CN113422090A - 一种pemfc氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法与装置，方法包括以下步骤：向质子交换膜燃料电池的阴阳极通入氮气和氢气；恒压源对质子交换膜燃料电池施加不同大小的恒定电压，记录恒定电压值及恒压源的稳态输出电流值，得到多组电压电流信号；对电压电流信号进行线性拟合，氢气渗透电流的值等于拟合直线在y轴的截距值，漏电电阻的值等于拟合直线的斜率的倒数。与现有技术相比，本发明将质子交换膜燃料电池中的氢气渗透过程和漏电过程等价为恒流源与电阻的并联，通过对质子交换膜燃料电池施加恒定电压，测量恒压源的稳态输出电流值，进而计算可以得到氢气渗透电流与漏电电阻两个参数，测量过程快速、方便，测量结果准确直观。

Description

一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法与装置
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其是涉及一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法与装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池(简称PEMFC)的膜电极由气体扩散层、催化剂层、质子交换膜组成，质子交换膜的用途为隔绝阴阳两极的反应气体，阻断两极的电子电路，并从阳极向阴极传导质子。然而由于质子交换膜本身的固有缺陷，在燃料电池使用的过程中，膜内将会不可避免地存在组分渗透与电子电流传导的现象发生。由于氢气的体积小，相比于质子交换膜燃料电池内部的其他组分，氢气的渗透现象最为严重。在电池运行的过程中，氢气渗透现象将会大大加速膜电极各个组件的衰减速度，并显著降低燃料的利用效率。因此，氢气渗透量成为了评价质子交换膜的质量好坏与其衰减程度的重要指标。
少量的氢气从阳极经过质子交换膜穿透到阴极，造成流经外路的电子减少，产生内部电流。现有的氢气渗透电流测量方法包括：线性扫描电位法与恒电流充电法，其中线性扫描电位法耗时较长，并且在测量的过程中需要始终保持电池状态稳定；而恒电流充电法的测量时间虽然较短，但是在测量的过程中需要对采集的数据进行若干次积分，因此存在着数据采样频率与位数要求高、数据处理步骤繁多、误差较大等问题。
发明内容
发明人经过研究后发现，当向质子交换膜燃料电池的阴极通入氮气，向阳极通入氢气时，如果向质子交换膜燃料电池的阴阳极施加一个稳定的电压，当经过初期的电流阶跃的阶段后，电流将会稳定，此时质子交换膜燃料电池内部发生的过程仅剩下氢气渗透过程与电子传导过程，由于氢气渗透量受到膜内渗透通道的限制，因此氢气在渗透到阴极后，将会由于高电势被氧化为质子，并通过质子交换膜再次回到阳极被还原，而氧化反应产生的电子由外电路回到阳极；故氢气渗透过程和漏电过程可以等价为一个恒流源与电阻并联。
本发明的目的就是为了克服现有技术存在的缺陷而提供一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法与装置，将质子交换膜燃料电池中的氢气渗透过程和漏电过程等价为一个恒流源与电阻并联，通过对质子交换膜燃料电池施加恒定电压，测量恒压源的稳态输出电流值，进而计算可以得到氢气渗透电流与漏电电阻两个参数，测量过程快速、方便，测量结果准确直观。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法，包括以下步骤：
S1、向质子交换膜燃料电池的阴极通入氮气，向质子交换膜燃料电池的阳极通入氢气；
S2、使用恒压源对质子交换膜燃料电池施加不同大小的恒定电压，记录恒定电压值以及在该恒定电压值下恒压源的稳态输出电流值，得到N组(N>1)电压电流信号，N为预设置的采集次数；
S3、将恒定电压值作为自变量，将恒压源的稳态输出电流值作为因变量，对N组电压电流信号进行线性拟合，得到拟合直线l，氢气渗透电流
Figure BDA0003062040290000021
的值等于拟合直线l在y轴上的截距值，漏电电阻Re的值等于拟合直线l的斜率的倒数。
进一步的，步骤S1中，向质子交换膜燃料电池的阴极通入饱和加湿的氮气，向质子交换膜燃料电池的阳极通入饱和加湿的氢气。
进一步的，步骤S2中，恒定电压的值不超过预设置的电压阈值。
更进一步的，预设置的电压阈值为0.7V。
进一步的，步骤S2中，按照预设置的步长改变恒压源对质子交换膜燃料电池施加的恒定电压，记录恒定电压值，待恒压源的输出电流稳定后记录恒压源的稳态输出电流值，得到N组电压电流信号。
更进一步的，预设置的步长为250mV。
一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测装置，包括：
恒压源，所述恒压源的正极和负极分别与质子交换膜燃料电池的阳极和阴极连接，用于对质子交换膜燃料电池施加不同大小的恒定电压；
信号采集单元，与恒压源连接，用于采集恒压源对质子交换膜燃料电池施加的恒定电压值以及在不同的恒定电压值下恒压源的稳态输出电流值，得到N组(N>1)电压电流信号，N为预设置的采集次数；
数据处理器，与信号采集单元通信连接，用于对信号采集单元的N组电压电流信号进行线性拟合，得到氢气渗透电流
Figure BDA0003062040290000031
