CN116520155A - 一种燃料电池可逆衰减的识别方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种燃料电池可逆衰减的识别方法，包括：获取燃料电池衰减前的历史极化曲线以及车辆运行过程中的所述当前极化曲线，根据所述历史极化曲线和所述当前极化曲线，获取欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值；基于历史数据，建立可逆衰减识别模型，将所述欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值输入至所述可逆衰减识别模型进行可逆衰减原因的识别，根据可逆衰减的识别原因确定识别结果，根究造成可逆衰减识别结果原因的操作，确定可逆衰减的恢复措施。本发明能够在线识别出燃料电池的可逆衰减的原因和判断出可逆衰减的恢复措施。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池可逆衰减的识别方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，与传统的热机相比，具有运行效率高、清洁无污染、噪音低等优点，有望解决能源系统的环境污染问题。目前，燃料电池已经在汽车、无人机、固定式发电等领域开始推广应用，未来有广阔的应用前景。
燃料电池系统性能下降将导致燃料经济性的显著下降，可逆衰减占据了最主要的部分。同时导致可逆衰减的原因很多，且恢复方法各不相同，使用错误的方法可能导致更严重的可逆衰减，因此正确识别可逆衰减的原因以及实施正确的措施是十分重要的。
发明内容
（一）申请目的
基于此，为了确定可逆衰减的原因，以及根究其原因从而实施正确的恢复措施，本申请公开了以下技术方案。
（二）技术方案
本申请公开了一种燃料电池可逆衰减的识别方法，包括：
获取燃料电池衰减前的历史极化曲线以及车辆运行过程中的当前极化曲线，根据所述历史极化曲线和所述当前极化曲线计算欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值；
基于所述历史极化曲线和所述当前极化曲线，建立可逆衰减识别模型，将所述欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值输入至所述可逆衰减识别模型进行可逆衰减原因的识别，其中，变化值最大的极化指标为可逆衰减原因，根据可逆衰减的识别原因确定识别结果，根究造成可逆衰减识别结果原因的操作，确定可逆衰减的恢复措施。
在一种可能的实施方式中，所述历史极化曲线的获取方法包括：
根据控制器内预存BOT时对应的电压与电流密度的关系曲线，获取历史极化曲线。
在一种可能的实施方式中，所述当前极化曲线的获取方法包括：
通过控制器在线筛选燃料电池不同电流下的稳态运行点，获得稳态运行时不同电流密度下的电压，从而获得所述当前极化曲线。
在一种可能的实施方式中，所述欧姆极化损失的变化值获取方法包括：
根据历史极化曲线，获取历史欧姆极化损失、历史活化极化损失和历史浓差极化损失，分别为、/>、/>；
通过车载的DC-DC转换器在线测量燃料电池的HFR，乘以当前的电堆电流，得到当前欧姆极化损失；
根据所述历史欧姆极化损失和当前欧姆极化损失计算欧姆极化损失的变化值：。
在一种可能的实施方式中，所述活化极化损失的变化值获取方法包括：
将所述稳态运行时不同电流密度下的电压进行欧姆极化的修正，获得修正电压，再对修正电压和电流密度进行对数化处理，将200mA/cm2及以下电流密度的数据点进行线性拟合，获得当前活化极化损失；
根据所述历史活化极化损失和当前活化极化损失计算活化极化损失的变化值：。
在一种可能的实施方式中，所述浓差极化损失的变化值获取方法包括：
根据所述历史极化曲线和所述当前极化曲线，计算电压变化的差值：
其中，为所述历史极化曲线的总电压，/>为所述当前极化曲线的总电压；
根据所述电压变化的差值、活化极化损失的变化值以及欧姆极化损失的变化值，计算浓差极化损失的变化值：。
在一种可能的实施方式中，所述可逆衰减识别模型的识别方法及识别结果包括：
比较所述欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值，若欧姆极化损失的变化值最大，则燃料电池可逆衰减的识别结果为电堆过干；若活化极化损失的变化值最大，则燃料电池可逆衰减的识别结果为催化剂活性下降；若浓差极化损失的变化值最大，则燃料电池可逆衰减的识别结果为电堆发生了水淹。
在一种可能的实施方式中，获得所述识别结果后，进行根究电堆过干的操作，包括：
