燃料电池堆膜电极健康状态快速同步检测方法及装置制造方法及图纸

本申请涉及一种燃料电池堆膜电极健康状态快速同步检测方法及装置，其中，方法包括：燃料电池堆的测试电极供给惰性气体、对电极供给氢气，维持燃料电池堆温度等指标稳定在预设区间，使各片燃料电池电压保持稳定；向燃料电池堆施加任意形式电压或电流激励，并在到达预设激励阈值后，以任意形式电流放电至稳定，采集该过程整堆电流信号和各片燃料电池的电压信号，以利用燃料电池充放电过程电化学模型解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容及短路电阻，本申请对电压或电流激励及放电的形式无限制，最低仅需采集一次激励和放电结果即可同步得到膜电极参数，以评估膜电极健康状态，极大提高了测试效率，降低了测试成本。低了测试成本。低了测试成本。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池堆膜电极健康状态快速同步检测方法及装置


[0001]本申请涉及质子交换膜燃料电池堆
，特别涉及一种燃料电池堆膜电极健康状态快速同步检测方法及装置。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池有启动快、效率高、无污染等特点，是较理想的车载动力源，随着燃料电池应用场景增多，数百片的大功率燃料电池堆需求逐渐提升，此时，燃料电池输出的“短板效应”愈加突出，即电堆的一致性和耐久性取决于组堆的最差性能单片膜电极，因此，膜电极的批量化、快速化性能一致性健康状态检测十分重要。
[0003]目前，相关技术中，膜电极检测一般使用循环伏安法检测单片膜电极的催化性活性面积，然后使用线性电位扫描法检测单片膜电极的氢渗透电流，这些传统方法只能测量单个膜电极，效率低下。近些年也发展出同步测量膜电极的方法，但对激励和采集端有很高的精度要求，测量结果也存在误差，需要多次测量来确定结果，很难快速准确评估。
[0004]因此，目前膜电极检测对设备精度要求较高，对电压或电流激励及放电的形式有所限制，且需多次采集激励和放电结果以获取膜电极参数，耗时过长，测试效率低下，同时，解析结果存在误差，难以快速准确地进行评估，测试成本较高，亟待解决。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种燃料电池堆膜电极健康状态快速同步检测方法及装置，以解决目前膜电极检测对设备精度要求高、解析结果存在误差，且多次测量耗时过长，效率低下等问题。
[0006]本申请第一方面实施例提供一种燃料电池堆膜电极健康状态快速同步检测方法，包括以下步骤：燃料电池堆的测试电极供给惰性气体、对电极供给氢气，维持所述燃料电池堆温度、气体流量、背压和湿度稳定在预设区间，使所述燃料电池堆中的各片燃料电池电压达到第一预设稳定条件；向所述燃料电池堆施加一次或多次任意形式电压激励或电流激励，并在到达预设激励阈值后，以任意形式电流放电直至达到预设第二稳定条件，记录并采集激励时所述燃料电池堆的整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，记每一次激励起点为时间零点1，激励段记录点距时间零点1的时间差为t1，激励段电池电压为U1，测试电极界面电位差为V1，记每一次激励后放电终点为时间零点2，放电段记录点距时间零点2的时间差为t2，放电段电池电压为U2，测试电极界面电位差为V2；基于所述燃料电池堆的整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，利用预设燃料电池充放电过程电化学模型解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻，得到检测结果。
[0007]可选地，在本申请的一个实施例中，所述预设燃料电池充放电过程电化学模型为：
[0008][0009]其中，i
H
为渗氢电流密度，C
dl
为双电层电容，R
e
为短路电阻，Q
H
为氢脱附电荷量，i
ch
为充电过程中的激励电流密度，i
dis
为放电过程中的放电电流密度，U
low
为解析电压窗口最小值，U
upp
为解析电压窗口最大值，V
1(0)
为激励起点的测试电极界面电位差，V
2(0)
为放电终点的测试电极界面电位差。
[0010]可选地，在本申请的一个实施例中，利用电压窗口[U
low
,U
upp
]内所有充放电记录点(共计N个)根据所述电化学模型构造多元线性方程组为：
[0011][0012]通过多元线性回归求解i
H
、Q
H
、C
dl
、1/R
e
，并获得膜电极参数i
H
、Q
H
、C
dl
、R
e
，可通过氢脱附电荷量Q
H
解出催化剂活性面积：
[0013][0014]其中，Γ是催化剂表面完全覆盖单层的吸附氢所需要的电荷量，L是被测电极催化剂载量。
[0015]可选地，在本申请的一个实施例中，所述利用预设燃料电池充放电过程电化学模型解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻，包括：
[0016]以预设公式反解所述整个过程中实时催化剂表面吸脱附电荷总量，其中，所述预设公式为：
[0017][0018][0019]其中，Q
Pt_ch
为整个充电过程中实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Q
Pt_dis
为整个充电过程中实时催化剂表面吸脱附电荷总量；验证解析窗口[U
low
,U
upp
]内反解得到的N个Q
Pt
数值的均方差是否满足预设条件，若不满足，则调整电压窗口，重新解析，直到满足预设条件。
[0020]可选地，在本申请的一个实施例中，所述利用预设燃料电池充放电过程电化学模型解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻，包括：在所述短路电阻大于预设区间上限或小于预设区间下限时，所述预设燃料电池充放电过程电化学模型的解析公式为
[0021][0022]基于所述解析公式构造出多元线性方程组，其中，所述多元线性方程组为：
[0023][0024]通过多元线性回归求解i
H
、Q
H
、C
dl
，以反解所述实时催化剂表面吸脱附电荷总量。
[0025]可选地，在本申请的一个实施例中，所述整个过程中实时催化剂表面吸脱附电荷总量为：
