CN115000468A - 一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，该燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法包括：S0：对所述燃料电池堆进行气密性测试和极化曲线测试；S1：启动燃料电池堆；S2：给燃料电池堆加载负载并运行至电压稳定；S3：燃料电池堆停机；S4：向阴极腔充入空气，并将阴极腔内的气体压力调节至设定压力；S5：监测阳极腔内气体中的氧气含量；S6：判断阳极腔内气体中的氧气含量是否与空气中的氧气含量相同；若是，则判断所述燃料电池堆启动的次数是否达到N次；若达到，则返回S0；若未达到，则返回S1。该燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法更加安全、可控，且能保证燃料电池堆的每个单电池衰减一致性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法。
背景技术
燃料电池堆是一种将外部供应的燃料和氧化剂的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能(直流电)及生成热和反应产物的电化学装置。由于其不受卡诺循环的限制，可以高效地将化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell，简称PEMFC)由于具有低温启动、结构简单、操作方便等特点，可被广泛应用于电动汽车的动力系统。
燃料电池在使用过程中需要频繁的启动和停机。燃料电池启停过程中的不可逆转的衰减工况之一就是氢/空界面的形成。氢/空界面形成的最直接原因为停机后阴极侧的氧气渗透到阳极侧以及长时间停机大气中的空气逐渐渗透至阳极侧。当燃料电池启动后，氢气被输送至阳极侧，氢气和渗透到阳极侧的氧气在阳极侧接触并在催化剂的直接作用下发生氧化还原反应，这一过程对燃料电池堆阴极催化层影响较大。当再次停机时，阴极侧的氧气又渗透到阳极侧，再次启动后，被输送至阳极侧的氢气又与空气反应，这样周而复始的反复操作，对燃料电池堆的寿命影响极大，并直接影响燃料电池堆性能。为了研究启停工况对燃料电池堆寿命的影响，需要进行启停工况耐久性试验。由于燃料电池停机后，自然情况下空气渗透至阳极侧的氢腔内是一个缓慢发生的过程，持续时间较长。如要按照燃料电池实际运行测试燃料电池启停工况对燃料电池的影响，则需要消耗大量的人力和物力，短时间内得不出相应的结果。因此需要一种能加速实现启停工况耐久性测试的方法。
现有技术中启停工况耐久性测试方法为在燃料电池堆停机瞬问，人为地利用空气电磁阀往燃料电池阳极侧的氢腔里注入空气，使空气和氢气混合，加速燃料电池启停过程中对电池的腐蚀，以考察燃料电池启停寿命。然而，此方法直接向阳极侧的氢腔充入空气，空气中的氧气会在催化剂的作用下直接与氢气发生反应，会放出大量的热，容易发生危险，安全性差，而且如若充入空气流量较小，充入燃料电池堆后分配到各单电池的空气流量不可控，分配到各单电池的空气流量不均匀，容易出现局部热点，导致各单电池不同程度的衰减，影响燃料电池堆衰减一致性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，以解决现有技术中启停工况耐久性测试方法直接向阳极侧的氢腔充入空气，空气中的氧气直接与氢气反应，安全性差，且分配到各单电池的空气流量不均匀，可控性差的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，包括：
S0：对所述燃料电池堆进行气密性测试和极化曲线测试，并记录结果；
S1：将燃料电池堆的阳极侧的阳极腔充满氢气，且所述燃料电池堆的阴极侧的阴极腔充满空气或氧气后，启动所述燃料电池堆；
S2：给所述燃料电池堆加载负载并运行至电压稳定，所述负载为第一设定电流密度；
S3：所述燃料电池堆停机；
S4：向所述阴极腔充入空气，并将所述阴极腔内的气体压力调节至设定压力；
S5：监测所述阳极腔内气体中的氧气含量；
S6：判断所述阳极腔内气体中的氧气含量是否与空气中的氧气含量相同；
若是，则进行S7；
S7：判断所述燃料电池堆启动的次数是否达到N次；
若是，则返回S0；
若否，则返回S1。
作为上述燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的一种优选方案，在S0和S1之间还包括：
判断所述燃料电池堆的寿命是否终止；
若是，则结束测试；
若否，则进行S1。
作为上述燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的一种优选方案，在S2和S3之间还包括：
