CN114583221A - 一种电堆衰减寿命的测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电堆衰减寿命的测算方法，包括以下步骤：S1，针对电堆首次启动到稳定运行阶段时，获取功率影响因子后进入步骤S3，如未获取则进入步骤S2；S2，通过额定运行状态设置和基础参数测试，获取功率影响因子；S3，选取电堆寿命测试区，判断电堆运行稳定性，如稳定则进入步骤S4，如不稳定则重新选取电堆寿命测试区；S4，在电堆长期稳态运行后，进行电堆寿命测试期的测量，获取输入数据和输出数据，利用输入数据和输出数据对额定或标准状态电堆输出功率进行修正；S5寿命预测，利用修正后的电堆输出功率计算电堆性能衰减系数，利用电堆性能衰减系数计算得到电堆寿命，具有简易可行、运用场景广泛、可操作性强的优点。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池的技术领域，具体涉及一种电堆衰减寿命的测算方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。
当今，随着各国氢能战略的规划出台，日、欧、美等国使用基于燃料电池的车用、户用热电联产、工商业分布式热电联产等呈现蓬勃发展趋势。近十年先进的燃料电池技术如PAFC(磷酸盐燃料电池)、PEM(质子交换膜燃料电池)及SOFC(固体氧化物燃料电池)的利用都逐渐达到新高峰。我国的燃料电池技术也在不断发展前进。
燃料电池技术本身实现的壁垒较高，燃料电池的用能成本也较高。以固体氧化物燃料电池发电系统为例，电堆运行温度高达650℃以上，一般运行在 700-800℃之间。如此高的运行温度，对材料的要求、运行要求也十分苛刻。而对于PEM燃料电池，虽然运行温度在100℃以下，但涉及到气、液、固三相管理，且用于交通领域，经常频繁的启停，对电堆寿命也有较大影响。尤其技术不够过关的燃料电池系统，很容易发生电池、电堆的无征兆性能衰减。另外，目前国内燃料电池电堆寿命测算方法也尚未形成标准和规范，因此怎么预测电堆衰减，对预测及监测燃料电池系统的使用具有重大意义。
发明内容
为了实现以上目的，本发明提供了一种电堆衰减寿命的测算方法，应用于燃料电池系统中，该方法通过测试和计算燃料电池预测电堆衰减寿命。
本发明采用以下技术方案：一种电堆衰减寿命的测算方法，包括以下步骤：
S1，针对电堆首次启动到稳定运行阶段时，获取功率影响因子后进入步骤S3，如未获取则进入步骤S2；
S2，通过额定运行状态设置和基础参数测试，获取功率影响因子；
S3，选取电堆寿命测试区，判断电堆运行稳定性，如稳定则进入步骤S4，如不稳定则重新选取电堆寿命测试区；
S4，在电堆长期稳态运行后，进行电堆寿命测试期的测量，获取输入数据和输出数据，利用输入数据和输出数据对额定或标准状态电堆输出功率进行修正； S5寿命预测，利用修正后的电堆输出功率计算电堆性能衰减系数，利用电堆性能衰减系数计算得到电堆寿命。
进一步的，所述功率影响因子包括空气因子Kair、燃气因子Kfuel和温度 Ktem，且假设随着电堆运行时间t的变化，所述功率影响因子保持不变。
进一步的，所述步骤S2具体为：
S21，正常启动燃料电池发电系统，对电堆运行的稳定性进行测量和判定，待燃料电池的输出数据保持稳定后开始测量；
S22，判定电堆已处于稳定运行状态后，对电堆开展不同工况下的测试，对所有输入和输出数据进行全程记录和测量，按预设时间间隔采集输入数据和输出数据，计算得到功率影响因子。
更进一步的，所述输出数据包括输出电压、输出电流和输出功率；或者，所述输入数据包括空气进气流量、燃气流量和运行温度。
更进一步的，所述步骤S21对电堆运行的稳定性进行测量和判定具体为：
A1以秒为单位设置第一预设时间间隔，选取n分钟内的输出数据；
A2计算输出数据的变化率；
A3根据电堆稳定运行的判断标准，判断该变化率是否满足判断标准，如满足则认为电堆稳定运行。
更进一步的，所述步骤S21对电堆运行的稳定性进行测量和判定具体为： B1启动测量，以时间单位为秒为第二预设时间间隔，记录一段时间内的N1 组输出数据；
B2计算这组输出数据的平均值，定为标准值；
B3再测量记录N2组输出数据，将N2组输出数据分别与标准值进行比较，得到N2个变化率；
