CN116130713A - 一种分析燃料电池内部含水量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分析燃料电池内部含水量的方法，所述方法包括如下步骤：(1)将待测电堆在额定工况下运行；(2)保持运行过程中电流、供气气流和压力为额定值不变，改变待测电堆的温度并测试其电压，完成测试进行分析。本发明提供的测试分析方法实现了及时并有效的检测燃料电池内部含水量的情况，有利于燃料电池的维护和使用，且方法不需要额外的设备，也没有繁复的操作步骤，大大降低了操作人员的劳动要求，提高了效率。
Description
技术领域
本发明属于氢燃料电池测试分析技术领域，涉及一种分析燃料电池内部含水量的方法。
背景技术
燃料电池中发生的电化学反应是不断生成水的过程，阴极排气会带走水，生成和排气两方面均影响燃料电池中的水含量，而燃料电池只有在合适的水含量下才能发挥最好性能，作为燃料电池的制造技术领域需要水含量是否合适的判断方法。
这是由于质子交换膜燃料电池在合适湿度范围下性能最优。湿度太低则质子膜含水量不足而导致电导性降低，催化剂层中的质子通道受阻，导致燃料电池性能下降；湿度太高则气体传输通道被液态水堵塞，反应气体传输受阻而难以进入催化剂层，达到催化剂表面，导致燃料电池性能下降。
现有技术中，采用电化学阻抗谱或高频阻抗进行燃料电池中的性能检测。
CN 113009362A公开一种燃料电池电化学阻抗谱测量方法及装置、设备和车辆，属于燃料电池领域。一种燃料电池电化学阻抗谱测量方法，包括：确定检测模式；计算可用测量时间；选择测量频率范围；锁定燃料电池直流输出值；执行电化学阻抗谱测量。所述电化学阻抗谱测量方法能够进行电化学阻抗全谱测量，提高数据质量和数量，为更好地进行燃料电池健康状态分析及控制策略优化提供数据基础。
CN 115343644A公开了一种燃料电池电堆的高频阻抗监测系统，包括信号检测装置、电流信号调理电路、电压信号调理电路、第一模数转换电路、第二模数转换电路和计算装置。信号检测装置用于对电输出端上被施加的激励电流进行检测，得到激励电流信号，电压信号调理电路用于采集燃料电池电堆的电输出端的响应电压信号；两个模数转换电路分别用于将激励电流信号和响应电压信号进行模数转换，分别得到激励电流值和响应电压值并输出到计算装置，计算装置则根据交流阻抗原理进行阻抗计算，得到燃料电池电堆的高频阻抗。从而实现了对燃料电池电堆的高频阻抗实施在线监测，并为实施燃料电池电堆的最优吹扫控制提供了控制依据。
然而，采用电化学阻抗谱，测量设备技术复杂，成本较高；测量高频阻抗的实际测量结果为质子交换膜电阻，只能检测出电堆内部严重缺水的情况，无法检测水含量太高的情况。
基于以上两种技术方案都无法实现电堆内部水含量的有效检测与处理，燃料电池技术领域亟需开发一种实现电堆内部水含量的有效检测与处理的方案。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种分析燃料电池内部含水量的方法，本发明提供的测试分析方法实现了及时并有效的检测燃料电池内部含水量的情况，有利于燃料电池的维护和使用，且方法不需要额外的设备，也没有繁复的操作步骤，大大降低了操作人员的劳动要求，提高了效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种分析燃料电池内部含水量的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将待测电堆在额定工况下运行；
(2)保持运行过程中电流、供气气流和压力为额定值不变，改变待测电堆的温度并测试其电压，完成测试进行分析。
本发明通过将待测电堆在额定工况下运行，维持运行过程中电流、供气气流和压力为额定值，仅仅调整待测电堆的温度，通过在不同温度下待测电堆的电压变化，分析得出燃料电池中内部含水量的情况。
本发明提供的测试分析方法实现了及时并有效的检测燃料电池内部含水量的情况，有利于燃料电池的维护和使用，且方法不需要额外的设备，也没有繁复的操作步骤，大大降低了操作人员的劳动要求，提高了效率。
在同样输出电流下，燃料电池电堆的输出电压受燃料电池内部状态的影响：当燃料电池电堆内部含水量太低，则固态电解质膜水合程度不足，质子传导能力低，限制了电化学反应速率，导致燃料电池电堆输出电压降低；当燃料电池电堆内部含水量太高，则气体通道被水阻塞，反应物和生成物传输能力低，限制了物质交换能力，导致燃料电池电堆输出电压降低；因此只有燃料电池内部含水量处于适合范围，既保证固态电解质膜水合程度充足，质子传导能力高，又能保证气体通道不被堵塞，物质交换能力高，才能保证燃料电池电堆电化学反应受到的限制最小，输出电压最高。
在电堆温度较高的情况下，气体流场内的饱和蒸汽压更高，可以容纳和带走更多水蒸气，从而降低电堆水含量；在电堆水含量较高的时候，可以由此将电堆水含量调整至合适范围内，从而提升电堆输出电压；但在电堆水含量合适或较低的时候，会由于电堆含水量降低而进入电堆含水量太低的状态，导致电堆输出电压降低。反之，在电堆温度较低的情况下，气体流场内的饱和蒸汽压更低，可以容纳和带走的水蒸气更少，从而提高电堆水含量；在电堆水含量较低的时候，可以由此将电堆水含量调整至合适范围内，从而提升电堆输出电压；但在电堆水含量合适或较高的时候，会由于电堆含水量提高而进入电堆含水量太高的状态，导致电堆输出电压降低。
