一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法。本发明专利技术包括：建立质子交换膜燃料电池的半机理电压模型；测量燃料电池不同老化阶段的极化曲线，拟合得到不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，计算在不同老化阶段中额定负载下的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗与总浓度损耗；利用传输线模型分别计算燃料电池在不同老化阶段中各个部件老化量化参数和导致的电压损耗；计算各个部件导致的电压损耗占比并作为各个部件的老化量化权重，并归一化各个部件的老化量化参数，计算燃料电池的自适应混合老化特征，进而诊断燃料电池的老化状态。本发明专利技术实现了燃料电池部件的精确老化诊断，提升了运行的可靠性与耐久性。行的可靠性与耐久性。行的可靠性与耐久性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法


[0001]本专利技术属于燃料电池研发与应用的领域的一种质子交换膜燃料电池的老化诊断方法，涉及一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池的老化是一个复杂且强非线性的过程，涉及了多机理、多部件、多物理域、多时空尺度、多工作条件和多耦合等复杂因素，使得老化状态的准确快速诊断成为了一项巨大挑战。此外，由于实际使用过程中，质子交换膜燃料电池会由于水管理等因素出现停机重启后的性能恢复现象，进一步增加了老化诊断的难度。目前绝大多数的燃料电池老化诊断都是基于电压、功率、阻抗或单个部件老化参数(如氢气渗透率、催化剂电化学表面积等)的宏观粗略诊断。以电压为例，设计、生产和使用过程中的太多因素都会影响燃料电池电压的变化，而不仅仅是老化。实际应用时所观测到的电压是多种因素综合影响后的体现，不可避免地包含大量噪声和波动，当通过电压来诊断燃料电池的老化状态时，很容易发生偏差。因此，研究质子交换膜燃料电池的精确老化诊断特征具有重要意义。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法。本专利技术了解各个部件对整体燃料电池老化影响的量化信息后，便可以结合各部件的归一化老化参数构造自适应混合老化特征，从而准确诊断燃料电池的老化状态，进而采取针对性的措施，提升燃料电池的可靠性与耐久性。
[0004]本专利技术采用的方案是：
[0005]本专利技术包括以下步骤：
[0006]1)选择全新的质子交换膜燃料电池，测量在额定负载和标准运行条件下燃料电池的运行性能参数，根据燃料电池的运行性能参数建立质子交换膜燃料电池的半机理电压模型；
[0007]2)在标准运行条件下，测量燃料电池不同老化阶段的极化曲线，使用半机理电压模型对不同老化阶段的极化曲线进行拟合，得到不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，根据不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，计算在额定负载下燃料电池在不同老化阶段中的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗与总浓度损耗；
[0008]3)根据燃料电池在不同老化阶段中的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗与总浓度损耗，利用传输线模型分别计算燃料电池在不同老化阶段中各个部件的老化量化参数以及各个部件导致的电压损耗；
[0009]4)将额定负载下燃料电池在不同老化阶段中各个部件导致的电压损耗与对应老化阶段的电压总极化损耗进行相除，计算获得不同老化阶段中各个部件导致的电压损耗占比并作为在不同老化阶段下各个部件的老化量化权重；
[0010]5)对燃料电池在不同老化阶段中各个部件的老化量化参数分别进行归一化处理
后获得对应的归一化老化量化参数，结合燃料电池在不同老化阶段中各个部件的老化量化权重与归一化老化参数计算获得燃料电池的自适应混合老化特征，利用自适应混合老化特征诊断燃料电池整体的老化状态。
[0011]所述步骤1)中质子交换膜燃料电池的半机理电压模型通过公式进行设置：
[0012]E
cell
＝E
ner
‑
η
act+cross
‑
η
ohmic
‑
η
con
[0013]其中，E
cell
表示单片燃料电池的电池电压，E
ner
表示单片燃料电池的能斯特电压，η
act+cross
表示单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和，η
ohmic
表示单片燃料电池的总欧姆损耗，η
con
表示单片燃料电池的总浓度损耗。
[0014]所述单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和η
act+cross
通过以下公式进行设置：
[0015][0016][0017]其中，A
c
表示阴极的活化常数，i
cross
表示渗透电流密度，i表示额定负载电流密度，常数10是单位转换因子，f表示催化剂粗糙度因子，满足f＝ECSA
×
L
pt
，ECSA是铂催化剂的电化学表面积，L
pt
表示阴极的铂负载量，i
0,c
表示阴极交换电流密度；表示标准运行条件下阴极氧气的参考分压，T
ref
表示燃料电池的参考运行温度，表示在和T
ref
运行条件下阴极交换电流密度的参考值，表示阴极的氧气分压，γ
c
表示氧气还原反应的反应阶数，E
act,c
表示氧气还原反应的活化能量；R表示理想气体常数；T表示燃料电池运行温度；
[0018]所述单片燃料电池的总欧姆损耗η
ohmic
通过以下公式进行设置：
[0019]η
ohmic
＝iR
ohmic
[0020][0021]其中，R
ohmic
表示单片燃料电池总欧姆电阻，R
m
表示单片燃料电池质子交换膜的质子传输电阻，表示单片燃料电池阴极催化层的有效质子传输电阻，R
ct
表示单片燃料电池双极板与气体扩散层之间的接触电阻；
[0022]所述单片燃料电池的总浓度损耗η
con
通过以下公式进行设置：
[0023][0024]其中，B
c
表示阴极的浓度常数，il
im表
示限制电流密度。
[0025]所述步骤3)具体为：
[0026]所述燃料电池主要由催化层、质子交换膜、双极板和气体扩散层四个部件组成；
[0027]S1：根据活化损耗与渗透损耗之和，分别计算活化损耗与渗透损耗，活化损耗全部由燃料电池的催化层导致，渗透损耗全部由燃料电池的质子交换膜导致；