B4当N2个变化率都小于预设变化值时，则认定电堆已经达到稳定运行状态。
更进一步的，所述步骤S22具体为：
a)工况一保持电堆输入燃气流量Lfuel、运行温度Top不变，改变电堆空气进气流量Lair，测量输出功率P，利用输出功率P计算得到空气进气流量对电堆输出功率的影响因子Kair；
b)工况二保持电堆输入空气流量Lair、运行温度Top不变，改变燃气进气流量Lfuel，测量输出功率P，利用输出功率P计算得到燃气进气流量对电堆输出功率的影响因子Kfuel；
c)工况三保持电堆输入燃气流量Lfue、空气流量Lair不变，改变运行温度Top，测量输出功率P，利用输出功率P计算得到运行温度对电堆输出功率的影响因子Ktem。
更进一步的，所述步骤S22中的电堆输入燃气流量Lfuel、运行温度Top、电堆输入空气流量Lair均为额定或标准输入值。
进一步的，所述步骤S4具体为：
S41，在判断电堆长期稳态运行后，设置多个测量时期；
S42，数据获取，电堆稳定运行之后，记录该测量时期的输入数据和输出数据；
S43，对额定或标准状态的电堆输出功率的修正，对该测量时期的输入数据和输出数据分别求平均值，并根据功率影响因子考虑输入数据与额定数据之间的偏差后，计算输出功率P的偏差以及最终的输出；
S44，得到多个测量时期下电堆的输出功率P修正后的值。
进一步的，所述S5具体为：
S51，选取时间间隔较近的两个测量点进行电堆性能衰减系数X的计算：(Pt2-Pt1)/(t2-t1)＝X；t1、t2分别表示电堆运行的时间，Pt1、Pt2分别表示修正后额定状态下的电堆功率；
S52，利用电堆性能衰减系数X计算电堆寿命，L电堆＝t2-(Pt2-P80％)/X。
采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：在电堆运行的任何时长、且不同的输入、输出功率状态等，均可以进行参数的测量和寿命的预测；使用灵活简单，可广泛用于电池、电堆以及发电系统中，本方法可推广复制性强。
附图说明
图1是一种电堆衰减寿命的测算方法的流程图。
具体实施方式
结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述，使得本技术方案更加清楚、明白。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本实施例涉及一种电堆衰减寿命的测算方法，通过针对燃料电池发电系统中电堆衰减测试及计算方式，实现达到预测电堆衰减寿命的目的。燃料电池系统运行的关键参数包括燃气进气量、空气进气量、运行温度、输出电压、输出电流、输出功率等。
本测算方法实现的主要原理为：
由于每次电堆在长期运行时，输入的空气进气流量Lair、燃气流量Lfuel和运行温度Top状态可能因为各类原因，发生不可能完全一样，故提出针对每个电堆在首次启动(若未抓住首次启动的时机，后续也可测量)后的稳定运行阶段，测量得到一套功率影响因子：包括空气因子Kair、燃气因子Kfuel和温度 Ktem，且假设随着电堆运行时间t的变化，这一套功率影响因子Kair、Kfuel 和Ktem保持不变。空气进气流量Lair、燃气流量Lfuel和电堆运行温度Top 的变化导致输出功率P的变化用影响因子Kair、Kfuel和Ktem表示。
主要测量方法为，首先进行一个准额定或标准状态下的测试，分别改变三项输入参数Lair、Lfuel和Top，测量其对输出功率P的影响，获取数据后计算得到空气因子Kair、燃气因子Kfuel和温度Ktem。后续每次测量时，通过利用影响因子Kair、Kfuel和Ktem，将测试时电堆状态修正到额定功率状态。由于随着电堆运行时间t的变化，电堆的性能会发生衰减。
最终的做法是比较不同电堆运行时长下，额定功率状态下电堆的输出性能，得到电堆衰减率，从而利用衰减率预测计算电堆的最终寿命。这需要在电堆不断运行过程中进行电堆稳定状态的判断、数据的记录，并选取数据进行计算和预测电堆寿命。
单独测试不同运行时间t时每次电堆的输出性能指标主要包括电堆功率、输出电压和输出电流等，由于电堆输出功率等于电堆输出电压和电流的乘积，故以下仅以电堆输出功率作为主要输出指标，实际操作时记录电流和电压乘积照样可以得到一致的结果。
