CN114976131B - 一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法 - Google Patents

一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池测试领域，特别涉及一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法。其系统包括燃料供给模块：将液态燃料气化后与气态燃料混合构成多组分燃料供给；电池本体模块：使燃料电池发电，且保持燃料电池温度稳定在设定值；测试模块：对燃料电池进行伏安特性测试，并采集电池阻抗数据和检测尾气组分数据；分析诊断模块：根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗‑组分经验关系式；燃料供给模块连接电池本体模块，测试模块连接电池本体模块，分析诊断模块与测试模块建立通信连接。本发明实现对燃料电池在复杂供气情况下运行状态进行全程原位监测，并进行电池诊断分析。

Description

一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法
技术领域
本发明涉及燃料电池测试领域，特别涉及一种多组分供气下高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法。
背景技术
目前传统能源引起的气候、能源和环境问题日益严重，碳中和背景下亟需改善能源结构，发展新能源产业。燃料电池是将化学能直接转化为电能的装置，其具有绿色环保、安静高效的优点，近年来受到广泛关注。高温质子交换膜燃料电池采用磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜作为电解质，工作温度在120-180℃。高温质子交换膜燃料电池具有较高的杂质耐受性，其对CO的耐受度为30000ppm。由于高温质子交换膜杂质耐受度高，其与甲醇重整器连用后的甲醇重整燃料电池系统效率可达85％。
想要获得更好的重整系统性能需要根据燃料电池特点调整适合的重整器工况。然而现有的燃料电池测试平台无法针对多组分气体进行测试。同时现有的电池诊断模型通常针对纯氢供气工况，无法适用与高温、多种气体同时存在的情况。传统分析流程通常使用气体检测得到燃料电池供气组分情况，存在效率低的问题。
发明内容
本发明提供一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法，旨在弥补现有燃料电池测试系统的不足。
本发明提供一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，包括
燃料供给模块：将液态燃料气化后与气态燃料混合构成多组分燃料供给；
电池本体模块：使高温质子交换膜燃料电池发电，且保持燃料电池温度稳定在设定值；
测试模块：对高温质子交换膜燃料电池进行伏安特性测试，并采集电池阻抗数据和检测尾气组分数据；
分析诊断模块：根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗-组分经验关系式；
所述燃料供给模块连接电池本体模块并向电池本体模块供给多组分燃料，所述测试模块连接电池本体模块并对电池本体模块进行检查并获取数据，所述分析诊断模块与测试模块建立通信连接。
作为本发明的进一步改进，所述燃料供给模块包括液体燃料供应装置、气态燃料供应装置、液体燃料蒸发器、双路气体预热器、气体混合器，所述液体燃料供应装置通过液态燃料控制阀门、计量泵接入到液体燃料蒸发器内蒸发为气态，所述气态燃料供应装置分为阳极气体供应部和阴极气体供应部，所述阳极气体供应部通过阳极侧截止阀、质量流量控制器接入双路气体预热器的阳极侧，所述阴极气体供应部通过阴极侧截止阀、质量流量控制器接入双路气体预热器的阴极侧，所述液体燃料蒸发器和双路气体预热器均接入气体混合器，所述气体混合器内气化的液体燃料分别与阳极气体、阴极气体混合成阳极燃料气、阴极燃料气。
作为本发明的进一步改进，所述电池本体模块包括高温质子交换膜燃料电池、电池温控装置，所述气体混合器内混合后的阳极燃料气、阴极燃料气分别通入高温质子交换膜燃料电池的阳极、阴极，所述电池温控装置连接在高温质子交换膜燃料电池上，所述电池温控装置根据来气温度和流速以及设定温度对高温质子交换膜燃料电池进行升温或者散热。