优选地，步骤(2)所述待测电堆的温度为冷却液入口的温度。
优选地，步骤(2)所述改变待测电堆的温度并测试电压的过程，包括升高待测电堆的温度并测试其电压。
优选地，所述升高的温度为5～15℃，例如可以是5℃、8℃、10℃、12℃或15℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述改变待测电堆的温度并测试电压的过程，还包括降低待测电堆的温度并测试其电压。
优选地，所述降低的温度为5～15℃，例如可以是5℃、8℃、10℃、12℃或15℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述改变待测电堆的温度并测试其电压的方式为：先升高待测电堆的温度并测试电压，再降低待测电堆的温度并测试电压。
优选地，步骤(2)所述改变待测电堆的温度后维持稳定运行至少5分钟后再测试其电压，例如可以是5分钟、6分钟、7分钟、8分钟、9分钟或10分钟，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
当升高待测电堆的温度后，待测电堆不能稳定运行，则说明燃料电池内部的含水量低于正常运行所需含水量的范围，可以通过降低燃料电池中的排水量进行改善和修复；当降低待测电堆的温度后，待测电堆不能稳定运行，则说明燃料电池内部的含水量高于正常运行所需含水量的范围，可以通过增加燃料电池中的排水量进行改善和修复。
优选地，步骤(2)所述分析的方式包括：
预设电压偏差值ΔU，所述电压偏差值ΔU与额定电压之和为基础电压，对比步骤(2)所述测试电压与基础电压的大小，得到燃料电池内部含水量的结果。
所述电压偏差值ΔU为燃料电池电堆总输出电压的需要响应处理的性能偏差阈值，根据燃料电池电堆在正常运行条件下，燃料电池电堆的自身性能设定得到。例如，在一种正常运行条件下，一种0.7V的单电池输出的燃料电池电堆功率为140kW，要求至少输出120kW功率，则在此条件下，该燃料电池电堆的输出性能120kW对应的单电池电压为0.6V，因此，在此正常运行的条件下，该燃料电池电堆的电压偏差值ΔU设定为不超过0.1V。
优选地，所述基础电压大于步骤(2)所述测试的电压，则燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内。
优选地，升高待测电堆的温度，所述基础电压在步骤(2)所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量高于正常运行所需含水量的范围。
优选地，降低待测电堆的温度，所述基础电压在步骤(2)所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量低于正常运行所需含水量的范围。
作为本发明提供的方法的一种优选技术方案，所述方法包括如下步骤：
(1)将待测电堆在额定工况下运行；预设电压偏差值ΔU，所述电压偏差值ΔU与额定电压之和为基础电压；
(2)保持运行过程中电流、供气气流和压力为额定值不变，升高待测电堆的温度5～10℃并测试其电压，基础电压在所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量高于正常运行所需含水量的范围；基础电压大于所述测试的电压，则燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内；降低待测电堆的温度5～10℃并测试其电压，基础电压在所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量低于正常运行所需含水量的范围；基础电压大于所述测试的电压，则燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内；
完成测试及分析。
由以上技术方案，本发明的有益效果如下：
本发明提供的测试分析方法实现了及时并有效的检测燃料电池内部含水量的情况，有利于燃料电池的维护和使用，且方法不需要额外的设备，也没有繁复的操作步骤，大大降低了操作人员的劳动要求，提高了效率。
附图说明
图1是本发明提供的分析燃料电池内部含水量的方法的流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
本发明提供了一种分析燃料电池内部含水量的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将待测电堆在额定工况下运行；
(2)保持运行过程中电流、供气气流和压力为额定值不变，改变待测电堆的温度并测试其电压，完成测试进行分析。
在一个实施例中，步骤(2)所述待测电堆的温度为冷却液入口的温度。
在一个实施例中，步骤(2)所述改变待测电堆的温度并测试电压的过程，包括升高待测电堆的温度并测试其电压。
在一个实施例中，所述升高的温度为5～15℃。
在一个实施例中，步骤(2)所述改变待测电堆的温度并测试电压的过程，还包括降低待测电堆的温度并测试其电压。
在一个实施例中，所述降低的温度为5～15℃。
在一个实施例中，步骤(2)所述改变待测电堆的温度并测试其电压的方式为：先升高待测电堆的温度并测试电压，再降低待测电堆的温度并测试电压。