本实施例中，电堆衰减寿命的测算方法的实现过程如下：
S1，针对电堆首次启动到稳定运行阶段时，获取功率影响因子后进入步骤S3，如未获取则进入步骤S2；
S2，通过额定运行状态设置和基础参数测试，获取功率影响因子；
S3，选取电堆寿命测试区，判断电堆运行稳定性，如稳定则进入步骤S4，如不稳定则重新选取电堆寿命测试区；
S4，在电堆长期稳态运行后，进行电堆寿命测试期的测量，获取输入数据和输出数据，利用输入数据和输出数据对额定或标准状态电堆输出功率进行修正；
S5寿命预测，利用修正后的电堆输出功率计算电堆性能衰减系数，利用电堆性能衰减系数计算得到电堆寿命。
在步骤S2中，通过额定运行状态设置和基础参数测试，获取功率影响因子的具体过程如下。
S21，正常启动燃料电池发电系统，待燃料电池输出电压、输出电流、输出功率保持稳定后开始测量，一般使电堆尽量保持在额定输入状态，即燃气流量Lfuel、空气进气流量Lair以及运行温度Top均在产品的额定输入值，注：如果无法稳定在额定状态，那么必须确认一个标准状态，此状态下的各输入参数与后续测试时的输入参数均保持一致。
本实施例中在整个测算方法中，电堆运行是否稳定采用下述的两种判断方法进行判断。
可以采用的判定方法1为：电堆稳定运行的判断标准为电流和电压的单位时间变化率小于0.1％/s，功率的单位时间变化率小于0.21％/s。按照每秒一个的间隔，选取n分钟(n为1-5分钟均可)的数据，下面公式中：Vmax代表n 分钟数据中的输出电压最大值；Vmin代表n分钟数据中的输出电压最小值； Imax代表n分钟数据中的输出电流最大值；Imin代表n分钟数据中的输出电流最小值；Pmax代表n分钟数据中的输出电功率最大值；Pmin代表n分钟数据中的输出电功率最小值；V变化率、I变化率、P变化率分别代表n分钟数据中输出电压 V、输出电流I、输出功率P的变化率，
(Vmax-Vmin)/(Vmin*n*60)＝V变化率
(Imax-Imin)/(Imin*n*60)＝I变化率
I变化率,和V变化率均需小于0.1％/s，P变化率小于0.21％/s。
可以采用的判定方法2为：启动测量，记下时间点00:00:00，并每隔5秒记录一个数据，总共记录10组数据。
00:00:00电压V1，电流I1，功率P1
00:00:05电压V2，电流I2，功率P2
……
00:00:50电压V10，电流I10，功率P10
计算Pavg＝(P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7+P8+P9+P10)/10，此时的Pavg定为标准P标。
之后，再记录5组数据，P1＇P2＇P3＇P4＇P5＇，分别将这5组数据与P标进行比较。
分别计算(P1＇-P标)/P标＝P1＇变化率；
计算所得所有的变化率值：P1＇变化率、P2＇变化率、P3＇变化率、P4＇变化率、P5＇变化率均小于等于2‰，则可认为是电堆已经达到稳定运行状态。
当判断电堆已处于稳定运行状态后，对下面几种工况测试过程的所有输入和输出数据进行全程记录和测量，数据间隔每秒一个。
S22，在电堆稳定运行后，对电堆开展以下几种工况的测试，得到功率影响因子。
工况1：保持电堆输入燃气流量Lfuel以及运行温度Top不变(均为额定或标准输入值)，分别改变电堆空气进气速度Lair，并测量输出功率P。测量时间10分钟以上。对记录Lair和P两组数据进行线性插值计算，P＝Lair*Kair+C，其中C1为常数，计算空气进气流量对电堆输出功率的影响因子Kair。Kair为单位空气流量的变化对功率的影响，单位：Wmin/l。
工况2：保持电堆输入空气流量Lair以及运行温度Top不变(均为额定或标准输入值)，改变燃气进气速度Lfuel，并测量输出功率P，测量时间10分钟以上。对记录的Lfuel和P两组数据进行线性插值计算P＝Lfuel*Kfuel+C2，其中C2为常数，计算燃气进气流量对电堆输出功率的影响因子Kfuel。Kfuel为单位燃料气进气流量的变化对功率的影响，单位：Wmin/l。