确定燃料电池温度值是否高于目标值，若是，则是温度超温导致了电堆排水能力过强，若否，则是加湿器衰减。
在一种可能的实施方式中，完成所述根究电堆过干的操作后，进行电堆过干的恢复措施，包括：
通过减小电堆水温，平衡电堆排水能力；
通过增大加湿器温差，提升加湿器的加湿能力。
在一种可能的实施方式中，获得所述识别结果后，进行根究催化剂活性下降的操作，包括：
切断燃料电池阴极的流量，使电压降至0V并维持若干时间，再恢复运行，观察此时的性能是否恢复至目标值，若是，则是阴极有可还原性的污染物，若否，则维持系统供气的同时将电流设置为0A运行若干时间，然后切断阴极的流量使电压降至0V并维持若干时间，再恢复运行，观察此时的性能是否恢复至目标值，若是，则是阴极处有可氧化性的污染物，若否，则是阳极中有可氧化性的污染物。
在一种可能的实施方式中，完成所述根究催化剂活性下降的操作后，进行催化剂活性下降的恢复措施，包括：
通过阴极欠气操作减小阴极有可还原性的污染物的影响；
通过OCV操作和阴极欠气操作减小阴极有可氧化性的污染物的影响；
通过提升阳极氢气品质或通入阳极空气减小阳极有可氧化性的污染物的影响。
在一种可能的实施方式中，获得所述识别结果后，进行根究电堆发生水淹的操作，包括：
确定燃料电池的温度是否低于目标值，若是，则水温过低导致的排水能力下降，若否，则是电堆中GDL的疏水性下降。
在一种可能的实施方式中，完成根究电堆发生水淹的操作后，进行电堆发生水淹的恢复措施，包括：
通过提升电堆水温，提升电堆排水能力；
通过增加通入电堆的空气流量，提升电堆GDL的疏水性。
（三）有益效果
本申请公开的一种燃料电池可逆衰减的识别方法，根据车辆运行过程的所述当前极化曲线与衰减前的历史极化曲线做对比，得到取欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值，并结合历史数据的建立的可逆衰减识别模型识别出了燃料电池可逆衰减原因，并通过根究可逆衰减的原因，确定可逆衰减的恢复措施，提升了燃料电池的燃料经济性。
附图说明
以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本申请，而不能理解为对本申请的保护范围的限制。
图1是本申请公开的一种燃料电池可逆衰减的识别方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
下面参考图1详细描述本申请公开的燃料电池可逆衰减的识别方法实施例。如图1所示，本实施例公开的方法主要包括步骤S100~S200。
S100：获取燃料电池衰减前的历史极化曲线以及车辆运行过程中的当前极化曲线，根据所述历史极化曲线和所述当前极化曲线计算欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值；
具体的，根据控制器内预存BOT（定期更新）时对应的电压与电流密度的关系曲线，即控制器定期更新获取的历史极化曲线。
通过控制器在线筛选燃料电池不同电流下的稳态运行点，获得稳态运行时不同电流密度下的电压，从而获得所述当前极化曲线。
具体的，根据历史极化曲线，获取历史欧姆极化损失、历史活化极化损失和历史浓差极化损失，分别为、/>、/>；
通过车载的DC-DC转换器在线测量燃料电池的HFR（高频电阻），乘以当前的电堆电流，得到当前欧姆极化损失；
根据所述历史欧姆极化损失和当前欧姆极化损失计算欧姆极化损失的变化值：。
将所述稳态运行时不同电流密度下的电压进行欧姆极化的修正，获得修正电压，再对修正电压和电流密度进行对数化处理，将200mA/cm2及以下电流密度的数据点进行线性拟合，获得当前活化极化损失。其中，修正电压=稳态运行时的电压+欧姆极化损失。
根据所述历史活化极化损失和当前活化极化损失计算活化极化损失的变化值：。
根据所述历史极化曲线和所述当前极化曲线，计算电压变化的差值：
其中，为历史极化曲线的总电压，/>为所述当前极化曲线的总电压；
根据所述电压变化的差值、活化极化损失的变化值以及欧姆极化损失的变化值，计算浓差极化损失的变化值：。
S200：基于所述历史极化曲线和所述当前极化曲线，建立可逆衰减识别模型，将所述欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值输入至所述可逆衰减识别模型进行可逆衰减原因的识别，其中，变化值最大的极化指标为可逆衰减原因，根据可逆衰减的识别原因确定识别结果，根究造成可逆衰减识别结果原因的操作，确定可逆衰减的恢复措施。