作为本发明的进一步改进，所述测试模块包括电子负载、电化学工作站、干燥器、红外测试仪、气相色谱仪，所述电子负载通过导线连接高温质子交换膜燃料电池并进行伏安特性测试，所述电化学工作站通过导线连接高温质子交换膜燃料电池并进行电化学阻抗测试，所述干燥器连接高温质子交换膜燃料电池阴阳极的尾气出口，所述干燥器通过气体控制阀门分别接入红外测试仪、气相色谱仪。
作为本发明的进一步改进，所述分析诊断模块包括高温质子交换膜稳态模型、高温质子交换膜瞬态模型、DRT分析模型、尾气分析模块，所述高温质子交换膜稳态模型对接电子负载、电化学工作站，所述高温质子交换膜瞬态模型对接电子负载，所述DRT分析模型对接电化学工作站，所述尾气分析模块对接红外测试仪、气相色谱仪。
本发明还提供一种高温质子交换膜燃料电池性能测试方法，包括以下步骤：
S1.液体燃料通过液体燃料供应装置在计量泵的驱动下到达液体燃料蒸发器蒸发为气态；气体燃料通过气态燃料供应装置分为阳极和阴极两路，阳极气体经过阳极侧截止阀、质量流量控制器后进入双路预热器，阴极气体经过阴极侧截止阀、质量流量控制器后进入双路预热器；气体燃料在经过双路预热器混合完毕后进入气体混合器，液体燃料由蒸发器出口进入气体混合器，分别完成阳极侧气体混合和阴极侧气体混合，形成阳极燃料气、阴极燃料气；
S2.混合后的阳极燃料气和阴极燃料气分两路进入高温质子交换膜燃料电池，电池温控装置根据来气温度和流速以及设定温度对高温质子交换膜燃料电池进行升温或者散热；
S3.高温质子交换膜燃料电池稳定输出后，通过电子负载对电池进行伏安特性测试；通过电化学工作站对电池进行电化学阻抗测试，得到阻抗信息；电池阳极和阴极尾气经过干燥器去除水分，经过称重检测得到阴极和阳极的产水量并记录；通过红外测试仪实时在线检测干燥后的尾气组分，通过气相色谱仪收集干燥后的尾气并检测不同组分占比；
S4.根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗-组分经验关系式。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4具体包括步骤：
S41.高温质子交换膜稳态模型获取电池稳态测试过程中电子负载测得的电压-电流曲线、电化学工作站测得的稳态阻抗数据；高温质子交换膜瞬态模型获取电子负载的瞬态阶跃电压-时间或者电流-时间数据曲线；
S42.高温质子交换膜稳态模型和瞬态模型通过数据分析获得电池内部物质分布、热量分布以及反应状态；
S43.尾气分析模块获取红外测试仪或者气相色谱仪的组分数据；
S44.DRT分析模块根据阻抗数据和组分数据采用DRT分析方式进行数据处理，拟合得到电池组分与DRT峰值关系，得到相应的阻抗-组分的经验关系式；
S45.尾气分析模块验证和改进瞬态和稳态分析模型的分析结果，并验证阻抗-组分关系式准确性。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中得到的阻抗-组分的经验关系式为：
Figure BDA0003692955190000041
其中y表示DRT峰值，xi表示组分i的浓度，an是拟合系数，n表示n项多项式拟合的项数。
作为本发明的进一步改进，该高温质子交换膜燃料电池性能测试方法还包括步骤：
S5.实验结束后通过调整气态燃料供应装置，对高温质子交换膜燃料电池的阳极和阴极进行惰性气体吹扫，并维持吹扫直至电池温控装置将高温质子交换膜燃料电池温度冷却至室温。
作为本发明的进一步改进，该高温质子交换膜燃料电池性能测试方法还包括步骤：
S6.电池恢复过程：根据分析诊断模块的分析结果对高温质子交换膜燃料电池进行性能恢复，具体分为以下情形：
S61.对于CO等吸附类物质，通过调节气态燃料供应装置，对电池阳极通入微量氧气进行氧化去除过程；
S62.对于电池循环造成的催化剂衰退，通过向电池两极通入氢气进行氢泵实验，恢复催化剂性能。
本发明的有益效果是：采用完整的单电池或电堆作为研究对象，通过电化学工作站获得电池阻抗信息，通过电子负载获得电池伏安特性，通过尾气检测系统分析电池尾气组成，将以上数据导入分析模型。通过数据分析获得电池内部物质分布、热量分布以及反应状态，并通过DRT分析可得到不同组分与电池阻抗的经验关系式，建立阻抗-组分经验式，通过阻抗变化判断电池组分，节约测试时间。最终实现对HT-PEMFCs在复杂供气情况下运行状态进行全程原位监测，并进行电池诊断分析。
附图说明
图1是本发明中高温质子交换膜测试系统的布置图；