工况3：保持电堆输入燃气流量Lfue以及空气流量Lair不变(均为额定或标准输入值)，改变运行温度Top，并测量输出功率P，测量时间10分钟以上。对记录的Top和P两组数据进行线性插值计算，P＝Top*Ktem+C3，其中C3为常数，计算运行温度对电堆输出功率的影响因子Ktem。Ktem为单位空气流量的变化对功率的影响，单位：W/℃。
所述步骤S3中，电堆运行稳定性判断：采用步骤S2中的步骤S21和步骤 S22进行判断。
所述步骤S4中，具体如下。
S41，在判断电堆长期稳态运行后，设置多个测量时期。影响因子获取后，开展电堆寿命测试期的测量。分别在电堆长期稳态运行后，在不同测试时期开展额定或标准状态下的测量，如100h；500h；1000h；2000h；3000h……
判断电堆运行稳定性，同样采用前述的方法一或方法二。
S42，数据获取，电堆稳定运行之后，记录该测量时期的输入数据和输出数据。具体是电堆稳定运行之后，记录10分钟左右的输入数据和输出数据。比如100h时的数据为Lfuel100’、Lair100’、Top100’、P100’。
S43，对额定或标准状态的电堆输出功率的修正，对该测量时期的输入数据和输出数据分别求平均值，并根据功率影响因子考虑输入数据与额定数据之间的偏差后，计算输出功率P的偏差以及最终的输出。
将该段时间的输入、输出参数分别求平均值，并根据空气因子Kair、燃气因子Kfuel和温度Ktem，考虑输入参数与额定参数之间的偏差后，计算输出参数P的偏差以及最终的输出。
ΔPair100＝Kair*(Lair–Lair100’)
ΔPfuel100＝Kfuel*(Lfeul-Lfuel100’)
ΔPtem100＝Ktem*(Top-Top100’)
最终P100＝P’+ΔPair+ΔPfuel+ΔPtem
S44，得到多个测量时期下电堆的输出功率P修正后的值。多次在不同电堆运行时长t时测量和修正计算，可以得到不同运行时长下电堆的输出功率P 值(修正后值)，如P100，P1000，P2000等。
所述S5的寿命预测具体如下。寿命终点定义：以电堆额定或标准输入状态后的输出功率P衰减到额定功率的80％即P80％，可以认为电堆寿命到达终点。
S51，衰减系数测量：尽量选取时间间隔较近的两个测量点进行计算，比如分别在电堆运行了100小时、1000小时和2000小时进行了测量，得到了修正后额定状态下的电堆功率输出P100,P1000,P2000。则优先选取P1000,P2000 即最接近目前时间的两个测量点进行计算得到电堆性能衰减系数X：
(Pt2-Pt1)/(t2-t1)＝X，
如：(P2000-P1000)/(2000-1000)＝X2000，
由于电堆的衰减一般不遵从线性衰减的规律，且越往后期，电堆衰减越快。如果由于两个时间的间隔较近，导致衰减量不明显，可以择机选择相隔稍远的时间点(比如P2000和P100)的输出参数进行计算。
S52，电堆寿命计算，利用计算得到的电堆性能衰减系数计算电堆寿命：
L电堆＝t2-(Pt2-P80％)/X
如：L电堆＝2000h-(P2000-P80％)/X2000
由于电堆性能衰减系数可以计算很多值，故电堆寿命也可以计算出很多不同的预测值。实际使用该方法时，实验者可根据电堆运行环境及电堆状态等，优先选取运行稳定状态下的数据。同时，可以考虑计算不同时间点的电堆衰减系数的变化，并考虑电堆衰减系数随着时间的变化外推电堆寿命，这样电堆的寿命预测将更为科学。
通过上述步骤方法，可以在电堆运行的任何时长、且不同的输入输出功率状态等情况下，均可以进行输入参数或输出参数的测量和寿命的预测。灵活简单、可广泛用于电池、电堆以及发电系统、可推广复制性强。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，针对电堆首次启动到稳定运行阶段时，获取功率影响因子后进入步骤
S3，如未获取则进入步骤S2；
S2，通过额定运行状态设置和基础参数测试，获取功率影响因子；
S3，选取电堆寿命测试区，判断电堆运行稳定性，如稳定则进入步骤S4，如不稳定则重新选取电堆寿命测试区；
S4，在电堆长期稳态运行后，进行电堆寿命测试期的测量，获取输入数据和输出数据，利用输入数据和输出数据对额定或标准状态电堆输出功率进行修正；
S5寿命预测，利用修正后的电堆输出功率计算电堆性能衰减系数，利用电堆性能衰减系数计算得到电堆寿命。
