CN115692793A - 一种串漏估算方法、系统、燃料电池、车辆、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种串漏估算方法、系统、燃料电池、车辆、介质及设备，本发明通过串漏估算方法，使得燃料电池系统不需要额外检测设备，仅需燃料电池系统自身单片电压采集系统和温度、电流采集传感器即可串漏量的测量计算；可以实现燃料电池运行状态下的实时在线串漏量监测和计算，准确反映膜电极真实运行情况下的串漏量；检测步骤简单，耗时短，膜电极串漏检测测量值和燃料电池运行时膜电极真实串漏值偏差小。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种串漏估算方法、系统、燃料电池、车辆、介质及设备。
背景技术
质子交换膜燃料电池作为清洁高效的绿色能源得到了广泛的发展和应用。为了和传统燃油车具有相当的可靠性和寿命，目前要求质子交换膜燃料电池系统在乘用车上有不低于5000小时的使用寿命，在商用车上有不低于20000小时的使用寿命。这些指标对质子交换膜燃料电池的耐久性提出了巨大挑战。
作为质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极组件的寿命对质子交换膜燃料电池的耐久性至关重要。燃料电池运行过程中不同工况会造成质子交换膜的物理衰减和化学衰减，进而造成质子交换膜氢空两腔之间串漏量逐渐增大。因此，在线实时监控燃料电池运行过程中质子交换膜的串漏状态并计算质子交换膜的实际串漏量对于保障质子交换膜燃料电池的可靠性和寿命具有重要意义。其中质子交换膜：以质子为导电电荷的聚合物电解质膜。膜电极组件：由电解质膜和分别置于其两侧的气体扩散电极或由催化剂涂覆膜和分别置于其两侧的气体扩散层通过一定的工艺组合在一起构成的组件。多被简称为膜电极。串漏：氢气从阳极穿过质子交换膜迁移到阴极的过程。
现有技术中，如CN111106370A公开的一种燃料电池电堆膜电极串漏检测方法，包括以下步骤：步骤1：对燃料电池进行平衡测试；步骤2：在经过平衡测试的燃料电池的阳极和阴极分别通入氢气和空气；步骤3：切断阴极空气供给，开始计时，记录t4时刻各单片电堆电压Ea1；步骤4：待有单片电压降至0.2V后，切断阳极氢气供给；步骤5：将燃料电池循环至另一寿命阶段，然后重复步骤1～4，获得该燃料电池电堆的单片电压Ex1,x＝a,b,...N；步骤6：计算不同电堆寿命循环阶段的电压变化值，判断串漏量的大小。具有检测结果更具可比性、结论更加准确等优点。但是其缺点为1、对膜电极串漏的检测步骤繁琐，耗时较长；2、膜电极串漏检测无法实现燃料电池运行状态的实时在线测量；3、膜电极串漏检测测量值和燃料电池运行时膜电极真实串漏值有较大偏差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种改善现有技术的不足，实现燃料电池核心材料质子交换膜串漏状态的监测和串漏量的在线计算，提高燃料电池的可靠性和耐久性的串漏估算方法、系统、燃料电池、车辆、介质及设备。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：
一种串漏估算方法，包括
根据燃料电池运行过程中的电堆电流I、燃料电池温度T、电堆平均单片电压Eave与目标单片n的电压En的差值△E计算目标单片n对应的膜电极的氢气串漏速率Q：
其中，F为法拉第常数，R为气体常数。
优选地，所述目标单片n为燃料电池停机过程中停止向电堆供应氢气和/或空气t后单片电压下降电压超过阈值的其中一单片。
优选地，所述t为1-5s。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第二种技术方案为：
一种串漏估算系统，包括
电流采集装置，获取燃料电池运行过程中的电堆电流I；
温度采集装置，获取燃料电池运行过程中的燃料电池温度T；
单片电压采集装置，获取电堆平均单片电压Eave与目标单片n的电压En；以及
处理器，根据电堆电流I、燃料电池温度T、电堆平均单片电压Eave与目标单片n的电压En的差值△E计算目标单片n对应的膜电极的氢气串漏速率Q：
其中，F为法拉第常数，R为气体常数。
优选地，所述目标单片n为燃料电池停机过程中停止向电堆供应氢气和/或空气t后单片电压下降电压超过阈值的其中一单片。
优选地，所述t为1-5s。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第三种技术方案为：
一种燃料电池，包括上述的串漏估算系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第四种技术方案为：
一种车辆，包括上述的燃料电池。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第五种技术方案为：
一种介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述的串漏估算方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第六种技术方案为：
一种计算设备，包括：处理器和存储器，所述处理器用于运行存储在所述存储器中的程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1-3任意一项所述的串漏估算方法。
本发明的有益效果在于：通过串漏估算方法，使得燃料电池系统不需要额外检测设备，仅需燃料电池系统自身单片电压采集系统和温度、电流采集传感器即可串漏量的测量计算；可以实现燃料电池运行状态下的实时在线串漏量监测和计算，准确反映膜电极真实运行情况下的串漏量；检测步骤简单，耗时短，膜电极串漏检测测量值和燃料电池运行时膜电极真实串漏值偏差小。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的一种燃料电池的结构示意图；
