CN115371873A - 燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法及电池监控系统 - Google Patents

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CN115371873A CN202211288229.0A CN202211288229A CN115371873A CN 115371873 A CN115371873 A CN 115371873A CN 202211288229 A CN202211288229 A CN 202211288229A CN 115371873 A CN115371873 A CN 115371873A
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法及电池监控系统，测量方法包括：燃料电池选定一款质子交换膜之后，预先确定该款质子交换膜的弹性模量与温度、湿度的映射关系；对待测燃料电池电堆中的单电池进行EIS测试，得到单电池的高频截距；计算单电池的质子交换膜内阻；计算单电池的质子交换膜的溶胀形变量和热膨胀形变量；计算单电池的质子交换膜的当前应力。本发明测量电堆内膜的真实应力数据，能够作为监测电堆膜电极性能的指标数据，并提出根据膜应力测量结果对电堆执行适配的排水动作，减缓膜电极的衰减，提高电堆的性能和使用寿命。

Description

燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法及电池监控系统
技术领域
本发明涉及燃料电池性能监测领域，尤其涉及一种燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法及电池监控系统。
背景技术
燃料电池在运行过程中由于自身发热或通过冷却液加热会导致电堆内质子交换膜的热膨胀，之后其会将膨胀应力依次传递于气体扩散层、双极板和端板。另一方面，由于燃料电池单片电池表面的不均匀性，导致膨胀应力挤压也不均匀，如果应力无法释放则会挤压相邻的气体扩散层，不仅影响反应物的传质，还会加速电堆内膜电极的性能衰减，影响电堆的性能和寿命。
为了监测电堆的应力变化，采用的做法是通过将压力传感器固定在端板上，集成一套新的独立的监测系统来对电堆进行监测，或者，将传感器的信号嵌入至电堆的控制软件中，不仅大幅增大了成本和操作复杂性，并且传感器读取的数值实际为电堆整体的一个应变，而非质子交换膜的应变，无法直接检测到膜的真实应变数据。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，也不必然会给出技术教导；在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日之前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法及电池监控系统，测量电堆内膜的真实应力数据作为监测电堆膜电极性能的指标数据，以能够根据膜应力测量结果对电堆执行适配的排水动作，减缓膜电极的衰减，提高电堆的性能和使用寿命。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，包括以下步骤：
通过以下公式计算单电池的质子交换膜内阻：R m =R i －(R p1 +R p2 )－(R mrp1 +R mrp2 )，其中，R i 为单电池的高频截距，R m 为该单电池的质子交换膜内阻，R p1 为该单电池的一侧双极板的内阻，R p2 为该单电池的另一侧双极板的内阻，R mrp1 为该单电池的一侧双极板与膜电极之间的接触电阻，R mrp2 为该单电池的另一侧双极板与膜电极之间的接触电阻；
根据所述单电池的质子交换膜内阻、膜的质子电导率和膜面积，实时计算所述单电池的质子交换膜的当前膜厚度，以确定该质子交换膜的当前溶胀形变量；以及计算该质子交换膜的当前热膨胀形变量；
通过以下公式计算单电池的质子交换膜的当前应力：
Figure 805584DEST_PATH_IMAGE001
，其中，F为质子交换膜在实时电堆工况下的应力，S为质 子交换膜的膜面积，E(T,H)为根据预先确定的待测燃料电池的质子交换膜的弹性模量与温 度、湿度的映射关系，匹配到当前电堆工况所对应的弹性模量，△l h 为质子交换膜的当前热 膨胀形变量，△l r 为质子交换膜的当前溶胀形变量，l 0 为质子交换膜的初始膜厚度。
进一步地，所述质子交换膜的当前溶胀形变量通过以下公式确定：