图2是本发明中阻抗-组分经验关系式拟合程序的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、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。
本发明的目的：一是提供一种供给多组分高温环境的燃料电池测试系统；另一个是通过测试数据对燃料电池内部状态进行诊断分析。
实施例一：
如图1所示，本发明的一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，包括燃料供给模块1：将液态燃料气化后与气态燃料混合构成多组分燃料供给；
电池本体模块2：使高温质子交换膜燃料电池21发电，且保持燃料电池温度稳定在设定值；
测试模块3：对高温质子交换膜燃料电池21进行伏安特性测试，并采集电池阻抗数据和检测尾气组分数据；
分析诊断模块4：根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗-组分经验关系式；
燃料供给模块1连接电池本体模块2并向电池本体模块2供给多组分燃料，测试模块3连接电池本体模块2并对电池本体模块2进行检查并获取数据，分析诊断模块4与测试模块3建立通信连接，测试模块3采集数据后汇总给分析诊断模块4。
其中燃料供给模块1包括液体燃料供应装置11、气态燃料供应装置12、液体燃料蒸发器13、双路气体预热器14、气体混合器15，气体混合器15内部设有两个舱室，分别给阴阳两极的气体与气化液体混合；液体燃料供应装置11通过液态燃料控制阀门16、计量泵17接入到液体燃料蒸发器13内蒸发为气态，气态燃料供应装置12分为阳极气体供应部和阴极气体供应部，阳极气体供应部通过阳极侧截止阀18、质量流量控制器10接入双路气体预热器14的阳极侧，阴极气体供应部通过阴极侧截止阀19、质量流量控制器10接入双路气体预热器14的阴极侧，液体燃料蒸发器13和双路气体预热器14均接入气体混合器15，气体混合器15内气化的液体燃料分别与阳极气体、阴极气体混合成阳极燃料气、阴极燃料气。
电池本体模块2包括高温质子交换膜燃料电池21、电池温控装置22，气体混合器内混合后的阳极燃料气、阴极燃料气分别通入高温质子交换膜燃料电池21的阳极、阴极，电池温控装置22连接在高温质子交换膜燃料电池21上，电池温控装置22根据来气温度和流速以及设定温度对高温质子交换膜燃料电池21进行升温或者散热。
测试模块3包括电子负载31、电化学工作站32、干燥器33、红外测试仪34、气相色谱仪35，电子负载31的正负极通过导线连接高温质子交换膜燃料电池21并进行伏安特性测试，电子负载31是通过调节自身功率来给燃料电池施加不同负载，从而测试燃料电池的伏安特性，电化学工作站32的正负极通过导线连接高温质子交换膜燃料电池21并进行电化学阻抗测试，干燥器33连接高温质子交换膜燃料电池21阴阳极的尾气出口，干燥器33通过气体控制阀门36分别接入红外测试仪34、气相色谱仪35。
分析诊断模块4包括高温质子交换膜稳态模型41、高温质子交换膜瞬态模型42、DRT分析模型43、尾气分析模块44，高温质子交换膜稳态模型41对接电子负载31、电化学工作站32，高温质子交换膜瞬态模型42对接电子负载31，DRT分析模型43对接电化学工作站32，尾气分析模块44对接红外测试仪34、气相色谱仪35。分析诊断模块4使用计算机模块根据构建好的四个模型：高温质子交换膜稳态模型41、高温质子交换膜瞬态模型42、DRT分析模型43、尾气分析模块44进行分析。
实施例二：
本发明还提供了一种高温质子交换膜燃料电池性能测试方法，包括以下步骤：
S1.液体燃料通过液体燃料供应装置11在计量泵17的驱动下到达液体燃料蒸发器13蒸发为气态；在实际的实施过程中，液体燃料如甲醇和水通过液体燃料供应装置11在计量泵17的驱动下沿着图1中虚线所示路径到达液体燃料蒸发器13蒸发为气态，该方法可以定量对液态燃料进行蒸发，对比饱和蒸汽压方法可以更加精准的控制液态燃料的含量。
气体燃料通过气态燃料供应装置12分为阳极和阴极两路，图1中实线为气体路径，阳极气体经过阳极侧截止阀18、质量流量控制器10后进入双路预热器14，阴极气体经过阴极侧截止阀19、质量流量控制器10后进入双路预热器14；阴极气体和阳极气体需要分别通入阴极和阳极进行电化学反应，二者需要分开，同时分两路也可以分别对阴极和阳极气体进行多组分实验。
气体燃料在经过双路预热器14混合完毕后进入气体混合器15，液体燃料由液体燃料蒸发器13出口进入气体混合器15，分别完成阳极侧气体混合和阴极侧气体混合，形成阳极燃料气、阴极燃料气。