标号说明：1、燃料电池；2、单片电压采集装置；3、温度采集装置；4、电流采集装置；
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
实施例一
一种(燃料电池膜电极)串漏估算方法，包括
根据燃料电池运行过程中的电堆电流I、燃料电池温度T、电堆平均单片电压Eave与目标单片n的电压En的差值△E计算目标单片n对应的膜电极的氢气串漏速率Q：
其中，F为法拉第常数，R为气体常数；
所述目标单片n为燃料电池停机过程中停止向电堆供应氢气和/或空气1s后单片电压下降电压超过阈值的其中一单片。
上述方程是根据燃料电池极化曲线的简化数学表达式推导变形而来。其中22.4代表标准状况下气体的摩尔体积，60代表时间60秒钟(因为计算的串漏速率的时间单位为分钟，所以乘以了60s)，法拉第常数F为96485，气体常数R为8.314，2代表每个氢气分子发生反应参与的电子数为，e代表自然常数。因为该方程是由表征燃料电池极化曲线反应原理的数学表达式推导变形而来，所以具有普适性和通用性，不局限于某一款燃料电池发动机；将常数代入后的Q为：
代入数据组一，燃料电池电流50A，燃料电池温度333K，燃料电池平均单片0.8V，单片n对应的电压0.7V，单片n和平均单片的电压差0.1V，经计算得到单片n对应的氢气串漏速率Q为2.95标升每分钟。
代入数据组二，燃料电池电流120A，燃料电池温度340K，燃料电池平均单片0.745V，单片n对应的电压0.7V，单片n和平均单片的电压差0.045V，经计算得到单片n对应的氢气串漏速率为2.65标升每分钟。
代入数据组三，燃料电池电流150A，燃料电池温度340K，燃料电池平均单片0.735V，单片n对应的电压0.695V，单片n和平均单片的电压差0.04V，经计算得到单片n对应的氢气串漏速率为1.04标升每分钟。
实施例二
一种串漏估算系统，包括
电流采集装置4，获取燃料电池1运行过程中的电堆电流I；
温度采集装置3，获取燃料电池1运行过程中的燃料电池温度T；
单片电压采集装置2，获取电堆平均单片电压Eave与目标单片n的电压En；以及
处理器，根据电堆电流I、燃料电池温度T、电堆平均单片电压Eave与目标单片n的电压En的差值△E计算目标单片n对应的膜电极的氢气串漏速率Q：
其中，F为法拉第常数，R为气体常数。
所述目标单片n为燃料电池停机过程中停止向电堆供应氢气和/或空气3s后单片电压下降电压超过阈值的其中一单片。
实施例三
一种燃料电池，包括实施例二所述的串漏估算系统。
实施例四
一种车辆，包括实施例三所述的燃料电池。
实施例五
一种介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如实施例一所述的串漏估算方法。
实施例六
一种计算设备，包括：处理器和存储器，所述处理器用于运行存储在所述存储器中的程序，其中，所述程序运行时执行实施例一所述的串漏估算方法。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种串漏估算方法，其特征在于，包括
根据燃料电池运行过程中的电堆电流I、燃料电池温度T、电堆平均单片电压Eave与目标单片n的电压En的差值△E计算目标单片n对应的膜电极的氢气串漏速率Q：
其中，F为法拉第常数，R为气体常数。
2.根据权利要求1所述的串漏估算方法，其特征在于，所述目标单片n为燃料电池停机过程中停止向电堆供应氢气和/或空气t后单片电压下降电压超过阈值的其中一单片。
3.根据权利要求2所述的串漏估算方法，其特征在于，所述t为1-5s。
4.一种串漏估算系统，其特征在于，包括
电流采集装置，获取燃料电池运行过程中的电堆电流I；
温度采集装置，获取燃料电池运行过程中的燃料电池温度T；
单片电压采集装置，获取电堆平均单片电压Eave与目标单片n的电压En；以及
处理器，根据电堆电流I、燃料电池温度T、电堆平均单片电压Eave与目标单片n的电压En的差值△E计算目标单片n对应的膜电极的氢气串漏速率Q：
其中，F为法拉第常数，R为气体常数。
5.根据权利要求4所述的串漏估算系统，其特征在于，所述目标单片n为燃料电池停机过程中停止向电堆供应氢气和/或空气t后单片电压下降电压超过阈值的其中一单片。
6.根据权利要求5所述的串漏估算系统，其特征在于，所述t为1-5s。
7.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求4-6任意一项所述的串漏估算系统。
8.一种车辆，其特征在于，包括权利要求7所述的燃料电池。
9.一种介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-3任意一项所述的串漏估算方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述处理器用于运行存储在所述存储器中的程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1-3任意一项所述的串漏估算方法。
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| CN115692793A true CN115692793A (zh) | 2023-02-03 |
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2021
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