2.根据权利要求1所述的一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，所述功率影响因子包括空气因子Kair、燃气因子Kfuel和温度Ktem，且假设随着电堆运行时间t的变化，所述功率影响因子保持不变。
3.根据权利要求1所述的一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S21，正常启动燃料电池发电系统，对电堆运行的稳定性进行测量和判定，待燃料电池的输出数据保持稳定后开始测试；
S22，判定电堆已处于稳定运行状态后，对电堆开展不同工况下的测试，对所有输入和输出数据进行全程记录和测量，按预设时间间隔采集输入数据和输出数据，计算得到功率影响因子。
4.根据权利要求3所述的一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，所述输出数据包括输出电压、输出电流和输出功率；
或者，所述输入数据包括空气进气流量、燃气流量和运行温度。
5.根据权利要求3或4所述的一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，所述步骤S21对电堆运行的稳定性进行测量和判定具体为：
A1以秒为单位设置第一预设时间间隔，选取n分钟内的输出数据；
A2计算输出数据的变化率；
A3根据电堆稳定运行的判断标准，判断该变化率是否满足判断标准，如满足则认为电堆稳定运行。
6.根据权利要求3或4所述的一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，所述步骤S21对电堆运行的稳定性进行测量和判定具体为：
B1启动测量，以时间单位为秒为第二预设时间间隔，记录一段时间内的N1组输出数据；
B2计算这组输出数据的平均值，定为标准值；
B3再测量记录N2组输出数据，将N2组输出数据分别与标准值进行比较，得到N2个变化率；
B4当N2个变化率都小于预设变化值时，则认定电堆已经达到稳定运行状态。
7.根据权利要求1或2所述的一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，所述步骤S22具体为：
a)工况一保持电堆输入燃气流量Lfuel、运行温度Top不变，改变电堆空气进气流量Lair，测量输出功率P，利用输出功率P计算得到空气进气流量对电堆输出功率的影响因子Kair；
b)工况二保持电堆输入空气流量Lair、运行温度Top不变，改变燃气进气流量Lfuel，测量输出功率P，利用输出功率P计算得到燃气进气流量对电堆输出功率的影响因子Kfuel；
c)工况三保持电堆输入燃气流量Lfue、空气流量Lair不变，改变运行温度Top，测量输出功率P，利用输出功率P计算得到运行温度对电堆输出功率的影响因子Ktem。
8.根据权利要求7所述的一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，所述步骤S22中的电堆输入燃气流量Lfuel、运行温度Top、电堆输入空气流量Lair均为额定或标准输入值。
9.根据权利要求1所述的一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S41，在判断电堆长期稳态运行后，设置多个测量时期；
S42，数据获取，电堆稳定运行之后，记录该测量时期的输入数据和输出数据；
S43，对额定或标准状态的电堆输出功率的修正，对该测量时期的输入数据和输出数据分别求平均值，并根据功率影响因子考虑输入数据与额定数据之间的偏差后，计算输出功率P的偏差以及最终的输出；
S44，得到多个测量时期下电堆的输出功率P修正后的值。
10.根据权利要求1所述的一种电堆衰减寿命的测算方法，其特征在于，所述
S5具体为：
S51，选取时间间隔较近的两个测量点进行电堆性能衰减系数X的计算：(Pt2-Pt1)/(t2-t1)＝X；t1、t2分别表示电堆运行的时间，Pt1、Pt2分别表示修正后额定状态下的电堆功率；
S52，利用电堆性能衰减系数X计算电堆寿命，L电堆＝t2-(Pt2-P80％)/X。
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