在一个实施例中，步骤(2)所述改变待测电堆的温度后维持稳定运行至少5分钟后再测试其电压。
在一个实施例中，步骤(2)所述分析的方式包括：
预设电压偏差值ΔU，所述电压偏差值ΔU与额定电压之和为基础电压，对比步骤(2)所述测试电压与基础电压的大小，得到燃料电池内部含水量的结果；
在一个实施例中，所述基础电压大于步骤(2)所述测试的电压，则燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内。
在一个实施例中，升高待测电堆的温度，所述基础电压在步骤(2)所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量高于正常运行所需含水量的范围。
在一个实施例中，降低待测电堆的温度，所述基础电压在步骤(2)所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量低于正常运行所需含水量的范围。
在一个实施例中，所述方法包括如下步骤：
(1)将待测电堆在额定工况下运行；预设电压偏差值ΔU，所述电压偏差值ΔU与额定电压之和为基础电压；
(2)保持运行过程中电流、供气气流和压力为额定值不变，升高待测电堆的温度5～10℃并测试其电压，基础电压在所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量高于正常运行所需含水量的范围；基础电压大于所述测试的电压，则燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内；降低待测电堆的温度5～10℃并测试其电压，基础电压在所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量低于正常运行所需含水量的范围；基础电压大于所述测试的电压，则燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内；
完成测试及分析。
下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种分析燃料电池内部含水量的方法，所述方法的流程图如图1所示，所述方法包括如下步骤：
(1)将一组待测电堆在额定工况下运行；预设电压偏差值ΔU(10V)，所述电压偏差值ΔU与额定电压U0(300V)之和为基础电压(310V)；待测电堆的额定温度为60℃；
(2)保持运行过程中电流为600A、阳极的供气气流为2400NLPM、阴极的供气气流为7000NLPM、阳极的压力为200kPag、阴极的压力为180kPag，以上均为额定值并在运行过程中保持不变，升高待测电堆的温度10℃后，待测电堆维持稳定运行5分钟，测试其电压U1为302V，即基础电压大于所述测试的电压U1；降低待测电堆的温度10℃后，待测电堆维持稳定运行5分钟，测试其电压U2为298V，即基础电压大于所述测试的电压U2，燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内；完成测试及分析。
本实施例中在测试过程中，改变温度后待测电堆稳定运行，且两次测试后基础电压均大于所得测试的电压，说明燃料电池内部的含水量的情况为处于正常运行所需含水量的范围内，无需进行改善修复。
实施例2
本实施例提供了一种分析燃料电池内部含水量的方法，所述方法的流程图如图1所示，所述方法包括如下步骤：
(1)将一组待测电堆在额定工况下运行；预设电压偏差值ΔU(10V)，所述电压偏差值ΔU与额定电压U0(300V)之和为基础电压(310V)；待测电堆的额定温度为60℃；
(2)保持运行过程中的电流为580A、阳极的供气气流为2330NLPM、阴极的供气气流为6800NLPM、阳极的压力为190kPag和阴极的压力为175kPag，以上均为额定值并在运行过程中不变，升高待测电堆的温度10℃后，电压快速下降，待测电堆无法稳定运行，则燃料电池内部含水量低于稳定运行的正常范围，通过降低燃料电池的排水量进行改善恢复。
实施例3
本实施例提供了一种分析燃料电池内部含水量的方法，所述方法的流程图如图1所示，所述方法包括如下步骤：
(1)将一组待测电堆在额定工况下运行；预设电压偏差值ΔU(10V)，所述电压偏差值ΔU与额定电压U0(300V)之和为基础电压(310V)；待测电堆的额定温度为65℃；
(2)保持运行过程中的电流为600A、阳极的供气气流为2400NLPM、阴极的供气气流为7000NLPM、阳极的压力为200kPag和阴极的压力为180kPag，以上为额定值并在运行过程中保持不变，升高待测电堆的温度10℃后，待测电堆维持稳定运行5分钟，测试其电压U1为305V，即基础电压大于所述测试的电压U1；降低待测电堆的温度10℃后，电压快速下降，待测电堆无法稳定运行，则燃料电池内部含水量高于稳定运行的正常范围，通过增加燃料电池的排水量进行改善恢复。
实施例4
本实施例提供了一种分析燃料电池内部含水量的方法，所述方法的流程图如图1所示，所述方法包括如下步骤：
(1)将一组待测电堆在额定工况下运行；预设电压偏差值ΔU(10V)，所述电压偏差值ΔU与额定电压U0(300V)之和为基础电压(310V)；待测电堆的额定温度为70℃；