△l r =L－l 0 ，其中，L为单电池的质子交换膜的当前膜厚度，其通过以下公式计算得到：R m =L/(K*S)，其中，R m 为质子交换膜内阻，K为质子交换膜的质子电导率，S为质子交换膜的膜面积。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述待测燃料电池的质子交换膜的弹性模量与温度、湿度的映射关系通过以下步骤确定：
获取待测燃料电池的质子交换膜样品，将所述质子交换膜样品放置在膜电极测试台上，所述膜电极测试台被配置为测量质子交换膜的厚度和应力；
给定不同组合的温度、湿度测试环境，并测量所述质子交换膜样品在不同测试环境下的膜厚度和应力；
根据以下公式计算质子交换膜的弹性模量：
Figure 373969DEST_PATH_IMAGE002
，其中，E t 为质子交 换膜样品的弹性模量，F t 为质子交换膜样品的被测应力，S t 为质子交换膜样品的膜面积，l t 为质子交换膜样品的被测膜厚度，l 0 为质子交换膜的初始膜厚度；
对质子交换膜的弹性模量与温度、湿度的映射关系进行拟合。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述质子交换膜的质子电导率通过以下公式计算得到：
K=(0.005139λ－0.00326)×exp[1268(1/303－1/T)]，其中，T为当前电堆工况下电堆内部的温度，λ为质子交换膜的水含量，其通过以下公式计算得到：
λ=0.043+17.18a－39.85a 2 ＋36a 3 ，其中，a为当前电堆工况下电堆内部的相对湿度。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述质子交换膜的当前热膨胀形变量通过以下公式确定：△l h =ε×T×l 0 ，其中，ε为质子交换膜的热膨胀系数，T为当前电堆工况下电堆内部的温度。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，利用温度传感器实时检测电堆内部的温度工况信息；
利用湿度传感器实时检测电堆内部的湿度工况信息；或者，根据对入堆空气进行加湿的加湿装置所设定的露点温度来确定电堆内部的相对湿度工况信息。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，在对待测燃料电池电堆中的单电池进行EIS测试之前，还包括：
将多通道电化学测试设备与电堆相连，包括：将所述多通道电化学测试设备的工作电极、参比电极与电堆的正负极连接，以及将所述多通道电化学测试设备的各个对电极分别与电堆的单电池的巡检一一对应连接；
对所述电堆施加扰动电流，以使EIS测试得到单电池的高频截距。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，单电池两侧的双极板的内阻相同，单电池的膜电极分别与两侧双极板之间的接触电阻相同，且所述双极板的内阻及所述接触电阻在燃料电池组装阶段均以测得，所述单电池的质子交换膜内阻的计算公式被简化为：R m =R i －2(R p1 +R mrp1 )。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，对待测燃料电池电堆中的多个单电池的质子交换膜在实时电堆工况下的应力进行在线实时测量，R i 为EIS测试得到的序号为i的单电池的高频截距。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池监控系统，利用如上所述的在线测量方法测得实际工况中燃料电池电堆内质子交换膜的应力；
若应力测量值超过预设的应力阈值，则所述燃料电池监控系统作出提示和/或处理动作。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，对燃料电池电堆中每一个单电池的质子交换膜进行应力在线测量，得到各个单电池的质子交换膜在实时电堆工况下的应力；
若相邻的多个单电池的质子交换膜的应力测量值在预设时长的时间段内均超过预设的应力阈值，且相邻的多个单电池数量超过预设的数量阈值，则控制电堆停止运行。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，若相邻的超过预设数量阈值的多个单电池的质子交换膜的应力测量值均超过预设的应力阈值，则比较当前状态下电堆的进气压力施加给气体扩散层的力与所述应力测量值，所述进气压力施加给气体扩散层的力通过以下公式计算：F p ＝P·S G ，其中，F p 为进气压力施加给气体扩散层的力，P为当前进气压力，S G 为与气体扩散层同侧的双极板的板槽横向面积；若所述进气压力施加给气体扩散层的力小于应力测量值，则增加电堆的进气压力和进气流量，否则仅增加电堆的进气流量；