与漏电电阻Re的值。
进一步的，所述数据处理器为计算机。
更进一步的，所述数据处理器与恒压源通信连接，通过向恒压源发送命令来改变恒压源的恒定电压值。
更进一步的，所述数据处理器通过串口通信模块与恒压源和信号采集单元通信连接。
进一步的，所述检测装置还包括电流传感器，电流传感器用于测量恒压源的输出电流，所述电路传感器与信号采集单元连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)将质子交换膜燃料电池中的氢气渗透过程和漏电过程等价为一个恒流源与电阻并联，通过对质子交换膜燃料电池施加恒定电压，测量恒压源的稳态输出电流值，进而计算可以得到氢气渗透电流与漏电电阻两个参数，测量过程快速、方便，测量结果准确直观。
(2)通过本申请可以原位测量在不同工作条件下氢气渗透电流与漏电电阻的变化，以指导质子交换膜燃料电池额定工作条件的确定。
(3)通过本申请可以快速测定质子交换膜燃料电池的氢气渗透电流与漏电电阻，为膜电极质子交换膜本体的优劣评估、膜电极质子交换膜衰减速度的测量等提供了新的解决途径。
附图说明
图1为PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法的流程图；
图2为质子交换膜燃料电池内部过程的等效电路图；
图3为实施例中PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测装置的结构示意图；
图4为实施例中恒压源的输出电流随时间的变化曲线图；
图5为实施例中电压电流信号的拟合示意图；
附图标记：1、恒压源，2、电流传感器，3、信号采集单元，4、数据处理器，5、质子交换膜燃料电池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、向质子交换膜燃料电池5的阴极通入氮气，向质子交换膜燃料电池5的阳极通入氢气；
S2、使用恒压源1对质子交换膜燃料电池5施加不同大小的恒定电压，记录恒定电压值以及在该恒定电压值下恒压源1的稳态输出电流值，得到N组(N>1)电压电流信号，N为预设置的采集次数；
S3、将恒定电压值作为自变量，将恒压源1的稳态输出电流值作为因变量，对N组电压电流信号进行线性拟合，得到拟合直线l，氢气渗透电流
Figure BDA0003062040290000041
的值等于拟合直线l在y轴上的截距值，漏电电阻Re的值等于拟合直线l的斜率的倒数。
一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测装置，如图3所示，包括：
恒压源1，恒压源1的正极和负极分别与质子交换膜燃料电池5的阳极和阴极连接，用于对质子交换膜燃料电池5施加不同大小的恒定电压；
信号采集单元3，与恒压源1连接，用于采集恒压源1对质子交换膜燃料电池5施加的恒定电压值以及在不同的恒定电压值下恒压源1的稳态输出电流值，得到N组(N>1)电压电流信号，N为预设置的采集次数；
数据处理器4，与信号采集单元3通信连接，用于对信号采集单元3的N组电压电流信号进行线性拟合，得到氢气渗透电流
Figure BDA0003062040290000042
与漏电电阻Re的值。
质子交换膜燃料电池5在外电源充电过程中主要发生以下电化学过程：氢脱附，双电层电容充电，电子内部短路和氢气泄漏，当对质子交换膜燃料电池5施加一个恒定的电压时，经过初期的电流阶跃的阶段后，双电层电容充电和欠电势沉积氢的脱附过程结束，由于施加的电压是恒定电压，因此这两个电压决定的过程不再发生，在质子交换膜燃料电池5内部仅剩下电子内部短路和氢气泄漏过程仍在发生，可以等效为如图2所示的电路图。
根据欧姆定律，电子内部短路产生的漏电电流与施加恒定电压的大小有关，而氢气泄漏产生的氢气渗透电流只与质子交换膜燃料电池5的内部状态有关，与施加恒定电压的大小无关。因此，对质子交换膜燃料电池5施加不同的恒定电压，并测量恒压源1的稳态输出电流，就可以通过直线拟合的方式计算出质子交换膜燃料电池5的氢气渗透电流
Figure BDA0003062040290000051
与漏电电阻Re的值：
Figure BDA0003062040290000052
其中，I和U分别表示恒压源1的恒定电压值与稳态输出电流值。
本实施例中，质子交换膜燃料电池5为一个25cm2活性面积的单电池，如图3所示，先将恒压源1的正极和负极与质子交换膜燃料电池5的正极端板和负极端板相连；再使用电流传感器2采集恒压源1的输出电流，将电流传感器2的电流值信号输出端口与信号采集单元3的一个模拟量信号输入端口相连；直接将恒压源1的电压值信号输出端口与信号采集单元3的另一个模拟量信号输入端口相连；本实施例中数据处理器4为计算机，最后将信号采集单元3的串口数据传输端口与数据处理器4的串口数据传输端口相连。
向质子交换膜燃料电池5的阴极通入1L/min的饱和加湿的氢气，向质子交换膜燃料电池5的阳极通入1.2L/min的饱和加湿的氮气，气体的温度与质子交换膜燃料电池5的温度均为80摄氏度，氢气和氮气的背压均为1bar。
使用恒压源1对质子交换膜燃料电池5施加0.4V的恒定电压，如图4所示，可以观察到恒压源1的输出电流随时间的变化，待恒压源1的输出电流稳定后记录恒压源1的稳态输出电流值，本实施例中信号采集单元3采集得到的电流值为0.08100A，得到一组电压电流信号(0.4V，0.08100A)；
