一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及燃料电池测试领域，特别涉及一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法。其系统包括燃料供给模块：将液态燃料气化后与气态燃料混合构成多组分燃料供给；电池本体模块：使燃料电池发电，且保持燃料电池温度稳定在设定值；测试模块：对燃料电池进行伏安特性测试，并采集电池阻抗数据和检测尾气组分数据；分析诊断模块：根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗

【技术实现步骤摘要】
一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池测试领域，特别涉及一种多组分供气下高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法。

技术介绍

[0002]目前传统能源引起的气候、能源和环境问题日益严重，碳中和背景下亟需改善能源结构，发展新能源产业。燃料电池是将化学能直接转化为电能的装置，其具有绿色环保、安静高效的优点，近年来受到广泛关注。高温质子交换膜燃料电池采用磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜作为电解质，工作温度在120
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180℃。高温质子交换膜燃料电池具有较高的杂质耐受性，其对CO的耐受度为30000ppm。由于高温质子交换膜杂质耐受度高，其与甲醇重整器连用后的甲醇重整燃料电池系统效率可达85％。
[0003]想要获得更好的重整系统性能需要根据燃料电池特点调整适合的重整器工况。然而现有的燃料电池测试平台无法针对多组分气体进行测试。同时现有的电池诊断模型通常针对纯氢供气工况，无法适用与高温、多种气体同时存在的情况。传统分析流程通常使用气体检测得到燃料电池供气组分情况，存在效率低的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法，旨在弥补现有燃料电池测试系统的不足。
[0005]本专利技术提供一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，包括
[0006]燃料供给模块：将液态燃料气化后与气态燃料混合构成多组分燃料供给；
[0007]电池本体模块：使高温质子交换膜燃料电池发电，且保持燃料电池温度稳定在设定值；
[0008]测试模块：对高温质子交换膜燃料电池进行伏安特性测试，并采集电池阻抗数据和检测尾气组分数据；
[0009]分析诊断模块：根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗
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组分经验关系式；
[0010]所述燃料供给模块连接电池本体模块并向电池本体模块供给多组分燃料，所述测试模块连接电池本体模块并对电池本体模块进行检查并获取数据，所述分析诊断模块与测试模块建立通信连接。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述燃料供给模块包括液体燃料供应装置、气态燃料供应装置、液体燃料蒸发器、双路气体预热器、气体混合器，所述液体燃料供应装置通过液态燃料控制阀门、计量泵接入到液体燃料蒸发器内蒸发为气态，所述气态燃料供应装置分为阳极气体供应部和阴极气体供应部，所述阳极气体供应部通过阳极侧截止阀、质量流量控制器接入双路气体预热器的阳极侧，所述阴极气体供应部通过阴极侧截止阀、质量流量控制器接入双路气体预热器的阴极侧，所述液体燃料蒸发器和双路气体预热器均接入气体
混合器，所述气体混合器内气化的液体燃料分别与阳极气体、阴极气体混合成阳极燃料气、阴极燃料气。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述电池本体模块包括高温质子交换膜燃料电池、电池温控装置，所述气体混合器内混合后的阳极燃料气、阴极燃料气分别通入高温质子交换膜燃料电池的阳极、阴极，所述电池温控装置连接在高温质子交换膜燃料电池上，所述电池温控装置根据来气温度和流速以及设定温度对高温质子交换膜燃料电池进行升温或者散热。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述测试模块包括电子负载、电化学工作站、干燥器、红外测试仪、气相色谱仪，所述电子负载通过导线连接高温质子交换膜燃料电池并进行伏安特性测试，所述电化学工作站通过导线连接高温质子交换膜燃料电池并进行电化学阻抗测试，所述干燥器连接高温质子交换膜燃料电池阴阳极的尾气出口，所述干燥器通过气体控制阀门分别接入红外测试仪、气相色谱仪。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述分析诊断模块包括高温质子交换膜稳态模型、高温质子交换膜瞬态模型、DRT分析模型、尾气分析模块，所述高温质子交换膜稳态模型对接电子负载、电化学工作站，所述高温质子交换膜瞬态模型对接电子负载，所述DRT分析模型对接电化学工作站，所述尾气分析模块对接红外测试仪、气相色谱仪。
[0015]本专利技术还提供一种高温质子交换膜燃料电池性能测试方法，包括以下步骤：
[0016]S1.液体燃料通过液体燃料供应装置在计量泵的驱动下到达液体燃料蒸发器蒸发为气态；气体燃料通过气态燃料供应装置分为阳极和阴极两路，阳极气体经过阳极侧截止阀、质量流量控制器后进入双路预热器，阴极气体经过阴极侧截止阀、质量流量控制器后进入双路预热器；气体燃料在经过双路预热器混合完毕后进入气体混合器，液体燃料由蒸发器出口进入气体混合器，分别完成阳极侧气体混合和阴极侧气体混合，形成阳极燃料气、阴极燃料气；
[0017]S2.混合后的阳极燃料气和阴极燃料气分两路进入高温质子交换膜燃料电池，电池温控装置根据来气温度和流速以及设定温度对高温质子交换膜燃料电池进行升温或者散热；
[0018]S3.高温质子交换膜燃料电池稳定输出后，通过电子负载对电池进行伏安特性测试；通过电化学工作站对电池进行电化学阻抗测试，得到阻抗信息；电池阳极和阴极尾气经过干燥器去除水分，经过称重检测得到阴极和阳极的产水量并记录；通过红外测试仪实时在线检测干燥后的尾气组分，通过气相色谱仪收集干燥后的尾气并检测不同组分占比；