S2.混合后的阳极燃料气和阴极燃料气分两路进入高温质子交换膜燃料电池21，电池温控装置22根据来气温度和流速以及设定温度对高温质子交换膜燃料电池21进行升温或者散热，保证电池温度稳定在设定值附近。
S3.高温质子交换膜燃料电池21稳定输出后，通过电子负载31对电池进行伏安特性测试，伏安特性测试包括稳态恒流测试、稳态恒压测试、瞬态阶跃电压测试以及瞬态阶跃电流测试等。
通过电化学工作站32对电池进行电化学阻抗测试，得到阻抗信息；电池阳极和阴极尾气经过干燥器去除水分，经过称重检测得到阴极和阳极的产水量并记录；通过红外测试仪34实时在线检测干燥后的尾气组分，通过气相色谱仪35收集干燥后的尾气并检测不同组分占比。
气体检测仪器包括红外测试仪34和气相色谱仪35，红外测试仪34可以实时在线检测尾气组分，可用于瞬态测试过程，气相色谱仪35可以收集气体用于检测不同组分占比，可用于稳态测试过程，对二者测试结果进行记录和保存，用于后续分析诊断。
S4.根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗-组分经验关系式。
如图2所示，步骤S4具体包括步骤：
S41.高温质子交换膜稳态模型41获取电池稳态测试过程中电子负载31测得的电压-电流曲线、电化学工作站32测得的稳态阻抗数据；高温质子交换膜瞬态模型42获取电子负载31的瞬态阶跃电压-时间或者电流-时间数据曲线；
S42.高温质子交换膜稳态模型41和瞬态模型42通过数据分析获得电池内部物质分布、热量分布以及反应状态；
电池诊断分析模块的多组分高温质子交换膜稳态模型41和瞬态模型42，通过对比纯氢与多组分气体的电池伏安特性曲线获得电池电性能变化。
S43.尾气分析模块44获取红外测试仪34或者气相色谱仪35的组分数据；
S44.DRT分析模块43根据阻抗数据和组分数据采用DRT分析方式进行数据处理，拟合得到电池组分与DRT峰值关系，得到相应的阻抗-组分的经验关系式；
分析诊断模块4可以根据DRT分析模型43对阻抗谱进行处理，拟合得到电池组分与DRT峰值关系，得到相应的阻抗-组分的经验关系式，并通过尾气分析模块44进行验证。该经验关系式可同过测试电池阻抗得到电池燃料气组分，节省测试时间。
得到的阻抗-组分的经验关系式为：
Figure BDA0003692955190000091
采用多项式拟合方法得到a0的值，其中y表示DRT峰值，xi表示组分i的浓度，an是拟合系数，n表示n项多项式拟合的项数，根据上面框图的拟合程序拟合得到。
S45.通过尾气分析模块44分析电池中可能存在的反应，验证和改进瞬态和稳态分析模型的分析结果，并验证阻抗-组分关系式准确性。
S5.实验结束后通过调整气态燃料供应装置，对高温质子交换膜燃料电池21的阳极和阴极进行惰性气体吹扫，并维持吹扫直至电池温控装置22将高温质子交换膜燃料电池21温度冷却至室温。
本测试方法中还包括步骤S6.电池恢复过程，经过电池分析诊断模块4的分析结果对电池进行性能恢复。对于CO等吸附类物质，通过调节气态燃料供应装置，对电池阳极通入微量氧气进行氧化去除过程；对于电池循环造成的催化剂衰退，通过向电池两极通入氢气进行氢泵实验，恢复催化剂性能。
本发明的测试系统和测试方法通过气体混合装置以及加热蒸发装置将液态物质和气态物质混合为均匀气体；测试系统可以实现稳态测试以及瞬态测试，通过即时尾气检测可以分析多组分气体反应情况；通过多组分稳态模型和瞬态对电池性能进行分析诊断；通过DRT分析得到电池组分与DRT峰值的经验关系式，根据阻抗信息快速分析得到燃料电池供气组分。
相较于其他现有技术，本发明的优点如下：
(1)相较于已有的低温燃料电池检测装置，本发明可实现高温质子交换膜燃料电池21多组分供气条件下的性能测试；
(2)该测试系统可用于复杂进气工况下的电池性能测试，包括极化测试、阻抗测试以及尾气检测，从多个角度分析不同组分影响；
(3)相比较纯氢测试系统，该测试系统还包括气体混合器15、液态燃料供应装置11、高温电池温控装置22、尾气检测模块44、性能恢复模块以及分析诊断模块4；
(4)该测试系统中的恢复系统，采用惰性气体吹扫、氢泵以及氧气还原等方法去除杂质对电池的负面效果；
(5)该测试系统利用加热系统定量进行水分蒸发，比较饱和加热方法来说精度更高，同时减少了系统能耗；
(6)该方法采用DRT分析获得组分与阻抗的经验关系式，使用阻抗数据快速获得进气组分数据。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，包括
燃料供给模块：将液态燃料气化后与气态燃料混合构成多组分燃料供给；
