一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法及系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术中不能快速准确的判断燃料电池内阻和不能有效识别燃料电池内部水状态的问题。一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法，包括以下步骤：产生电流扰动或电压扰动信号给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，计算所述电压响应和电流响应的比值，得到阻抗；根据所述阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态。实现了燃料电池内阻的快速准确识别以及燃料电池内部水状态的有效识别。

A Method and System for Judging the Water State in Fuel Cell Based on Impedance

The invention relates to a method and system for judging the internal water state of fuel cell based on impedance, belonging to the technical field of fuel cell, and solves the problem that the internal resistance of fuel cell can not be quickly and accurately judged and the internal water state of fuel cell can not be effectively identified in the prior technology. A method for judging the water state in fuel cell based on impedance includes the following steps: generating current or voltage disturbance signals to fuel cell, collecting the voltage response and current response of fuel cell, calculating the ratio of voltage response to current response, and obtaining impedance; adjusting the frequency of the disturbance signal according to the amplitude angle of the impedance, so that the amplitude angle is set. Within the threshold range, the impedance at this time is determined to be the internal resistance of the fuel cell, and the internal water state of the fuel cell is judged according to the internal resistance of the fuel cell. The fast and accurate identification of the internal resistance of fuel cell and the effective identification of the internal water state of fuel cell are realized.