[0019]S4.根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗
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组分经验关系式。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S4具体包括步骤：
[0021]S41.高温质子交换膜稳态模型获取电池稳态测试过程中电子负载测得的电压
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电流曲线、电化学工作站测得的稳态阻抗数据；高温质子交换膜瞬态模型获取电子负载的瞬态阶跃电压
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时间或者电流
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时间数据曲线；
[0022]S42.高温质子交换膜稳态模型和瞬态模型通过数据分析获得电池内部物质分布、热量分布以及反应状态；
[0023]S43.尾气分析模块获取红外测试仪或者气相色谱仪的组分数据；
[0024]S44.DRT分析模块根据阻抗数据和组分数据采用DRT分析方式进行数据处理，拟合得到电池组分与DRT峰值关系，得到相应的阻抗
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组分的经验关系式；
[0025]S45.尾气分析模块验证和改进瞬态和稳态分析模型的分析结果，并验证阻抗
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组分关系式准确性。
[0026]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S4中得到的阻抗
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组分的经验关系式为：
[0027][0028]其中y表示DRT峰值，x
i
表示组分i的浓度，a
n
是拟合系数，n表示n项多项式拟合的项数。
[0029]作为本专利技术的进一步改进，该高温质子交换膜燃料电池性能测试方法还包括步骤：
[0030]S5.实验结束后通过调整气态燃料供应装置，对高温质子交换膜燃料电池的阳极和阴极进行惰性气体吹扫，并维持吹扫直至电池温控装置将高温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，包括燃料供给模块：将液态燃料气化后与气态燃料混合构成多组分燃料供给；电池本体模块：使高温质子交换膜燃料电池发电，且保持燃料电池温度稳定在设定值；测试模块：对高温质子交换膜燃料电池进行伏安特性测试，并采集电池阻抗数据和检测尾气组分数据；分析诊断模块：根据阻抗数据和尾气组分数据采用DRT分析进行数据处理，并拟合得到用于燃料电池后续诊断的阻抗
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组分经验关系式；所述燃料供给模块连接电池本体模块并向电池本体模块供给多组分燃料，所述测试模块连接电池本体模块并对电池本体模块进行检查并获取数据，所述分析诊断模块与测试模块建立通信连接。2.根据权利要求1所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，所述燃料供给模块包括液体燃料供应装置、气态燃料供应装置、液体燃料蒸发器、双路气体预热器、气体混合器，所述液体燃料供应装置通过液态燃料控制阀门、计量泵接入到液体燃料蒸发器内蒸发为气态，所述气态燃料供应装置分为阳极气体供应部和阴极气体供应部，所述阳极气体供应部通过阳极侧截止阀、质量流量控制器接入双路气体预热器的阳极侧，所述阴极气体供应部通过阴极侧截止阀、质量流量控制器接入双路气体预热器的阴极侧，所述液体燃料蒸发器和双路气体预热器均接入气体混合器，所述气体混合器内气化的液体燃料分别与阳极气体、阴极气体混合成阳极燃料气、阴极燃料气。3.根据权利要求2所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，所述电池本体模块包括高温质子交换膜燃料电池、电池温控装置，所述气体混合器内混合后的阳极燃料气、阴极燃料气分别通入高温质子交换膜燃料电池的阳极、阴极，所述电池温控装置连接在高温质子交换膜燃料电池上，所述电池温控装置根据来气温度和流速以及设定温度对高温质子交换膜燃料电池进行升温或者散热。4.根据权利要求3所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，所述测试模块包括电子负载、电化学工作站、干燥器、红外测试仪、气相色谱仪，所述电子负载通过导线连接高温质子交换膜燃料电池并进行伏安特性测试，所述电化学工作站通过导线连接高温质子交换膜燃料电池并进行电化学阻抗测试，所述干燥器连接高温质子交换膜燃料电池阴阳极的尾气出口，所述干燥器通过气体控制阀门分别接入红外测试仪、气相色谱仪。5.根据权利要求4所述的高温质子交换膜燃料电池性能测试系统，其特征在于，所述分析诊断模块包括高温质子交换膜稳态模型、高温质子交换膜瞬态模型、DRT分析模型、尾气分析模块，所述高温质子交换膜稳态模型对接电子负载、电化学工作站，所述高温质子交换膜瞬态模型对接电子负载，所述DRT分析模型对接电化学工作站，所述尾气分析模块对接红外测试仪、气相色谱仪。6.一种高温质子交换膜燃料电池性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.液体燃料通过液体燃料供应装置在计量泵的驱动下到达液体燃料蒸发器蒸发为气态；气体燃料通过气态燃料供应装置分为阳极和阴极两路，阳极气体经过阳极侧截止阀、质量流量控制器后进入双路预热器，阴极气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐心海，徐嘉伟，王夷飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：