电池本体模块：使高温质子交换膜燃料电池发电，且保持燃料电池温度稳定在设定值；
测试模块：对高温质子交换膜燃料电池进行伏安特性测试，并采集电池阻抗数据和检测尾气组分数据；
分析诊断模块：根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗-组分经验关系式；
所述燃料供给模块连接电池本体模块并向电池本体模块供给多组分燃料，所述测试模块连接电池本体模块并对电池本体模块进行检查并获取数据，所述分析诊断模块与测试模块建立通信连接；
所述分析诊断模块中采用DRT分析进行数据处理并拟合得到阻抗-组分经验关系式的过程包括：
高温质子交换膜稳态模型获取电池稳态测试过程中电子负载测得的电压-电流曲线、电化学工作站测得的稳态阻抗数据；高温质子交换膜瞬态模型获取电子负载的瞬态阶跃电压-时间或者电流-时间数据曲线；
高温质子交换膜稳态模型和瞬态模型通过数据分析获得电池内部物质分布、热量分布以及反应状态；
尾气分析模块获取红外测试仪或者气相色谱仪的组分数据；
DRT分析模块根据阻抗数据和组分数据采用DRT分析方式进行数据处理，拟合得到电池组分与DRT峰值关系，得到相应的阻抗-组分的经验关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中y表示DRT峰值，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示组分i的浓度，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
是拟合系数，n表示n项多项式拟合的项数；
尾气分析模块验证和改进瞬态和稳态分析模型的分析结果，并验证阻抗-组分关系式准确性。
2.根据权利要求1所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，所述燃料供给模块包括液体燃料供应装置、气态燃料供应装置、液体燃料蒸发器、双路气体预热器、气体混合器，所述液体燃料供应装置通过液态燃料控制阀门、计量泵接入到液体燃料蒸发器内蒸发为气态，所述气态燃料供应装置分为阳极气体供应部和阴极气体供应部，所述阳极气体供应部通过阳极侧截止阀、质量流量控制器接入双路气体预热器的阳极侧，所述阴极气体供应部通过阴极侧截止阀、质量流量控制器接入双路气体预热器的阴极侧，所述液体燃料蒸发器和双路气体预热器均接入气体混合器，所述气体混合器内气化的液体燃料分别与阳极气体、阴极气体混合成阳极燃料气、阴极燃料气。
3.根据权利要求2所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，所述电池本体模块包括高温质子交换膜燃料电池、电池温控装置，所述气体混合器内混合后的阳极燃料气、阴极燃料气分别通入高温质子交换膜燃料电池的阳极、阴极，所述电池温控装置连接在高温质子交换膜燃料电池上，所述电池温控装置根据来气温度和流速以及设定温度对高温质子交换膜燃料电池进行升温或者散热。
4.根据权利要求3所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，所述测试模块包括电子负载、电化学工作站、干燥器、红外测试仪、气相色谱仪，所述电子负载通过导线连接高温质子交换膜燃料电池并进行伏安特性测试，所述电化学工作站通过导线连接高温质子交换膜燃料电池并进行电化学阻抗测试，所述干燥器连接高温质子交换膜燃料电池阴阳极的尾气出口，所述干燥器通过气体控制阀门分别接入红外测试仪、气相色谱仪。
5.根据权利要求4所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，所述分析诊断模块包括高温质子交换膜稳态模型、高温质子交换膜瞬态模型、DRT分析模型、尾气分析模块，所述高温质子交换膜稳态模型对接电子负载、电化学工作站，所述高温质子交换膜瞬态模型对接电子负载，所述DRT分析模型对接电化学工作站，所述尾气分析模块对接红外测试仪、气相色谱仪。
6.一种高温质子交换膜燃料电池性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.液体燃料通过液体燃料供应装置在计量泵的驱动下到达液体燃料蒸发器蒸发为气态；气体燃料通过气态燃料供应装置分为阳极和阴极两路，阳极气体经过阳极侧截止阀、质量流量控制器后进入双路预热器，阴极气体经过阴极侧截止阀、质量流量控制器后进入双路预热器；气体燃料在经过双路预热器混合完毕后进入气体混合器，液体燃料由蒸发器出口进入气体混合器，分别完成阳极侧气体混合和阴极侧气体混合，形成阳极燃料气、阴极燃料气；