【技术实现步骤摘要】
一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法及系统
本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种基于阻抗的判断燃料电池内部水状态的方法及系统。
技术介绍
随着质子交换膜燃料电池的逐步商业化，其状态监测及与此相关的故障诊断越来越受到重视。其中，质子交换膜的润湿状态非常关键，它可以很好地反映膜电极内的含水量。膜电极含水多，电池浓差损失增大；膜电极含水少，特别是质子交换膜含水少，质子电导率减小，电池欧姆损失增大。电化学交流阻抗谱可以反应燃料电池内部含水量，缺点是全频段测试(一般从20000Hz扫到0.1Hz，甚至更低)用时较长(一般在10min左右)，这一点限制了它的在线进行，另外，长时间的测试过程中电池水状态可能早已改变，由此带来阻抗谱测量不能实时反映水状态的问题；优点是可以得到质子交换膜电阻、阴极反应活化电阻、阳极反应活化电阻、阴极扩散电阻、阳极扩散电阻等综合信息；特别是利用质子交换膜电阻可以得到质子交换膜内部含水量，进而判断电极水状态。既想获得质子交换膜电阻，又想规避电化学阻抗谱测试时间过长的弊端，工程上的实施方式是只进行高频区的测量，并近似认为该高频阻抗值即质子交换膜电阻。于是，有的利用商业化的毫欧表固定频率(例如1000Hz)进行在线阻抗测量；有的利用商业化的电化学工作站或交流阻抗分析仪只进行高频阻抗测试。现有技术中公开了一种低成本交流阻抗测试设备，在相关的学术论文中用此设备固定频率进行在线高频阻抗测量，还公开了利用等效电路及不同频段阻抗值判断阴极缺气、阳极缺气的方法，质子交换膜电阻的获取还是采用固定某个高频频率的采集方法。质子交换膜电阻本应是虚部为0时的阻抗值，该值对应的交流扰动频率虽然确实处于高频区，但具体频率值随着燃料电池、以及工况参数的不同而不同；而几百赫兹频率值的差异往往导致0.01mΩ级别的内阻偏差，该偏差有可能反映轻度水淹，而传统则直接忽略该差异进而认为高频阻抗不能有效识别水多或水淹。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种基于阻抗的判断燃料电池内部水状态的方法，用以解决现有技术中不能快速准确的判断燃料电池内阻和不能有效识别燃料电池内部水状态的问题。本专利技术一方面提供了一种基于阻抗的判断燃料电池内部水状态的方法，包括以下步骤：产生电流扰动或电压扰动信号给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，计算所述电压响应和电流响应的比值，得到阻抗；根据所述阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态。上述技术方案的有益效果为：通过上述方案实现了燃料电池内阻的快速准确识别以及燃料电池内部水状态的有效识别。进一步地，所述电流扰动或电压扰动信号的频率范围为500Hz-4000Hz。上述进一步技术方案的有益效果为：将扰动信号的初始频率设置在500Hz-4000Hz，有助于减少调整扰动信号频率的次数，从而提高燃料电池内阻的识别速度。进一步地，根据阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，具体包括：若所述幅角大于设定正数阈值，则以设定步长，逐步减小扰动信号的频率，直至所述幅角小于或等于所述正数阈值；若所述幅角小于设定负数阈值，则以设定步长，逐步增大扰动信号的频率，直至所述幅角大于或等于负数阈值。上述进一步技术方案的有益效果为：使阻抗的幅角在设定阈值范围内，提高了燃料电池内阻的判定速度和判定精度。进一步地，所述燃料电池内阻包括，电极、极板、集电板上导电子的电子电阻以及质子交换膜内导氢质子的质子电阻。进一步地，根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态，具体包括，根据燃料电池内阻和公式(1)-(5)，判定燃料电池质子交换膜平均含水量；其中，R为燃料电池内阻，A为燃料电池电流密度，Le为质子交换膜厚度，σ为质子电导率，λ为膜内含水量，为平均含水量，α为膜表面水蒸气活度，x为水蒸气摩尔分数，P为膜表面混合气压强，Psat为饱和蒸气压，T为燃料电池的运行温度。上述进一步技术方案的有益效果为：实现了有效识别燃料电池质子交换膜平均含水量。进一步地，上述方案还包括，若判定的质子交换平均含水量超过质子交换膜的最佳含水量，则增加燃料电池的运行温度或增大空气流量以带走内部多余液态水，若判定的质子交换膜平均含水量低于最佳含水量，则降低燃料电池的运行温度以增加质子交换膜膜的润湿程度。上述进一步技术方案的有益效果为：上述方案实现了调节燃料电池内部水状态，使质子交换膜的平均含水量保持在最佳含水量附近，从而使燃料电池保持最佳的性能。本专利技术另一方面提供了基于阻抗判断燃料电池内部水状态的系统，其特征在于，所述包括燃料电池、阻抗分析仪和控制系统；所述阻抗分析仪用于产生电流扰动和电压扰动信号，提供给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，并通过所述电压响应和电流响应计算阻抗；所述阻抗分析仪，还用于将所述阻抗发送给控制系统，所述控制系统用于根据所述阻抗的幅角，判断所述幅角是否在设定阈值范围内；若否，则发送调整扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪，阻抗分析仪根据所述指令信号，调整扰动信号频率，并重新采集燃料电池的电压响应、电流响应，计算阻抗；若是，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；所述控制系统还用于根据燃料电池内阻判断燃料电池内部水状态。上述技术方案的有益效果为：通过上述方案实现了燃料电池内阻的快速准确识别以及燃料电池内部水状态的有效识别。进一步地，控制系统发送调整扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪，具体包括，若所述幅角大于设定正数阈值，则控制系统发送以设定步长，减少扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪；若所述幅角小于设定负数阈值，则控制系统发送以设定步长，增大扰动信号频率的指令信号给阻抗分析仪。上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述方案实现了阻抗分析仪根据幅角的大小，调整扰动信号频率，使阻抗幅角保持在设定阈值范围内，提高了燃料电池内阻的判定速度和判定精度。进一步地，所述控制系统根据燃料电池内阻判断燃料电池内部水状态，具体包括，控制系统根据燃料电池内阻和公式(1)-(5)，判定燃料电池质子交换膜平均含水量；其中，R为燃料电池内阻，A为燃料电池电流密度，Le为质子交换膜厚度，σ为质子电导率，λ为膜内含水量，为平均含水量，α为膜表面水蒸气活度，x为水蒸气摩尔分数，P为膜表面混合气压强，Psat为饱和蒸气压，T为燃料电池的运行温度。进一步地，所述系统还包括冷却水系统和空气进排气系统；若判定的质子交换膜平均含水量超过质子交换膜的最佳含水量，则控制系统控制冷却水系统，使之增加燃料电池的运行温度，或控制空气进排气系统，使之增大空气流量；若判定的质子交换膜平均含水量低于最佳含水量，则控制系统控制冷却水系统，使之减小燃料电池的运行温度。上述进一步技术方案的有益效果为：通过控制系统控制冷却水系统和空气进排气系统，使质子交换膜的平均含水量保持在最佳含水量附近，从而使燃料电池保持最佳的性能。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：产生电流扰动或电压扰动信号给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，计算所述电压响应和电流响应的比值，得到阻抗；根据所述阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：产生电流扰动或电压扰动信号给燃料电池，采集燃料电池的电压响应和电流响应，计算所述电压响应和电流响应的比值，得到阻抗；根据所述阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，判定此时的阻抗为燃料电池内阻；根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流扰动或电压扰动信号的频率范围为500Hz-4000Hz。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据阻抗的幅角，调整所述扰动信号的频率，使所述幅角在设定阈值范围内，具体包括：若所述幅角大于设定正数阈值，则以设定步长，逐步减小扰动信号的频率，直至所述幅角小于或等于所述正数阈值；若所述幅角小于设定负数阈值，则以设定步长，逐步增大扰动信号的频率，直至所述幅角大于或等于负数阈值。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料电池内阻包括，电极、极板、集电板上导电子的电子电阻以及质子交换膜内导氢质子的质子电阻。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述燃料电池内阻，判断燃料电池内部水状态，具体包括，根据燃料电池内阻和公式(1)-(5)，判定燃料电池质子交换膜平均含水量；其中，R为燃料电池内阻，A为燃料电池电流密度，Le为质子交换膜厚度，σ为质子电导率，λ为膜内含水量，为平均含水量，α为膜表面水蒸气活度，x为水蒸气摩尔分数，P为膜表面混合气压强，Psat为饱和蒸气压，T为燃料电池的运行温度。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括，若判定的质子交换平均含水量超过质子交换膜的最佳含水量，则增加燃料电池的运行温度或增大空气流量以带走内部多余液态水，若判定的质子交换膜平均含水量低于最佳含水量，则降低燃料电池的运行温度以增加质子交换膜膜的润湿程度。7.一种基于阻抗判断燃料电池内部水状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：李跃华，马泽，黄浩，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11