具体的，可逆衰减识别模型会比较所述欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值，若欧姆极化损失的变化值最大，则燃料电池可逆衰减的识别结果为电堆过干；若活化极化损失的变化值最大，则燃料电池可逆衰减的识别结果为催化剂活性下降；若浓差极化损失的变化值最大，则燃料电池可逆衰减的识别结果为电堆发生了水淹。
通过根究燃料电池电堆过干、催化剂活性下降以及电堆发生水淹的操作，确定燃料电池可逆衰减的恢复措施。
其中，根究电堆过干操作及其恢复措施包括：
确定燃料电池温度值是否高于目标值，若是，则是温度超温导致了电堆排水能力过强，需要减小水温以平衡电堆排水能力，在至少一个实施例中，通过增大散热风扇和水泵的转速减小水温；若否，则是加湿器衰减，需要增大温差，提升加湿器的加湿能力。
其中，根究催化剂活性下降操作及其恢复措施包括：
通过切断燃料电池阴极的流量进行阴极欠气，使电压降至0V并维持1min，再恢复运行，观察此时的性能是否恢复至目标值，若是，则是阴极有可还原性的污染物，需要阴极欠气操作减小其影响，若否，则维持系统供气的同时将电流设置为0A运行2min，然后切断阴极的流量使电压降至0V并维持1min，再恢复运行，观察此时的性能是否恢复至目标值，若是，则是阴极处有可氧化性的污染物，需要进行OCV操作和阴极欠气操作减小其影响，若否，则是阳极中有可氧化性的污染物，需要阳极通入空气或提升阳极氢气品质减小其影响。其中，所述OCV操作为对电池开路电压进行的测试操作。
其中，根究电堆发生水淹操作及其恢复措施包括：
确定燃料电池的温度是否低于目标值，若是，则水温过低导致的排水能力显著下降，需要提升水温以增大电堆排水能力，若否，则是电堆中GDL（气体扩散层）的疏水性下降，需要增加入堆空气流量以提升电堆GDL的疏水性。
综上，本发明根据车辆运行过程的所述当前极化曲线与衰减前的历史极化曲线做对比，得到取欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值，并结合历史数据的建立的可逆衰减识别模型识别出了燃料电池可逆衰减原因，并通过根究可逆衰减的原因，确定可逆衰减的恢复措施，提升了燃料电池的燃料经济性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，均仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请保护范围的限制。
在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序等。
本文中的模块、单元或组件的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，在实际实现时可以有其他的划分方式，例如多个模块和/或单元可以结合或集成于另一个系统中。作为分离部件说明的模块、单元、组件在物理上可以是分开的，也可以是不分开的。作为单元显示的部件可以是物理单元，也可以不是物理单元，即可以位于一个具体地方，也可以分布到网格单元中。因此可以根据实际需要选择其中的部分或全部的单元来实现实施例的方案。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (13)
1.一种燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，包括：
获取燃料电池衰减前的历史极化曲线以及车辆运行过程中的当前极化曲线，根据所述历史极化曲线和所述当前极化曲线计算欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值；
基于所述历史极化曲线和所述当前极化曲线，建立可逆衰减识别模型，将所述欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值输入至所述可逆衰减识别模型进行可逆衰减原因的识别，其中，变化值最大的极化指标为可逆衰减原因，根据可逆衰减的识别原因确定识别结果，根究造成可逆衰减识别结果原因的操作，确定可逆衰减的恢复措施。
2.如权利要求1所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，所述历史极化曲线的获取方法包括：
根据控制器内预存定期更新（BOT）时对应的电压与电流密度的关系曲线，获取历史极化曲线。
3.如权利要求2所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，所述当前极化曲线的获取方法包括：