S2.混合后的阳极燃料气和阴极燃料气分两路进入高温质子交换膜燃料电池，电池温控装置根据来气温度和流速以及设定温度对高温质子交换膜燃料电池进行升温或者散热；
S3.高温质子交换膜燃料电池稳定输出后，通过电子负载对电池进行伏安特性测试；通过电化学工作站对电池进行电化学阻抗测试，得到阻抗信息；电池阳极和阴极尾气经过干燥器去除水分，经过称重检测得到阴极和阳极的产水量并记录；通过红外测试仪实时在线检测干燥后的尾气组分，通过气相色谱仪收集干燥后的尾气并检测不同组分占比；
S4.根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗-组分经验关系式；
所述步骤S4具体包括步骤：
S41.高温质子交换膜稳态模型获取电池稳态测试过程中电子负载测得的电压-电流曲线、电化学工作站测得的稳态阻抗数据；高温质子交换膜瞬态模型获取电子负载的瞬态阶跃电压-时间或者电流-时间数据曲线；
S42.高温质子交换膜稳态模型和瞬态模型通过数据分析获得电池内部物质分布、热量分布以及反应状态；
S43.尾气分析模块获取红外测试仪或者气相色谱仪的组分数据；
S44.DRT分析模块根据阻抗数据和组分数据采用DRT分析方式进行数据处理，拟合得到电池组分与DRT峰值关系，得到相应的阻抗-组分的经验关系式：
Figure 581417DEST_PATH_IMAGE002
其中y表示DRT峰值，
Figure 780449DEST_PATH_IMAGE004
表示组分i的浓度，
Figure 983022DEST_PATH_IMAGE006
是拟合系数，n表示n项多项式拟合的项数；
S45.尾气分析模块验证和改进瞬态和稳态分析模型的分析结果，并验证阻抗-组分关系式准确性。
7.根据权利要求6所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试方法，其特征在于，还包括步骤：
S5.实验结束后通过调整气态燃料供应装置，对高温质子交换膜燃料电池的阳极和阴极进行惰性气体吹扫，并维持吹扫直至电池温控装置将高温质子交换膜燃料电池温度冷却至室温。
8.根据权利要求6所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试方法，其特征在于，还包括步骤：
S6.电池恢复过程：根据分析诊断模块的分析结果对高温质子交换膜燃料电池进行性能恢复，具体分为以下情形：
S61.对于CO吸附类物质，通过调节气态燃料供应装置，对电池阳极通入微量氧气进行氧化去除过程；
S62.对于电池循环造成的催化剂衰退，通过向电池两极通入氢气进行氢泵实验，恢复催化剂性能。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115312816B (zh) * 2022-10-12 2023-01-03 融科氢能源有限公司 一种质子膜燃料电池的性能测试方法及系统

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004265802A (ja) * 2003-03-04 2004-09-24 Toyota Motor Corp 燃料電池用の燃料ガス生成システム
WO2007110970A1 (ja) * 2006-03-29 2007-10-04 The Tokyo Electric Power Company, Incorporated 界面抵抗の算出方法
JP2008151390A (ja) * 2006-12-15 2008-07-03 Toyota Motor Corp 水蒸気交換膜リフレッシュシステム、加湿器、及び燃料電池システム
CN102944887A (zh) * 2012-11-14 2013-02-27 东南大学 基于油耗与尾气排放的车辆三维导航方法
JP2014175205A (ja) * 2013-03-11 2014-09-22 Nippon Soken Inc 燃料電池監視装置
CN105702985A (zh) * 2016-01-12 2016-06-22 中国计量学院 一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统
CN111082093A (zh) * 2019-12-27 2020-04-28 武汉理工大学 一种氢燃料电池电堆耐久性测试系统及方法