按照预设置的步长250mV，将恒压源1对质子交换膜燃料电池5施加的恒定电压提升250mV，再次观察恒压源1的输出电流，待恒压源1的输出电流稳定后记录恒压源1的稳态输出电流值，得到一组电压电流信号(0.425V，0.08200A)；
按照预设置的步长250mV，继续增加恒压源1对质子交换膜燃料电池5施加的恒定电压，重复两次或两次以上，考虑到电势较高时，质子交换膜燃料电池5内会发生Pt的氧化与C载体的氧化过程，因此，设置了电压阈值0.7V，对质子交换膜燃料电池5施加的恒定电压不建议超过0.7V。
在其他实施方式中，可以根据需要更改电压阈值的大小、电压电流信号的采集次数N、步长的值以及恒压源1对质子交换膜燃料电池5施加的恒定电压的值等也可以根据需要自行设置。
将恒定电压值作为自变量，将恒压源1的稳态输出电流值作为因变量，对采集到的多组电压电流信号进行线性拟合，得到拟合直线l，如图5所示，根据公式：
Figure BDA0003062040290000061
氢气渗透电流
Figure BDA0003062040290000062
的值等于拟合直线l在y轴上的截距值，漏电电阻Re的值等于拟合直线l的斜率的倒数，计算得到氢气渗透电流
Figure BDA0003062040290000063
为2.92mA/cm2，漏电电阻Re值为50.00Ω。
为了提高测量精度，可以采集多组电压电流信号，减小恒流源1施加的恒定电压的变化步长，增加每个恒定电压的施加时间，等到质子交换膜燃料电池5内部状态稳定、恒压源1的输出电流稳定后再采集稳态输出电流。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、向质子交换膜燃料电池的阴极通入氮气，向质子交换膜燃料电池的阳极通入氢气；
S2、使用恒压源对质子交换膜燃料电池施加不同大小的恒定电压，记录恒定电压值以及在该恒定电压值下恒压源的稳态输出电流值，得到N组(N>1)电压电流信号，N为预设置的采集次数；
S3、将恒定电压值作为自变量，将恒压源的稳态输出电流值作为因变量，对N组电压电流信号进行线性拟合，得到拟合直线l，氢气渗透电流
Figure FDA0003062040280000011
的值等于拟合直线l在y轴上的截距值，漏电电阻Re的值等于拟合直线l的斜率的倒数。
2.根据权利要求1所述的一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法，其特征在于，步骤S1中，向质子交换膜燃料电池的阴极通入饱和加湿的氮气，向质子交换膜燃料电池的阳极通入饱和加湿的氢气。
3.根据权利要求1所述的一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法，其特征在于，步骤S2中，恒定电压的值不超过预设置的电压阈值。
4.根据权利要求3所述的一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法，其特征在于，预设置的电压阈值为0.7V。
5.根据权利要求1所述的一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法，其特征在于，步骤S2中，按照预设置的步长改变恒压源对质子交换膜燃料电池施加的恒定电压，记录恒定电压值，待恒压源的输出电流稳定后记录恒压源的稳态输出电流值，得到N组电压电流信号。
6.根据权利要求5所述的一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法，其特征在于，预设置的步长为250mV。
7.一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测装置，其特征在于，基于如权利要求1-6中任一所述的PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法，包括：
恒压源，所述恒压源的正极和负极分别与质子交换膜燃料电池的阳极和阴极连接，用于对质子交换膜燃料电池施加不同大小的恒定电压；
信号采集单元，与恒压源连接，用于采集恒压源对质子交换膜燃料电池施加的恒定电压值以及在不同的恒定电压值下恒压源的稳态输出电流值，得到N组(N>1)电压电流信号，N为预设置的采集次数；
数据处理器，与信号采集单元通信连接，用于对信号采集单元的N组电压电流信号进行线性拟合，得到氢气渗透电流
Figure FDA0003062040280000021
与漏电电阻Re的值。
8.根据权利要求7所述的一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测装置，其特征在于，所述数据处理器为计算机。
9.根据权利要求8所述的一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测装置，其特征在于，所述数据处理器与恒压源通信连接，通过向恒压源发送命令来改变恒压源的恒定电压值。
10.根据权利要求9所述的一种PEMFC氢气渗透电流与漏电电阻的检测装置，其特征在于，所述数据处理器通过串口通信模块与恒压源和信号采集单元通信连接。
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