[0028]其中，单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗通过以下公式进行计算：
[0029][0030][0031]其中，η
act
表示单片燃料电池的活化损耗，η
cross
表示单片燃料电池的渗透损耗；i
cross
表示渗透电流密度；i表示额定负载电流密度；η
act+cross
表示单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和；
[0032]将渗透电流密度i
cross
作为质子交换膜的老化量化参数；将催化剂粗糙度因子f作为催化层的老化量化参数；
[0033]S2：总欧姆损耗分别由燃料电池的质子交换膜、催化层和双极板导致，根据总欧姆损耗，利用传输线模型分别计算质子交换膜的质子传输电阻、阴极催化层的有效质子传输电阻以及双极板与气体扩散层之间的接触电阻，由此计算质子交换膜导致的欧姆损耗、催化层导致的欧姆损耗和双极板导致的欧姆损耗；
[0034]其中，单片燃料电池的质子交换膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选择全新的质子交换膜燃料电池，测量在额定负载和标准运行条件下燃料电池的运行性能参数，根据燃料电池的运行性能参数建立质子交换膜燃料电池的半机理电压模型；2)在标准运行条件下，测量燃料电池不同老化阶段的极化曲线，使用半机理电压模型对不同老化阶段的极化曲线进行拟合，得到不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，根据不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，计算在额定负载下燃料电池在不同老化阶段中的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗与总浓度损耗；3)根据燃料电池在不同老化阶段中的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗与总浓度损耗，利用传输线模型分别计算燃料电池在不同老化阶段中各个部件的老化量化参数以及各个部件导致的电压损耗；4)将额定负载下燃料电池在不同老化阶段中各个部件导致的电压损耗与对应老化阶段的电压总极化损耗进行相除，计算获得不同老化阶段中各个部件导致的电压损耗占比并作为在不同老化阶段下各个部件的老化量化权重；5)对燃料电池在不同老化阶段中各个部件的老化量化参数分别进行归一化处理后获得对应的归一化老化量化参数，结合燃料电池在不同老化阶段中各个部件的老化量化权重与归一化老化参数计算获得燃料电池的自适应混合老化特征，利用自适应混合老化特征诊断燃料电池整体的老化状态。2.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法，其特征在于，所述步骤1)中质子交换膜燃料电池的半机理电压模型通过公式进行设置：E
cell
＝E
ner
‑
η
act+cross
‑
η
ohmic
‑
η
con
其中，E
cell
表示单片燃料电池的电池电压，E
ner
表示单片燃料电池的能斯特电压，η
act+cross
表示单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和，η
ohmic
表示单片燃料电池的总欧姆损耗，η
con
表示单片燃料电池的总浓度损耗。3.根据权利要求2所述的一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法，其特征在于，所述单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和η
act+cross
通过以下公式进行设置：通过以下公式进行设置：其中，A
c
表示阴极的活化常数，i
cross
表示渗透电流密度，i表示额定负载电流密度，常数10是单位转换因子，f表示催化剂粗糙度因子，满足f＝ECSA
×
L
pt
，ECSA是铂催化剂的电化学表面积，L
pt
表示阴极的铂负载量，i
0，c
表示阴极交换电流密度；表示标准运行条件下阴极氧气的参考分压，T
ref
表示燃料电池的参考运行温度，表示在和T
ref
运行条件下
阴极交换电流密度的参考值，表示阴极的氧气分压，γ
c
表示氧气还原反应的反应阶数，E
act，c
表示氧气还原反应的活化能量；R表示理想气体常数；T表示燃料电池运行温度；所述单片燃料电池的总欧姆损耗η
ohmic
通过以下公式进行设置：η
ohmic
＝iR
ohmic
其中，R
ohmic
表示单片燃料电池总欧姆电阻，R
m
表示单片燃料电池质子交换膜的质子传输电阻，表示单片燃料电池阴极催化层的有效质子传输电阻，R
ct
表示单片燃料电池双极板与气体扩散层之间的接触电阻；所述单片燃料电池的总浓度损耗η
con
通过以下公式进行设置：其中，B
c
表示阴极的浓度常数，i
lim
表示限制电流密度。4.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池自适应混合老化特征的老化诊断方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：所述燃料电池主要由催化层、质子交换膜、双极板和气体扩散层四个部件组成；S1：根据活化损耗与渗透损耗之和，分别计算活化损耗与渗透损耗，活化损耗全部由燃料电池的催化层导致，渗透损耗全部由燃料电池的质子交换膜导致；其中，单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗通过以下公式进行计算：通过以下公式进行计算：其中，η
act
表示单片燃料电池的活化损耗，η
cross
表示单片燃料电池的渗透损耗；i
cross
表示渗透电流密度；i表示额定负载电流密度；η
act+cross
表示单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和；将渗透电流密度i
cross
作为质子交换膜的老化量化参数；将催化剂粗糙度因子f作为催化层的老化量化参数；S2：总欧姆损耗分别由燃料电池的质子交换膜、催化层和双极板导致，根据总欧姆损耗，利用传输线模...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑，刘浩，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：