CN113488682A (zh) * 2021-06-01 2021-10-08 大连锐格新能源科技有限公司 燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法
CN215496810U (zh) * 2021-07-07 2022-01-11 哈尔滨工业大学（深圳） 一种高比功率高可靠性的圆柱形自呼吸燃料电池

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4610929B2 (ja) * 2004-03-30 2011-01-12 株式会社きもと 表面保護シート
JP6539197B2 (ja) * 2015-12-15 2019-07-03 日本碍子株式会社 ガスセンサの診断方法
JP6658274B2 (ja) * 2016-04-28 2020-03-04 株式会社デンソー 燃料電池
US20170363689A1 (en) * 2016-06-16 2017-12-21 University Of South Carolina Accelerated Testing Protocols For Solid Oxide Fuel Cell Cathode Materials
EP3570355B1 (en) * 2017-01-10 2022-03-09 Nissan Motor Co., Ltd. Control method for fuel cell system, and fuel cell system
CN112684345B (zh) * 2020-12-04 2021-11-02 浙江大学 基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法
CN216311838U (zh) * 2021-12-02 2022-04-15 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池系统装置
CN114335613B (zh) * 2022-03-15 2022-05-13 北京亿华通科技股份有限公司 一种基于drt分析的燃料电池吹扫控制方法和装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004265802A (ja) * 2003-03-04 2004-09-24 Toyota Motor Corp 燃料電池用の燃料ガス生成システム
WO2007110970A1 (ja) * 2006-03-29 2007-10-04 The Tokyo Electric Power Company, Incorporated 界面抵抗の算出方法
JP2008151390A (ja) * 2006-12-15 2008-07-03 Toyota Motor Corp 水蒸気交換膜リフレッシュシステム、加湿器、及び燃料電池システム
CN102944887A (zh) * 2012-11-14 2013-02-27 东南大学 基于油耗与尾气排放的车辆三维导航方法
JP2014175205A (ja) * 2013-03-11 2014-09-22 Nippon Soken Inc 燃料電池監視装置
CN105702985A (zh) * 2016-01-12 2016-06-22 中国计量学院 一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统
CN111082093A (zh) * 2019-12-27 2020-04-28 武汉理工大学 一种氢燃料电池电堆耐久性测试系统及方法
CN113488682A (zh) * 2021-06-01 2021-10-08 大连锐格新能源科技有限公司 燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法
CN215496810U (zh) * 2021-07-07 2022-01-11 哈尔滨工业大学（深圳） 一种高比功率高可靠性的圆柱形自呼吸燃料电池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于直流内阻和交流阻抗特性的PEMFC水管理状态分析;王茹等;《化工学报》(第07期);全文 *

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