[0026][0027][0028]验证解析窗口[U
low
,U
upp
]内反解得到的N个Q
Pt
数值的均方差是否满足预设条件，若不满足，则调整电压窗口，重新解析，直到满足预设条件。
[0029]可选地，在本申请的一个实施例中，所述预设条件为解析窗口[U
low
,U
upp
]内反解得到的N个Q
Pt
数值的均方差是否小于预设值。
[0030]本申请第二方面实施例提供一种燃料电池堆膜电极健康状态快速同步检测装置，包括：供给模块，用于燃料电池堆的测试电极供给惰性气体、对电极供给氢气，维持所述燃料电池堆温度、气体流量、背压和湿度稳定在预设区间，使所述燃料电池堆中的各片燃料电池电压达到第一预设稳定条件；记录模块，用于向所述燃料电池堆施加一次或多次任意形式电压激励或电流激励，并在到达预设激励阈值后，以任意形式电流放电直至达到预设第二稳定条件，记录并采集激励时所述燃料电池堆的整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，记每一次激励起点为时间零点1，激励段记录点距时间零点1的时间差为t1，激励段电池电压为U1，测试电极界面电位差为V1，记每一次激励后放电终点为时间零点2，放电段记录点距时间零点2的时间差为t2，放电段电池电压为U2，测试电极界面电位差为V2；以及解析模块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池堆膜电极健康状态快速同步检测方法，其特征在于，包括以下步骤：燃料电池堆的测试电极供给惰性气体、对电极供给氢气，维持所述燃料电池堆温度、气体流量、背压和湿度稳定在预设区间，使所述燃料电池堆中的各片燃料电池电压达到第一预设稳定条件；向所述燃料电池堆施加一次或多次任意形式电压激励或电流激励，并在到达预设激励阈值后，以任意形式电流放电直至达到预设第二稳定条件，记录并采集激励时所述燃料电池堆的整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，记每一次激励起点为时间零点1，激励段记录点距时间零点1的时间差为t1，激励段电池电压为U1，测试电极界面电位差为V1，记每一次激励后放电终点为时间零点2，放电段记录点距时间零点2的时间差为t2，放电段电池电压为U2，测试电极界面电位差为V2；以及基于所述燃料电池堆的整堆电流信号和所述各片燃料电池的电压信号，利用预设燃料电池充放电过程电化学模型解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻，得到检测结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设燃料电池充放电过程电化学模型为：其中，i
H
为渗氢电流密度，C
dl
为双电层电容，R
e
为短路电阻，Q
H
为氢脱附电荷量，i
ch
为充电过程中的激励电流密度，i
dis
为放电过程中的放电电流密度，U
low
为解析电压窗口最小值，U
upp
为解析电压窗口最大值，V
1(0)
为激励起点的测试电极界面电位差，V
2(0)
为放电终点的测试电极界面电位差。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用电压窗口[U
low
,U
upp
]内所有充放电记录点(共计N个)根据所述电化学模型构造多元线性方程组为：通过多元线性回归求解i
H
、Q
H
、C
dl
、1/R
e
，并获得膜电极参数i
H
、Q
H
、C
dl
、R
e
，可通过氢脱附电荷量Q
H
解出催化剂活性面积：其中，Γ是催化剂表面完全覆盖单层的吸附氢所需要的电荷量，L是被测电极催化剂载量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用预设燃料电池充放电过程电化学模型解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻，包括：以预设公式反解所述整个过程中实时催化剂表面吸脱附电荷总量，其中，所述预设公
式为：式为：其中，Q
Pt_ch
为整个充电过程中实时催化剂表面吸脱附电荷总量，Q
Pt_dis
为整个充电过程中实时催化剂表面吸脱附电荷总量；验证解析窗口[U
low
,U
upp
]内反解得到的N个Q
Pt
数值的均方差是否满足预设条件，若不满足，则调整电压窗口，重新解析，直到满足预设条件。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用预设燃料电池充放电过程电化学模型解析各片燃料电池膜电极的氢渗透电流、催化剂活性面积、双电层电容和短路电阻，包括：在所述短路电阻大于预设区间上限或小于预设区间下限时，所述预设燃料电池充放电过程电化学模型的解析公式为：基于所述解析公式构造出多元线性方程组，其中，所述多元线性方程组为：通过多元线性回归求解i
H
、Q
H
、C
dl
，以反解所述实时催化剂表面吸脱附电荷总量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述整个过程中实时催化剂表面吸脱附电荷总量为：荷总量为：验证解析窗口[U
low
,U
upp
]内反解得到的N个Q
Pt
数值的均方差是否满足预设条件，若不满足，则调整电压窗口，重新解析，直到满足预设条件。7.根据权利要求4、6所述的方法，其特征在于，所述预设条件为解析窗口[U
low
,U
upp
]内反解得到的N个Q
Pt
数值的均方差是否小于预设值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在到达所述预设激励阈值后，还包括：在所述燃料电池堆的最高单片电压达到所述预设激励阈值时，控制所述电燃料电池堆由激励状态切换至放电状态。9.一种燃料电池堆膜电极健康状态快速同步检测装置，其特征在于，包括：供给模块，用于燃料电池堆的测试电极供给惰性气体、对电极供给氢气，维持所述燃料电池堆温度、气体流量、背压和湿度...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴普成，王鹤，任棚，蒙依宁，陈东方，宋鑫，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：