若在所述预设时长的时间段内，部分单电池的质子交换膜的应力测量值变化至低于所述应力阈值，使超过应力阈值的相邻的多个单电池数量低于所述预设的数量阈值，则控制电堆继续运行。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，在所述进气压力施加给气体扩散层的力小于应力测量值的情况下，增加电堆的进气压力和进气流量的过程分为三个阶段，依次包括：
第一阶段内进气压力的增长值
Figure 590187DEST_PATH_IMAGE003
，其中，k 11的取值范围 介于1.1至2之间，F m 为质子交换膜的应力测量值，F p 为进气压力施加给气体扩散层的力，进 气流量的增长值为△v 1=k 21*v 0，其中，△v 1为第一阶段进气流量的增长值，k 21的取值范围介 于0.3至0.75，v 0为增长前的当前进气流量值；
第二阶段进气压力的增长值
Figure 269430DEST_PATH_IMAGE004
，其中，k 12的取值范围介 于1.0至1.1之间，进气流量的增长值为△v 2=k 22*v 0，其中，△v 2为第二阶段进气流量的增长 值，k 22的取值范围介于0.3至0.75且k 22≤k 21；
第三阶段进气压力的增长值
Figure 887493DEST_PATH_IMAGE005
，其中，k 13的取值范围介 于1.0至1.1之间，进气流量的增长值为△v 3=k 23*v 0，其中，△v 3为第三阶段进气流量的增长 值，k 23的取值范围介于0.1至0.25。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，若F p ＜75%×F m ，则增加电堆的进气压力和进气流量的总用时范围介于60至120秒；若75%×F m ＜F p ＜90%×F m ，则增加电堆的进气压力和进气流量的总用时范围介于30至60秒；若90%×F m ＜F p ＜100%×F m ，则增加电堆的进气压力和进气流量的总用时范围介于10至20秒；
增加电堆的进气压力和进气流量的三个阶段用时总和为t，其中第一阶段的用时范围介于0.15t至0.2t，第二阶段的用时范围介于0.5t至0.6t。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，在所述进气压力施加给气体扩散层的力大于或等于应力测量值的情况下，增加电堆的进气流量的过程分为两个阶段，依次包括：
第一阶段内进气流量的增长值为△v 1=k 21*v 0，其中，△v 1为第一阶段进气流量的增长值，k 21的取值范围介于0.3至0.75，v 0为增长前的当前进气流量值；
第二阶段内进气流量的增长值为△v 2=k 22*v 0，其中，△v 2为第二阶段进气流量的增长值，k 22的取值范围介于0.1至0.25；
所述第一阶段的用时与第二阶段的用时比例范围为0.5:1至1:1。
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
a. 测量电堆内膜的真实应力数据，能够作为监测电堆膜电极性能的指标数据；
b. 根据膜应力测量结果对电堆执行适配的排水动作，减缓膜电极的衰减，提高电堆的性能和使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个示例性实施例提供的燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法的流程示意图；
图2为本发明的一个示例性实施例提供的质子交换膜的弹性模量与温度、湿度的映射关系的拟合曲线示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
质子交换膜的应力变化会直接影响反应物的传质，因此对膜进行应力监测对于电堆性能设计优化具有重要的意义。
在本发明的一个实施例中，提供了一种燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
第一步、准备工作：在燃料电池选定一款质子交换膜之后，确定该款质子交换膜的弹性模量与温度、湿度的映射关系，具体步骤如下：
获取待测燃料电池的质子交换膜样品，将所述质子交换膜样品放置在膜电极测试台上，所述膜电极测试台被配置为测量质子交换膜的厚度l t 和应力F t ；
给定不同组合的温度、湿度测试环境，并测量所述质子交换膜样品在不同测试环境下的膜厚度l t 和应力F t ；比如，燃料电池的工况条件设定为：电堆温度分别为25℃、45℃、65℃、80℃，电堆相对湿度从30%至90%；
得到测试结果数据后，根据以下公式计算质子交换膜的弹性模量：
Figure 361199DEST_PATH_IMAGE002
