CN113504470A - 一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，包括以下步骤：1)在燃料电池一侧通入氢气，另一侧通入氮气，并且使两侧气体的压力、湿度以及燃料电池自身的温度处于恒定水平；2)对燃料电池相继施加不同大小的恒电压激励；3)测量燃料电池在各恒电压激励下对应的稳态响应电流值；4)根据施加的电压值和对应的稳态响应电流值进行函数拟合，获取燃料电池氢气渗透量的等效电流；5)根据燃料电池氢气渗透量的等效电流通过换算获取燃料电池的氢气渗透量。与现有技术相比，本发明具有测试过程简单，测量结果准确等优点。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池测量技术领域，尤其是涉及一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池汽车因其工作温度低、效率高、无污染、长续驶里程等优点，已成为下一代新能源汽车的重要发展方向。而质子交换膜燃料电池作为其动力源的核心部件更是成为近年来新能源汽车领域的一大研究热点。因为质子交换膜固有的孔隙结构，无法完全隔绝两极反应气，因而燃料电池在工作时，阳极通入的氢气会不可避免地穿过质子交换膜渗透至阴极。渗透的少量氢气不仅使燃料电池输出性能降低，还会对催化层和膜结构本身造成不可逆损伤，大大影响了燃料电池的使用寿命。因此氢气渗透量的有效测量对质子交换膜燃料电池的老化状态表征和耐久性研究具有重要意义。
现有的氢气渗透量的测量方法为线性扫描伏安法，实施该方法时采用的电压扫描速率越高，得到的电流响应越大，从而使得测量出的氢气渗透量结果偏离真实值越大。
中国发明专利CN112834930A公开了基于电位扫描的燃料电池膜电极参数测量方法和装置，但是在其实施过程中需要先后施加不同扫描速率的激励信号，采集多条电流响应曲线，并且进行多次函数拟合才能得到最终结果，从而获取氢气渗透量的等效电流值，其操作过程较为复杂，同时容易引入额外偏差。另一方面，电压动态扫描下得到的连续响应电流曲线存在较窄的线性区段，并且响应曲线中的线性区段会因扫描速率不同而界限不一，使得实施该方法过程中难以有效界定用于函数拟合的数据段。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，包括以下步骤：
1)在燃料电池一侧通入氢气，另一侧通入氮气，并且使两侧气体的压力、湿度以及燃料电池自身的温度处于恒定水平；
2)对燃料电池相继施加不同大小的恒电压激励；
3)测量燃料电池在各恒电压激励下对应的稳态响应电流值；
4)根据施加的电压值和对应的稳态响应电流值进行函数拟合，获取燃料电池氢气渗透量的等效电流；
5)根据燃料电池氢气渗透量的等效电流通过换算获取燃料电池的氢气渗透量。
所述的步骤1)中，燃料电池的阳极一侧通入氢气，阴极一侧通入氮气。
所述的氮气为高纯氮气或除去氧气后的空气。
所述的步骤2)中，恒电压激励的施加方式具体为：
施加多个、独立、幅值大小不同的阶跃电压信号，或者单个、连续、在不同电压大小下保持一定时间的阶梯电压信号。
在施加恒电压激励时，低电位点连接燃料电池通入氢气一侧，高电位点连接燃料电池通入氮气一侧。
所述的步骤3)具体为：
若施加的电压激励为多个、独立、幅值大小不同的阶跃电压信号，则选取每个阶跃信号末尾的时间段，对选取的时间段内测得的响应电流取平均值，作为对应的稳态电流响应值；若施加的电压激励为单个、连续、在不同电压大小下保持一定时间的阶梯电压信号，则选取每个阶梯末尾的时间段，对选取的时间段测得的电流响应取平均值，作为对应的稳态电流响应值。
所述的每个阶跃信号末尾的时间段时长为0.5s。
所述的步骤4)具体为：
根据各激励电压值和对应的稳态电流值绘制纵坐标为电流、横坐标为电压的离散化伏安特性图，在离散化伏安特性图中，对于电流和电压呈现线性关系的区段，提取该区段内的数据点，采用线性函数拟合得到最佳拟合直线，该最佳拟合直线与纵轴的截距值即为氢气渗透量的等效电流值。
所述的最佳拟合直线的表达式为：
其中，I为稳态电流响应值，U为激励电压，
为氢气渗透量的等效电流值，K为伏安特性中线性区段的斜率。
所述的步骤5)中，燃料电池的氢气渗透量的换算式为：
其中，F为法拉第常数，其值为96485C·mol-1，
为氢气渗透量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、操作过程简单：本发明不需要进行多种电压扫描速率下的测试以及多次的函数拟合，仅需利用单个阶梯电压信号或多个幅值不同的恒电压信号作为激励输入和单次的函数拟合即可获取结果。
二、测量结果准确：本发明采用的稳态测量消除了扫描速率影响，可用数据段更明确，同时数据处理过程简单，最大程度减小了测量误差。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图。
图2为实施例中电压激励及对应的电流响应信号示例图。
图3为实施例中根据燃料电池伏安特性实现氢气渗透量测量的结果示例图。
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。
如图1所示，本发明提供一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，包括以下步骤：