将给所述燃料电池堆加载的所述负载减小至第二设定电流密度，且将所述燃料电池堆的温度降低至设定温度。
作为上述燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的一种优选方案，所述第二设定电流密度为0.5A/cm2。
作为上述燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的一种优选方案，在S3和S4之间还包括：
对阳极腔内的氢气进行稀释。
作为上述燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的一种优选方案，对阳极腔内的氢气进行稀释包括：
将阳极腔内的气体成分设置为n1％的氢气和n2％的氮气，其中，n1<n2。
作为上述燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的一种优选方案，氢气管路两端分别连通氢气瓶和所述阳极腔，氮气管路两端分别连通氮气瓶和阳极腔，所述氢气管路设置有第一比例阀，氮气管路设置有第二比例阀；
将阳极腔内的气体成分设置为n1％的氢气和n2％的氮气包括：
控制第一比例阀和第二比例阀，以使通入阳极腔的气体成分为n1％的氢气和n2％的氮气。
作为上述燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的一种优选方案，阳极腔内设置有氧浓度传感器；
S5中监测所述阳极腔内气体中的氧气含量包括：
通过氧浓度传感器监测所述阳极腔内气体中的氧气含量。
作为上述燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的一种优选方案，所述第一设定电流密度的范围为1.0A/cm2～1.5A/cm2。
作为上述燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的一种优选方案，所述设定压力为0.5barg。
本发明的有益效果：
本发明提供一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，该燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，向阴极腔充入空气并将阴极腔内的气体压力调节至设定压力，增大阴极腔与阳极腔内气体的压力差，由于阴极腔内气体压力大于阳极腔内气体压力，阴极腔内的空气在压差的作用下透过质子交换膜进入阳极腔与阳极腔内的氢气反应，增大压差能够加速阴极腔内的空气向阳极腔渗透，有利于减少测试时间，提高测试效率。空气透过质子交换膜渗透至阳极腔的渗透过程是持续进行的，瞬时透过质子交换膜的空气渗透量较少，持续且少量的空气与氢气反应，产生的热量不会太高，并且可以通过控制阴极腔与阳极腔内气体的压差从而控制空气渗透量，更加安全、可控，而且空气通过质子交换膜渗透至阳极腔渗透更加均匀，燃料电池堆内各个单电池中阴极腔内空气都会相同程度的通过质子交换膜渗透至阳极腔，保证燃料电池堆的每个单电池衰减一致性。并且该燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法在测试中不引入其他类型的衰减，有利于研究启停工况这一单独因素对燃料电池堆寿命的影响。
附图说明
图1是本发明具体实施例提供的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
现有技术中启停工况耐久性测试方法为在燃料电池堆停机瞬问，人为地利用空气电磁阀向阳极侧的氢腔里直接注入空气，空气中的氧气在与氢气的剧烈反应下，会放出大量的热，容易发生危险，安全性差，而且空气充入燃料电池堆后分配到各单电池的空气流量不可控，分配到各单电池的空气流量不均匀，容易出现局部热点，导致各单电池不同程度的衰减，影响燃料电池堆的各个单电池衰减一致性，测试结果不准确。
由此，本发明提供一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，该燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，向阴极腔充入空气并将阴极腔内的气体压力调节至设定压力，增大阴极腔与阳极腔内气体的压力差，驱动阴极腔内的空气透过质子交换膜进入阳极腔，透过质子交换膜进入阳极腔的空气与阳极腔内的氢气反应，增大压差能够加速阴极腔内的空气向阳极腔渗透，有利于减少测试时间，提高测试效率。空气透过质子交换膜渗透至阳极腔的渗透过程是持续进行的，瞬时透过质子交换膜的空气渗透量较少，不会产生安全问题，而且可以通过控制阴极腔与阳极腔内气体的压差从而控制空气渗透量，空气通过质子交换膜渗透至阳极腔渗透更加均匀，燃料电池堆内各个单电池中阴极腔内空气都会相同程度的通过质子交换膜渗透至阳极腔，保证燃料电池堆的每个单电池衰减一致性，且测试中不引入其他类型的衰减，有利于研究启停工况这一单独因素对燃料电池堆寿命的影响。