，其中，E t 为计算目标，即质子交换膜样品的弹性模量，F t 为质 子交换膜样品的被测应力，S t 为质子交换膜样品的膜面积，l t 为质子交换膜样品的被测膜厚 度，l 0 为质子交换膜的初始膜厚度；
求得质子交换膜样品的弹性模量E t 后，对质子交换膜的弹性模量与温度、湿度的映射关系进行拟合，比如得到如图2所示的拟合曲线图。
第二步、组装燃料电池电堆，过程主要涉及两个方面，第一、做好EIS测试前的连接，将多通道电化学测试设备与电堆相连，即将所述多通道电化学测试设备的工作电极、参比电极与电堆的正负极连接，以及将所述多通道电化学测试设备的各个对电极分别与电堆的单电池的巡检一一对应连接；后续在装堆完成后，对所述电堆施加扰动电流，即可实现EIS测试以得到单电池的高频截距（用于应力在线测量）；另一方面，在燃料电池装堆阶段测得单电池两侧的双极板的内阻R p 、单电池的膜电极分别与两侧双极板之间的接触电阻R mrp 以及测量得到质子交换膜的膜面积S、质子交换膜的初始膜厚度l 0 （用于参与应力的公式计算）。
第三步、可以电堆拉载的运行工况下，实时地、在线地测量燃料电池电堆内质子交换膜的应力，包括以下计算步骤：
S301、对待测燃料电池电堆中的单电池进行EIS测试，得到单电池的高频截距R i ；其中，i代表单电池的序号，以利于在线测量多个单电池的膜应力时，能够明确应力测量值与单电池的对应关系。
S302、在EIS测试得到单电池的高频截距R i 之后，通过以下公式计算单电池的质子交换膜内阻：R m =R i －(R p1 +R p2 )－(R mrp1 +R mrp2 )，其中，R i 为单电池的高频截距，R m 为该单电池的质子交换膜内阻，R p1 为该单电池的一侧双极板的内阻，R p2 为该单电池的另一侧双极板的内阻，R mrp1 为该单电池的一侧双极板与膜电极之间的接触电阻，R mrp2 为该单电池的另一侧双极板与膜电极之间的接触电阻；在一个具体的实施例中，单电池两侧的双极板的内阻相同，单电池的膜电极分别与两侧双极板之间的接触电阻相同，所述单电池的质子交换膜内阻的计算公式被简化为：R m =R i －2(R p1 +R mrp1 )。
S303、计算单电池的质子交换膜的膜厚度变形量，其包括两个方面：质子交换膜的溶胀形变量和热膨胀形变量，分别通过以下方式获取：
根据所述单电池的质子交换膜内阻、膜的质子电导率和膜面积，实时计算所述单电池的质子交换膜的当前膜厚度：R m =L/(K*S)，转换后即为：L=R m ×(K*S)，其中，L为单电池的质子交换膜的当前膜厚度，R m 为步骤S302计算得到的质子交换膜内阻，K为质子交换膜的质子电导率，S为质子交换膜的膜面积，以确定该质子交换膜的当前溶胀形变量，即△l r =L－l 0 ，其中，△l r 为质子交换膜的当前溶胀形变量，l 0 为质子交换膜的初始膜厚度；
以及计算该质子交换膜的当前热膨胀形变量：△l h =ε×T×l 0 ，其中，△l h 为质子交换膜的当前热膨胀形变量，ε为质子交换膜的热膨胀系数，T为当前电堆工况下电堆内部的温度。
具体地，K为质子交换膜的质子电导率，其与质子交换膜的水含量与所在环境的温度有关，计算公式如下：K=(0.005139λ－0.00326)×exp[1268(1/303－1/T)]，其中，T为当前电堆工况下电堆内部的温度，其可以由电堆内温度传感器获取；λ为质子交换膜的水含量，在电堆工况的相对湿度≤90%RH的情况下，质子交换膜的水含量的计算公式如下：
λ=0.043+17.18a－39.85a 2 ＋36a 3 ，其中，a为当前电堆工况下电堆内部的相对湿度，其可以由电堆内湿度传感器获取，也可以根据对入堆空气进行加湿的加湿装置所设定的露点温度来确定电堆内部的相对湿度工况信息。
S304、通过以下公式计算单电池的质子交换膜的当前应力：
Figure 330293DEST_PATH_IMAGE006
，其中，F为计算目标，即质子交换膜在实时电堆工 况下的应力，S为质子交换膜的膜面积，E(T,H)为根据第一步准备工作中预先确定的待测燃 料电池的质子交换膜的弹性模量与温度、湿度的映射关系，匹配到当前电堆工况所对应的 弹性模量。
在本发明的一个实施例中，提供了一种燃料电池监控系统，利用如上所述的在线测量方法测得实际工况中燃料电池电堆内质子交换膜的应力；
若应力测量值超过预设的应力阈值，则所述燃料电池监控系统作出提示和/或处理动作，具体处理动作的实施方案如下：
