燃料电池系统起始运行温度55℃，将燃料电池系统上的节温器设定为常开模式，以保证燃料电池系统的运行温度为设定温度，并将测试台架冷却水温预热至55℃，即保证燃料电池系统的冷却液进口温度55℃，此时燃料电池系统开机运行NEDC工况；
A6.燃料电池系统停机后，将供氢电磁阀打开压力设置为150kpa以将阳极充满氢气，再设定为开路模式，此时采用电池内阻测试仪测试电堆内阻值，作为55℃对应的电堆内阻值；
A7.以3℃作为步长逐次增加运行温度，直至终止运行温度73℃，并在每个运行温度下，运行NEDC工况，获取每次运行中，35kW功率段内的平均电压，作为不同运行温度下的电压；同时在每次运行结束后，将供氢电磁阀打开压力设置为150kpa以将阳极充满氢气，并设定为开路模式，进而测试得到各运行温度下的电堆内阻值；
A8.绘制不同运行温度下对应35kW功率段的电压-温度曲线和内阻-温度曲线，并选取电堆内阻值突变前的最高电压对应的运行温度作为最佳运行温度；如图4所示，确认最佳运行温度为64℃。
本实施例中，由于燃料电池电堆长时间未运行，膜电极干燥，内阻较高，因此初次测试电堆内阻高达214mΩ；经过活化后，电堆内阻基本恒定。然后，在不同运行温度下进行标定工况运行，低温下燃料电池电堆极化严重，输出电压低，电堆恒定；随着运行温度逐渐升高，极化现象减弱，输出电压逐渐增加，内阻缓慢增加；当运行温度过高时，电堆输出电压不再增加，此时电堆内阻则由于膜电极湿度下降出现陡增。
本实施例中，电池内阻测试仪的量程为0.1μΩ～1kΩ，分辨率范围为0.1～100μΩ。
本实施例的标定方法，可根据不同运行温度的电堆固定功率下电压值及内阻值，快速且准确地标定燃料电池系统的最佳运行温度，达到温度湿度的平衡，保证系统性能的同时延长使用寿命。
本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其特征在于，其包括步骤：
对燃料电池系统进行活化，至燃料电池电堆内阻达到恒定状态；
依次在不同的运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统；获取每次运行中，同一时间段、同一恒定功率段内的平均电压，作为不同运行温度下的电压，并绘制电压-温度曲线；
于每次运行结束后，将所述燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态，测试得到不同运行温度下的电堆内阻值，并绘制内阻-温度曲线；
根据所述电压-温度曲线和内阻-温度曲线，选取电堆内阻值突变前的最高电压对应的运行温度作为最佳运行温度；以所述电堆内阻值的变化率大于变化率阈值为突变；
所述至燃料电池电堆内阻达到恒定状态，具体包括：
每次活化后，将燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态，采用电池内阻测试仪测试得到每次活化后的电堆内阻值；
若相邻两次活化后的电堆内阻值的差值的绝对值小于差值阈值，则判断所述燃料电池电堆内阻达到恒定状态，并以后一次活化后的电堆内阻值作为恒定内阻值。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其特征在于，对燃料电池系统进行活化之前，还包括：
将燃料电池系统的阳极充满氢气，并设置为开路状态后，测试得到电堆初始内阻，并基于所述电堆初始内阻设置所述燃料电池系统的活化时间。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其特征在于，所述对燃料电池系统进行活化，具体包括：
设置加载速率和活化功率；
启动燃料电池系统，按照所述加载速率加载至活化功率，并在所述活化功率下运行活化时间。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其特征在于：以PE为所述燃料电池系统的额定功率，所述加载速率为每秒加载10%-50%PE，所述活化功率为60%-100%PE。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其特征在于：所述同一恒定功率段的功率范围为50%-80%PE。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其特征在于，依次在不同的运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统，具体包括：
设置所述燃料电池系统的起始运行温度和终止运行温度；
自所述起始运行温度起，以预设步长逐次增加运行温度，直至终止运行温度，并在每个运行温度下，于设定工况运行燃料电池系统。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其特征在于：所述终止运行温度为所述燃料电池系统的最高允许运行温度。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其特征在于：所述标定工况为包括怠速、加载、降载、额定功率、峰值功率、停机的试验工况。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统最佳运行温度标定方法，其特征在于：所述阳极充入的氢气均未作加湿处理。
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