本发明提供一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，如图1所示，该燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，包括：
S0：对燃料电池堆进行气密性测试和极化曲线测试，并记录结果。
通过对燃料电池堆进行气密性测试，测试阳极腔和阴极腔是否外漏或窜漏。燃料电池堆出现外漏或窜漏影响燃料电池堆的安全性；通过对燃料电池堆进行极化曲线测试，实现燃料电池堆电化学性能检测。
判断燃料电池堆的寿命是否终止；若是，则结束测试；若否，则进行S1。
根据极化曲线测试的结果判断燃料电池堆的寿命是否终止。若燃料电池堆的寿命终止，则该燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法结束；若燃料电池堆的寿命未终止，则该燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法继续进行。可以理解的是，当在额定电流下，燃料电池堆的电压衰减至20％，则判定燃料电池堆的寿命终止。
S1：将燃料电池堆的阳极侧的阳极腔充满氢气，且燃料电池堆的阴极侧的阴极腔充满空气或氧气后，启动燃料电池堆。
S2：给燃料电池堆加载负载并运行至电压稳定，负载为第一设定电流密度。可选地，第一设定电流密度的范围为1.0A/cm2～1.5A/cm2。
启动燃料电池堆后，将燃料电池堆的负载加载至1.0A/cm2～1.5A/cm2，并运行至电压波动稳定在小于5mV的范围内，以初始化质子交换膜内部水含量。由于质子交换膜内部水含量与质子交换膜的空气扩散速率相关，初始化质子交换膜内部水含量能保证质子交换膜的空气扩散速率一致。
将给燃料电池堆加载的负载减小至第二设定电流密度，且将燃料电池堆的温度降低至设定温度。可选地，第二设定电流密度为0.5A/cm2。可选地，设定温度为室温，室温一般为25℃左右。
在燃料电池堆停机前，减小燃料电池堆的负载至0.5A/cm2，且关闭冷却系统的冷却液加热模块，将燃料电池堆的温度降至室温，以模拟燃料电池堆停机前的降载过程。
S3：燃料电池堆停机。
燃料电池堆停机后对阳极腔内的氢气进行稀释。可选地，稀释后的阳极腔内的气体成分为n1％的氢气和n2的氮气，其中，n1<n2。本实施例中，n1为10，n2为90。在其他实施例中，也可根据实际需要，将n1和n2设置成其他值。
可以理解的是，若阳极腔内的氢气含量较多，则需要大量的空气从质子交换膜渗透至阳极腔才能完全与氢气完全反应，消耗完氢气所需时间较长。本实施例中，燃料电池堆停机后，对阳极腔内的氢气进行稀释，减少阳极腔内的氢气含量，以使少量的空气从质子交换膜渗透至阳极腔内即可与氢气完全反应，能够快速消耗完阳极腔内的氢气，用时短，能加速启停工况耐久性测试。
可选地，氢气管路两端分别连通氢气瓶和阳极腔，氮气管路两端分别连通氮气瓶和阳极腔，氢气管路设置有第一比例阀，氮气管路设置有第二比例阀；控制第一比例阀和第二比例阀，以使通入阳极腔的气体成分为10％的氢气和90％的氮气。
相比于向还存留有氢气的阳极腔直接充入氮气以稀释氢气，本实施例中，通过控制第一比例阀和第二比例阀，直接使成分为10％的氢气和90％的氮气的气体通入阳极腔，能够快速实现阳极腔的氢气含量达到目标含量，即能快速将阳极腔内气体成分变为所需的成分。可以理解的是，目标含量为10％。所需成分为10％的氢气和90％的氮气。
S4：向阴极腔充入空气，并将阴极腔内的气体压力调节至设定压力。可选地，设定压力为0.5barg。可选地，以流量vAir向阴极腔内充入空气，vAir的范围为2SLPM/cell<vAir<5SLPM/cell。
向阴极腔充入空气后，通过控制与阴极腔连通的背压阀的开度，将阴极腔内的气体压力调节至设定压力，以增加阴极腔与阳极腔的压力差，由于阴极腔内压力大于阳极腔的压力，阴极腔内的空气在压差的作用下透过质子交换膜进入阳极腔与阳极腔内氢气反应，增大压差能够加速阴极腔内的空气向阳极腔渗透，有利于减少测试时间，提高测试效率。空气透过质子交换膜渗透至阳极腔的渗透过程是持续进行的，瞬时透过质子交换膜的空气渗透量较少，持续且少量的空气与氢气反应，产生的热量不会太高，并且可以通过控制阴极腔与阳极腔内气体的压差从而控制空气渗透量，不会产生安全问题，而且空气通过质子交换膜渗透至阳极腔，空气更加均匀地进入阳极腔，燃料电池堆内各个单电池中阴极腔内空气都会相同程度的通过质子交换膜渗透至阳极腔，能保证燃料电池堆的各个单电池衰减一致性，以保证测试结果更加准确。