对燃料电池电堆中每一个单电池的质子交换膜进行应力在线测量，得到各个单电池的质子交换膜在实时电堆工况下的应力；若相邻的多个单电池的质子交换膜的应力测量值在预设时长的时间段内均超过预设的应力阈值，且相邻的多个单电池数量超过预设的数量阈值，则控制电堆停止运行。具体的阈值设定可以根据实际电堆情况来设定，比如，对于具有60节单电池的燃料电池电堆，设定若有相邻的6节单电池（其序号连续不中断）的质子交换膜的应力测量值在1分钟内始终保持超过预设的应力阈值的情况下，则需要控制电堆停止运行；对于具有120节单电池的燃料电池电堆，设定若有相邻的10节单电池（其序号连续不中断）的质子交换膜的应力测量值在半分钟内始终保持超过预设的应力阈值的情况下，则需要控制电堆停止运行。
在本发明的一个具体的实施例中，需要在一旦检测到应力超标的情况下就启动排水动作，并且根据不同的工况情况，选择相适宜的排水策略：
比较当前状态下电堆的进气压力施加给气体扩散层的力与所述应力测量值，所述进气压力施加给气体扩散层的力通过以下公式计算：F p ＝P·S G ，其中，F p 为进气压力施加给气体扩散层的力，P为当前进气压力，S G 为与气体扩散层同侧的双极板的板槽横向面积；若所述进气压力施加给气体扩散层的力小于应力测量值，则选择第一种排水策略：增加电堆的进气压力和进气流量，若在所述预设时长的时间段内，部分单电池的质子交换膜的应力测量值变化至低于所述应力阈值，使超过应力阈值的相邻的多个单电池数量低于所述预设的数量阈值，则控制电堆继续运行。
在所述进气压力施加给气体扩散层的力小于应力测量值的情况下，增加电堆的进气压力和进气流量的过程分为三个阶段，依次包括：
第一阶段内进气压力的增长值
Figure 282068DEST_PATH_IMAGE003
，其中，k 11的取值范围 介于1.1至2之间，F m 为质子交换膜的应力测量值，F p 为进气压力施加给气体扩散层的力，进 气流量的增长值为△v 1=k 21*v 0，其中，△v 1为第一阶段进气流量的增长值，k 21的取值范围介 于0.3至0.75，v 0为增长前的当前进气流量值；
第二阶段进气压力的增长值
Figure 787261DEST_PATH_IMAGE004
，其中，k 12的取值范围介 于1.0至1.1之间，进气流量的增长值为△v 2=k 22*v 0，其中，△v 2为第二阶段进气流量的增长 值，k 22的取值范围介于0.3至0.75且k 22≤k 21；
第三阶段进气压力的增长值
Figure 166290DEST_PATH_IMAGE005
，其中，k 13的取值范围介 于1.0至1.1之间，进气流量的增长值为△v 3=k 23*v 0，其中，△v 3为第三阶段进气流量的增长 值，k 23的取值范围介于0.1至0.25。
进气压力施加给气体扩散层的力与应力测量值的偏差越大，则排水时间越长，可以通过以下设定条件确定排水时间：若F p ＜75%×F m ，则增加电堆的进气压力和进气流量的总用时（排水时间）范围介于60至120秒；若75%×F m ＜F p ＜90%×F m ，则增加电堆的进气压力和进气流量的总用时范围介于30至60秒；若90%×F m ＜F p ＜100%×F m ，则增加电堆的进气压力和进气流量的总用时范围介于10至20秒；
增加电堆的进气压力和进气流量的三个阶段用时总和为t，其中第一阶段的用时范围介于0.15t至0.2t，第二阶段的用时范围介于0.5t至0.6t，即设定第一阶段的进气压力增长较大，用时较短，第二阶段的进气压力增长度中庸，用时占三个阶段总时长的50%以上，有利于在排水耗时短、排水后的堆内残留水分少等方面体现出排水效果。
Figure 622679DEST_PATH_IMAGE007
三个阶段总进气量增长值为10.8*v 0（单位：L），总耗时45秒，三个阶段完成后控制电堆停机（目的是为了验证排水效果），检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *93.7%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
Figure 378145DEST_PATH_IMAGE008
三个阶段总进气量增长值为10.8*v 0（单位：L），总耗时18秒，三个阶段完成后控制电堆停机，检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *90.5%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
相比于实施例1，实施例2的总耗时大幅缩短，但是其尤其是第一阶段的进气压力（压强）的增长幅度接近于实施例1的两倍，且电堆停机后的阻抗值小于实施例1的数据。
Figure 970801DEST_PATH_IMAGE009
三个阶段总进气量增长值为10.66*v 0（单位：L），总耗时26秒，三个阶段完成后控制电堆停机，检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *95.6%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