(2)保持运行过程中的电流为580A、阳极的供气气流为2330NLPM、阴极的供气气流为6800NLPM、阳极的压力为190kPag和阴极的压力为175kPag，以上为额定值并在运行过程中保持不变，升高待测电堆的温度10℃，待测电堆维持稳定运行5分钟，测试其电压U1为312V，基础电压在所述测试的电压U1以下，则燃料电池内部含水量高于正常运行所需含水量的范围，通过提高燃料电池的排水量改善恢复。
实施例5
本实施例提供了一种分析燃料电池内部含水量的方法，所述方法的流程图如图1所示，所述方法包括如下步骤：
(1)将一组待测电堆在额定工况下运行；预设电压偏差值ΔU(10V)，所述电压偏差值ΔU与额定电压U0(300V)之和为基础电压(310V)；待测电堆的额定温度为60℃；
(2)保持运行过程中的电流为600A、阳极的供气气流为2400NLPM、阴极的供气气流为7000NLPM、阳极的压力为200kPag和阴极的压力为180kPag，以上均为额定值且在运行过程中保持不变，升高待测电堆的温度10℃后，待测电堆维持稳定运行5分钟，测试其电压U1为299V，即基础电压大于所述测试的电压U1；降低待测电堆的温度10℃后，待测电堆维持稳定运行5分钟，测试其电压U2为320V，基础电压在所述测试的电压U2以下，燃料电池内部含水量低于正常运行所需含水量的范围，通过增强燃料电池的排水量进行改善恢复。
综上所述，本发明提供的测试分析方法实现了及时并有效的检测燃料电池内部含水量的情况，有利于燃料电池的维护和使用，且方法不需要额外的设备，也没有繁复的操作步骤，大大降低了操作人员的劳动要求，提高了效率。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种分析燃料电池内部含水量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将待测电堆在额定工况下运行；
(2)保持运行过程中电流、供气气流和压力为额定值不变，改变待测电堆的温度并测试其电压，完成测试进行分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述待测电堆的温度为冷却液入口的温度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述改变待测电堆的温度并测试电压的过程，包括升高待测电堆的温度并测试其电压；
优选地，所述升高的温度为5～15℃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述改变待测电堆的温度并测试电压的过程，还包括降低待测电堆的温度并测试其电压；
优选地，所述降低的温度为5～15℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述改变待测电堆的温度并测试其电压的方式为：先升高待测电堆的温度并测试电压，再降低待测电堆的温度并测试电压；
优选地，步骤(2)所述改变待测电堆的温度后维持稳定运行至少5分钟后再测试其电压。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述分析的方式包括：
预设电压偏差值ΔU，所述电压偏差值ΔU与额定电压之和为基础电压，对比步骤(2)所述测试电压与基础电压的大小，得到燃料电池内部含水量的结果。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基础电压大于步骤(2)所述测试的电压，则燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，升高待测电堆的温度，所述基础电压在步骤(2)所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量高于正常运行所需含水量的范围。
9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，降低待测电堆的温度，所述基础电压在步骤(2)所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量低于正常运行所需含水量的范围。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将待测电堆在额定工况下运行；预设电压偏差值ΔU，所述电压偏差值ΔU与额定电压之和为基础电压；
(2)保持运行过程中电流、供气气流和压力为额定值不变，升高待测电堆的温度5～10℃并测试其电压，基础电压在所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量高于正常运行所需含水量的范围；基础电压大于所述测试的电压，则燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内；降低待测电堆的温度5～10℃并测试其电压，基础电压在所述测试的电压以下，则燃料电池内部含水量低于正常运行所需含水量的范围；基础电压大于所述测试的电压，则燃料电池内部含水量处于正常运行所需含水量的范围内；
完成测试及分析。
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