S5：监测阳极腔内气体中的氧气含量。可选地，阳极腔内设置有氧浓度传感器；通过氧浓度传感器监测阳极腔内气体中的氧气含量。
S6：判断阳极腔内气体中的氧气含量是否与空气中的氧气含量相同；若是，则进行S7。
通过氧浓度传感器监测的阳极腔内气体中的氧气含量，判断阳极腔内气体中的氧气含量是否与空气中的氧气含量相同。可以理解的是，若阳极腔内的氢气完全与从质子交换膜渗透至阳极腔内的氧气反应完全，即若阳极腔内的氢气消耗完，则阳极腔内的气体可以视作空气。若阳极腔内气体中的氧气含量与空气中的氧气含量相同，则说明阳极腔内的氢气已经被消耗完。
可以理解的是，空气中氧气含量为21％，空气中氮气含量为78％。
S7：判断燃料电池堆启动的次数是否达到N次。
若是，则返回S0。若燃料电池堆启动的次数达到N次，则说明已经循环进行S1-S7 N次了。在燃料电池堆第一次启动前，对燃料电池堆进行气密性测试和极化曲线测试，当燃料电池堆启动的次数每达到一个N次，对燃料电池堆进行一次气密性测试和极化曲线测试，以观察启停工况对燃料电池堆电化学性能及寿命的影响。
若否，则返回S1。若燃料电池堆启动的次数未达到N次，则继续循环S1-S7。
本实施例中，N＝10，在其他实施例中，N也可为20、30、40、50、100等，可根据实际需要进行设置。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，包括：
S0：对所述燃料电池堆进行气密性测试和极化曲线测试，并记录结果；
S1：将燃料电池堆的阳极侧的阳极腔充满氢气，且所述燃料电池堆的阴极侧的阴极腔充满空气或氧气后，启动所述燃料电池堆；
S2：给所述燃料电池堆加载负载并运行至电压稳定，所述负载为第一设定电流密度；
S3：所述燃料电池堆停机；
S4：向所述阴极腔充入空气，并将所述阴极腔内的气体压力调节至设定压力；
S5：监测所述阳极腔内气体中的氧气含量；
S6：判断所述阳极腔内气体中的氧气含量是否与空气中的氧气含量相同；
若是，则进行S7；
S7：判断所述燃料电池堆启动的次数是否达到N次；
若是，则返回S0；
若否，则返回S1。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，在S0和S1之间还包括：
判断所述燃料电池堆的寿命是否终止；
若是，则结束测试；
若否，则进行S1。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，在S2和S3之间还包括：
将给所述燃料电池堆加载的所述负载减小至第二设定电流密度，且将所述燃料电池堆的温度降低至设定温度。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，所述第二设定电流密度为0.5A/cm2。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，在S3和S4之间还包括：
对所述阳极腔内的氢气进行稀释。
6.根据权利要求5所述的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，对所述阳极腔内的氢气进行稀释包括：
将所述阳极腔内的气体成分设置为n1％的氢气和n2％的氮气，其中，n1<n2。
7.根据权利要求6所述的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，氢气管路两端分别连通氢气瓶和所述阳极腔，氮气管路两端分别连通氮气瓶和所述阳极腔，所述氢气管路设置有第一比例阀，氮气管路设置有第二比例阀；
将所述阳极腔内的气体成分设置为n1％的氢气和n2％的氮气包括：
控制所述第一比例阀和所述第二比例阀，以使通入所述阳极腔的气体成分为n1％的氢气和n2％的氮气。
8.根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，阳极腔内设置有氧浓度传感器；
S5中监测所述阳极腔内气体中的氧气含量包括：
通过所述氧浓度传感器监测所述阳极腔内气体中的氧气含量。
9.根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，所述第一设定电流密度的范围为1.0A/cm2～1.5A/cm2。
10.根据权利要求1-7任一项所述的燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法，其特征在于，所述设定压力为0.5barg。
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