通过控制器在线筛选燃料电池不同电流下的稳态运行点，获得稳态运行时不同电流密度下的电压，从而获得所述当前极化曲线。
4.如权利要求3所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，所述欧姆极化损失的变化值获取方法包括：
根据历史极化曲线，获取历史欧姆极化损失、历史活化极化损失和历史浓差极化损失，分别为、/>、/>；
通过车载的DC-DC转换器在线测量燃料电池的高频电阻高频电阻（HFR），乘以当前的电堆电流，得到当前欧姆极化损失；
根据所述历史欧姆极化损失和当前欧姆极化损失计算欧姆极化损失的变化值：
。
5.如权利要求4所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，所述活化极化损失的变化值获取方法包括：
将所述稳态运行时不同电流密度下的电压进行欧姆极化的修正，获得修正电压，再对修正电压和电流密度进行对数化处理，将200mA/cm2及以下电流密度的数据点进行线性拟合，获得当前活化极化损失；
根据所述历史活化极化损失和当前活化极化损失计算活化极化损失的变化值：
。
6.如权利要求5所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，所述浓差极化损失的变化值获取方法包括：
根据所述历史极化曲线和所述当前极化曲线，计算电压变化的差值：
其中，/>为所述历史极化曲线的总电压，为所述当前极化曲线的总电压；
根据所述电压变化的差值、活化极化损失的变化值以及欧姆极化损失的变化值，计算浓差极化损失的变化值：
。
7.如权利要求6所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，所述可逆衰减识别模型的识别方法及识别结果包括：
比较所述欧姆极化损失、活化极化损失和浓差极化损失的变化值，若欧姆极化损失的变化值最大，则燃料电池可逆衰减的识别结果为电堆过干；若活化极化损失的变化值最大，则燃料电池可逆衰减的识别结果为催化剂活性下降；若浓差极化损失的变化值最大，则燃料电池可逆衰减的识别结果为电堆发生了水淹。
8.如权利要求7所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，获得所述识别结果后，进行根究电堆过干的操作，包括：
确定燃料电池温度值是否高于目标值，若是，则是温度超温导致了电堆排水能力过强，若否，则是加湿器衰减。
9.如权利要求8所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，完成所述根究电堆过干的操作后，进行电堆过干的恢复措施，包括：
通过减小电堆水温，平衡电堆排水能力；
通过增大加湿器温差，提升加湿器的加湿能力。
10.如权利要求7所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，获得所述识别结果后，进行根究催化剂活性下降的操作，包括：
切断燃料电池阴极的流量，使电压降至0V并维持若干时间，再恢复运行，观察此时的性能是否恢复至目标值，若是，则是阴极有可还原性的污染物，若否，则维持系统供气的同时将电流设置为0A运行若干时间，然后切断阴极的流量使电压降至0V并维持若干时间，再恢复运行，观察此时的性能是否恢复至目标值，若是，则是阴极处有可氧化性的污染物，若否，则是阳极中有可氧化性的污染物。
11.如权利要求10所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，完成所述根究催化剂活性下降的操作后，进行催化剂活性下降的恢复措施，包括：
通过阴极欠气操作减小阴极有可还原性的污染物的影响；
通过开路电压测试（OCV）操作和阴极欠气操作减小阴极有可氧化性的污染物的影响；
通过提升阳极氢气品质或通入阳极空气减小阳极有可氧化性的污染物的影响。
12.如权利要求7所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，获得所述识别结果后，进行根究电堆发生水淹的操作，包括：
确定燃料电池的温度是否低于目标值，若是，则水温过低导致的排水能力下降，若否，则是电堆中气体扩散层（GDL）的疏水性下降。
13.如权利要求12所述的燃料电池可逆衰减的识别方法，其特征在于，完成根究电堆发生水淹的操作后，进行电堆发生水淹的恢复措施，包括：
通过提升电堆水温，提升电堆排水能力；
通过增加通入电堆的空气流量，提升电堆GDL的疏水性。
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