Figure 786310DEST_PATH_IMAGE010
三个阶段总进气量增长值为10.8*v 0（单位：L），总耗时54秒，三个阶段完成后控制电堆停机，检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *82.9%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
Figure 464416DEST_PATH_IMAGE011
三个阶段总进气量增长值为10.8*v 0（单位：L），总耗时27秒，三个阶段完成后控制电堆停机，检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *78.9%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
综上可以看出，在三个阶段总进气量增长值相同（近似相同）的情况下，实施例3的排水效果较佳（电堆停机后，电堆阻抗值越接近R dry ，则表明电堆内残留的水分越少），对比例2的排水效果较差。
比较当前状态下电堆的进气压力施加给气体扩散层的力与所述应力测量值的另一种结果是所述进气压力施加给气体扩散层的力大于或等于应力测量值，此时选择第二种排水策略：仅增加电堆的进气流量（保持当前进气压力不变）；增加电堆的进气流量的过程分为两个阶段，依次包括：
第一阶段内进气流量的增长值为△v 1=k 21*v 0，其中，△v 1为第一阶段进气流量的增长值，k 21的取值范围介于0.3至0.75，v 0为增长前的当前进气流量值；
第二阶段内进气流量的增长值为△v 2=k 22*v 0，其中，△v 2为第二阶段进气流量的增长值，k 22的取值范围介于0.1至0.25；
所述第一阶段的用时与第二阶段的用时比例范围为0.5:1至1:1。
Figure 23573DEST_PATH_IMAGE012
两个阶段总进气量增长值为10.8*v 0（单位：L），总耗时54秒，两个阶段完成后控制电堆停机，检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *94.1%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
Figure 736314DEST_PATH_IMAGE013
两个阶段总进气量增长值为10.625*v 0（单位：L），总耗时25.5秒，两个阶段完成后控制电堆停机，检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *88.4%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
相比于实施例5，实施例4的总耗时大幅缩短，但是电堆停机后的阻抗值不及实施例5的数据。
Figure 970329DEST_PATH_IMAGE014
两个阶段总进气量增长值为10.8*v 0（单位：L），总耗时36秒，两个阶段完成后控制电堆停机，检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *96.1%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
Figure 401311DEST_PATH_IMAGE015
两个阶段总进气量增长值为10.85*v 0（单位：L），总耗时31秒，两个阶段完成后控制电堆停机，检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *82.7%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
Figure 498580DEST_PATH_IMAGE016
两个阶段总进气量增长值为11*v 0（单位：L），总耗时15秒，两个阶段完成后控制电堆停机，检测得到停机后的电堆的阻抗值为R dry *76.7%，其中的R dry 为满足燃料电池电堆产品停机要求的含水量状况下的电堆的合格阻抗值。
上述实施例和对比例中，排水阶段完成后控制电堆停机的目的是测试停机后的电堆阻抗来验证各例的排水效果，而实际工作中，按照预设的分阶段进气完成后，则恢复电堆初始的进气压力/进气流量，然后立即或间隔预设的时间（比如10秒）后，再一次按照上述实施例的方法在线测量电堆单电池的质子交换膜的应力，以判断是否满足大于预设数量阈值的相邻多个单电池的质子交换膜的应力超标的条件，再进一步选择相应的排水策略，不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (15)