1)在燃料电池一侧通入氢气，另一侧通入氮气，并且使两侧气体的压力、湿度以及燃料电池自身的温度处于恒定水平；
2)对燃料电池相继施加不同大小的恒电压激励；
3)测量燃料电池相应的稳态电流响应；
4)根据施加的电压值和对应的稳态响应电流值进行函数拟合，获取燃料电池氢气渗透量的等效电流；
5)通过换算获取燃料电池的氢气渗透量。
本实施例中，对单片质子交换膜燃料电池的阳极通入氢气，阴极通入氮气，燃料电池温度和两极气体的湿度、压力均保持不变，在两极间施加的激励信号为逐步上升的阶梯电压信号，其中阴极为高电位，阳极为低电位，设置各个电压阶梯的保持时间(前三个阶梯为100s，随后的阶梯均为45s)。
图2为所施加阶梯电压激励及对应的电流响应信号示例图，如图2所示，本发明选取每个阶梯末尾的时间段(0.5s)，对相应的电流响应数据取平均，得到的值作为对应于当前电压大小激励下的稳态电流响应值。
图3为根据激励电压值和测得的稳态响应电流值形成的离散化伏安特性图，在本实例的伏安特性图中各数据点均处于线性区段，因此选取所有数据点，采用以下线性函数进行拟合：
其中，I为稳态响应电流，U为激励电压，
为氢气渗透量的等效电流值，K为伏安特性中线性区段的斜率。
图3中的虚线为得到的最佳拟合直线，图中最佳拟合直线的与纵轴的截距值即为氢气渗透量的等效电流值
(0.02515A)。
在得到氢气渗透量的等效电流值
后，通过以下公式进行换算，得到氢气渗透量，则有：
其中，F为法拉第常数(96485C·mol-1)，
为氢气渗透量，单位是mol·s-1。
最终由此获得氢气渗透量的测量结果，(本例中氢气渗透量为1.303×10-7mol·s-1)。
以上所述仅为本发明的实施例，并不能够对本发明产生限制，凡是在本发明的精神与原则之内，都应在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在燃料电池一侧通入氢气，另一侧通入氮气，并且使两侧气体的压力、湿度以及燃料电池自身的温度处于恒定水平；
2)对燃料电池相继施加不同大小的恒电压激励；
3)测量燃料电池在各恒电压激励下对应的稳态响应电流值；
4)根据施加的电压值和对应的稳态响应电流值进行函数拟合，获取燃料电池氢气渗透量的等效电流；
5)根据燃料电池氢气渗透量的等效电流通过换算获取燃料电池的氢气渗透量。
2.根据权利要求1所述的一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，所述的步骤1)中，燃料电池的阳极一侧通入氢气，阴极一侧通入氮气。
3.根据权利要求1所述的一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，所述氮气为高纯氮气或除去氧气后的空气。
4.根据权利要求1所述的一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，所述的步骤2)中，恒电压激励的施加方式具体为：
施加多个、独立、幅值大小不同的阶跃电压信号，或者单个、连续、在不同电压大小下保持一定时间的阶梯电压信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，在施加恒电压激励时，低电位点连接燃料电池通入氢气一侧，高电位点连接燃料电池通入氮气一侧。
6.根据权利要求4所述的一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：
若施加的电压激励为多个、独立、幅值大小不同的阶跃电压信号，则选取每个阶跃信号末尾的时间段，对选取的时间段内测得的响应电流取平均值，作为对应的稳态电流响应值；若施加的电压激励为单个、连续、在不同电压大小下保持一定时间的阶梯电压信号，则选取每个阶梯末尾的时间段，对选取的时间段测得的电流响应取平均值，作为对应的稳态电流响应值。
7.根据权利要求6所述的一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，所述的每个阶跃信号末尾的时间段时长为0.5s。
8.根据权利要求1所述的一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：
根据各激励电压值和对应的稳态电流值绘制纵坐标为电流、横坐标为电压的离散化伏安特性图，在离散化伏安特性图中，对于电流和电压呈现线性关系的区段，提取该区段内的数据点，采用线性函数拟合得到最佳拟合直线，该最佳拟合直线与纵轴的截距值即为氢气渗透量的等效电流值。
9.根据权利要求8所述的一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，所述的最佳拟合直线的表达式为：
其中，I为稳态电流响应值，U为激励电压，
为氢气渗透量的等效电流值，K为伏安特性中线性区段的斜率。
10.根据权利要求9所述的一种基于稳态伏安法的燃料电池氢气渗透量测量方法，其特征在于，所述的步骤5)中，燃料电池的氢气渗透量的换算式为：
其中，F为法拉第常数，其值为96485C·mol-1，
为氢气渗透量。
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