1.一种燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
对待测燃料电池电堆中的单电池进行EIS测试，得到单电池的高频截距；
通过以下公式计算单电池的质子交换膜内阻：R m =R i －(R p1 +R p2 )－(R mrp1 +R mrp2 )，其中，R i 为单电池的高频截距，R m 为该单电池的质子交换膜内阻，R p1 为该单电池的一侧双极板的内阻，R p2 为该单电池的另一侧双极板的内阻，R mrp1 为该单电池的一侧双极板与膜电极之间的接触电阻，R mrp2 为该单电池的另一侧双极板与膜电极之间的接触电阻；
根据所述单电池的质子交换膜内阻、膜的质子电导率和膜面积，实时计算所述单电池的质子交换膜的当前膜厚度，以确定该质子交换膜的当前溶胀形变量；以及计算该质子交换膜的当前热膨胀形变量；
通过以下公式计算单电池的质子交换膜的当前应力：
Figure 99331DEST_PATH_IMAGE001
，其中，F为质子交换膜在实时电堆工况下的应力，S为质子交 换膜的膜面积，E(T,H)为根据预先确定的待测燃料电池的质子交换膜的弹性模量与温度、 湿度的映射关系，匹配到当前电堆工况所对应的弹性模量，△l h 为质子交换膜的当前热膨 胀形变量，△l r 为质子交换膜的当前溶胀形变量，l 0 为质子交换膜的初始膜厚度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，其特征在于，所述质子交换膜的当前溶胀形变量通过以下公式确定：
△l r =L－l 0 ，其中，L为单电池的质子交换膜的当前膜厚度，其通过以下公式计算得到：
R m =L/(K*S)，其中，R m 为质子交换膜内阻，K为质子交换膜的质子电导率，S为质子交换膜的膜面积。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，其特征在于，所述待测燃料电池的质子交换膜的弹性模量与温度、湿度的映射关系通过以下步骤确定：
获取待测燃料电池的质子交换膜样品，将所述质子交换膜样品放置在膜电极测试台上，所述膜电极测试台被配置为测量质子交换膜的厚度和应力；
给定不同组合的温度、湿度测试环境，并测量所述质子交换膜样品在不同测试环境下的膜厚度和应力；
根据以下公式计算质子交换膜的弹性模量：
Figure 547630DEST_PATH_IMAGE002
，其中，E t 为质子交换膜 样品的弹性模量，F t 为质子交换膜样品的被测应力，S t 为质子交换膜样品的膜面积，l t 为质 子交换膜样品的被测膜厚度，l 0 为质子交换膜的初始膜厚度；
对质子交换膜的弹性模量与温度、湿度的映射关系进行拟合。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，其特征在于，所述质子交换膜的质子电导率通过以下公式计算得到：
K=(0.005139λ－0.00326)×exp[1268(1/303－1/T)]，其中，T为当前电堆工况下电堆内部的温度，λ为质子交换膜的水含量，其通过以下公式计算得到：
λ=0.043+17.18a－39.85a 2 ＋36a 3 ，其中，a为当前电堆工况下电堆内部的相对湿度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，其特征在于，所述质子交换膜的当前热膨胀形变量通过以下公式确定：△l h =ε×T×l 0 ，其中，ε为质子交换膜的热膨胀系数，T为当前电堆工况下电堆内部的温度。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，其特征在于，利用温度传感器实时检测电堆内部的温度工况信息；
利用湿度传感器实时检测电堆内部的湿度工况信息；或者，根据对入堆空气进行加湿的加湿装置所设定的露点温度来确定电堆内部的相对湿度工况信息。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，其特征在于，在对待测燃料电池电堆中的单电池进行EIS测试之前，还包括：
将多通道电化学测试设备与电堆相连，包括：将所述多通道电化学测试设备的工作电极、参比电极与电堆的正负极连接，以及将所述多通道电化学测试设备的各个对电极分别与电堆的单电池的巡检一一对应连接；
对所述电堆施加扰动电流，以使EIS测试得到单电池的高频截距。
8.根据权利要求1所述的燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，其特征在于，单电池两侧的双极板的内阻相同，单电池的膜电极分别与两侧双极板之间的接触电阻相同，且所述双极板的内阻及所述接触电阻在燃料电池组装阶段均以测得，所述单电池的质子交换膜内阻的计算公式被简化为：R m =R i －2(R p1 +R mrp1 )。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池电堆膜反应应力在线测量方法，其特征在于，对待测燃料电池电堆中的多个单电池的质子交换膜在实时电堆工况下的应力进行在线实时测量，R i 为EIS测试得到的序号为i的单电池的高频截距。
10.一种燃料电池监控系统，其特征在于，利用如权利要求1至9中任一项所述的在线测量方法测得实际工况中燃料电池电堆内质子交换膜的应力；
若应力测量值超过预设的应力阈值，则所述燃料电池监控系统作出提示和/或处理动作。
11.根据权利要求10所述的燃料电池监控系统，其特征在于，对燃料电池电堆中每一个单电池的质子交换膜进行应力在线测量，得到各个单电池的质子交换膜在实时电堆工况下的应力；
若相邻的多个单电池的质子交换膜的应力测量值在预设时长的时间段内均超过预设的应力阈值，且相邻的多个单电池数量超过预设的数量阈值，则控制电堆停止运行。
12.根据权利要求11所述的燃料电池监控系统，其特征在于，若相邻的超过预设数量阈值的多个单电池的质子交换膜的应力测量值均超过预设的应力阈值，则比较当前状态下电堆的进气压力施加给气体扩散层的力与所述应力测量值，所述进气压力施加给气体扩散层的力通过以下公式计算：F p ＝P·S G ，其中，F p 为进气压力施加给气体扩散层的力，P为当前进气压力，S G 为与气体扩散层同侧的双极板的板槽横向面积；若所述进气压力施加给气体扩散层的力小于应力测量值，则增加电堆的进气压力和进气流量，否则仅增加电堆的进气流量；
若在所述预设时长的时间段内，部分单电池的质子交换膜的应力测量值变化至低于所述应力阈值，使超过应力阈值的相邻的多个单电池数量低于所述预设的数量阈值，则控制电堆继续运行。
13.根据权利要求12所述的燃料电池监控系统，其特征在于，在所述进气压力施加给气体扩散层的力小于应力测量值的情况下，增加电堆的进气压力和进气流量的过程分为三个阶段，依次包括：
第一阶段内进气压力的增长值
Figure 858526DEST_PATH_IMAGE003
，其中，k 11的取值范围介于 1.1至2之间，F m 为质子交换膜的应力测量值，F p 为进气压力施加给气体扩散层的力，进气流 量的增长值为△v 1=k 21*v 0，其中，△v 1为第一阶段进气流量的增长值，k 21的取值范围介于 0.3至0.75，v 0为增长前的当前进气流量值；
第二阶段进气压力的增长值
Figure 535626DEST_PATH_IMAGE004
，其中，k 12的取值范围介于 1.0至1.1之间，进气流量的增长值为△v 2=k 22*v 0，其中，△v 2为第二阶段进气流量的增长值，k 22的取值范围介于0.3至0.75且k 22≤k 21；
第三阶段进气压力的增长值
Figure 84419DEST_PATH_IMAGE005
，其中，k 13的取值范围介于 1.0至1.1之间，进气流量的增长值为△v 3=k 23*v 0，其中，△v 3为第三阶段进气流量的增长值，k 23的取值范围介于0.1至0.25。
14.根据权利要求13所述的燃料电池监控系统，其特征在于，若F p ＜75%×F m ，则增加电堆的进气压力和进气流量的总用时范围介于60至120秒；
若75%×F m ＜F p ＜90%×F m ，则增加电堆的进气压力和进气流量的总用时范围介于30至60秒；
若90%×F m ＜F p ＜100%×F m ，则增加电堆的进气压力和进气流量的总用时范围介于10至20秒；
增加电堆的进气压力和进气流量的三个阶段用时总和为t，其中第一阶段的用时范围介于0.15t至0.2t，第二阶段的用时范围介于0.5t至0.6t。
15.根据权利要求12所述的燃料电池监控系统，其特征在于，在所述进气压力施加给气体扩散层的力大于或等于应力测量值的情况下，增加电堆的进气流量的过程分为两个阶段，依次包括：
第一阶段内进气流量的增长值为△v 1=k 21*v 0，其中，△v 1为第一阶段进气流量的增长值，k 21的取值范围介于0.3至0.75，v 0为增长前的当前进气流量值；
第二阶段内进气流量的增长值为△v 2=k 22*v 0，其中，△v 2为第二阶段进气流量的增长值，k 22的取值范围介于0.1至0.25；
所述第一阶段的用时与第二阶段的用时比例范围为0.5:1至1:1。
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