一种质子交换膜燃料电池的寿命预测方法技术

本申请公开了一种质子交换膜燃料电池的寿命预测方法，所述方法包括以下步骤：S1：采用拟合极化过电位的方式确定极化损失随时间变化的半经验方程；所述极化损失随时间变化的半经验方程包括活化极化Δη

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池的寿命预测方法


[0001]本申请涉及一种质子交换膜燃料电池的寿命预测方法，属于质子交换膜燃料电池领域。

技术介绍

[0002]燃料电池具有能源利用率高、燃料来源广、除水蒸气外零排放和无噪声等突出优势，在未来有望逐步取代内燃机，成为新能源汽车的主要动力源之一；燃料电池直接将化学能转化为电能，没有中间的能量转化过程，具有较高的能量转化效率，燃料电池汽车的能源效率是传统汽车的三倍。同时车载燃料电池还具有续航里程远和燃料加注快等优势，比车载锂离子电池等蓄电池有更广阔的应用前景。
[0003]尽管燃料电池具有巨大的产业潜力和应用价值，但耐久性差和寿命短是其实现商业和产业化推广的最主要障碍。美国能源部(DOE)制定的2020年车载燃料电池和固定式应用燃料电池寿命目标应分别不少于5,000小时和60,000小时，且车载燃料电池的终极寿命目标为8000小时，目前燃料电池的实际寿命与DOE制定的目标还有一定的差距。由于车载燃料电池的运行工况复杂多变，包括常规工况(如稳态运行、动态负载循环和启停循环)和恶劣工况(如长期OCV状态、怠速和过载运行)，导致车载燃料电池的寿命目标比固定式应用燃料电池更加难以实现。PEMFC的性能衰减及寿命受操作条件影响很大，因此，为了有效地控制燃料电池系统，最大限度地延长燃料电池寿命，必须清楚地了解燃料电池的衰减现象，并能够通过性能衰减模型进行寿命预测。
[0004]燃料电池数千小时甚至上万小时的寿命测试不仅需要花费大量的时间成本，还需要投入大量的人力及消耗大量的能源，不利于缩短商业化进程。从这个角度来讲，建立合适的寿命预测模型，可以准确预测不同操作条件下的衰减趋势，了解性能衰减过程，并大大缩短测试时间、节约成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，针对上述存在的问题，提供一种用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的寿命预测方法，该方法可实现PEMFC在不同工况条件下寿命的准确预测，可应用于燃料电池耐久性研究及寿命测试研究。
[0006]本申请的一个方面，提供一种质子交换膜燃料电池的寿命预测方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]S1：采用拟合极化过电位的方式确定极化损失随时间变化的半经验方程；
[0008]所述极化损失随时间变化的半经验方程包括活化极化Δη
act
(t)半经验方程、欧姆极化Δη
ohm
(t)半经验方程、传质极化Δη
mtx
(t)半经验方程；
[0009]其中，Δη
act
(t)为某一寿命阶段的活化过电位的变化量；
[0010]Δη
ohm
(t)为某一寿命阶段的欧姆过电位的变化量；
[0011]Δη
mtx
(t)为某一寿命阶段的传质过电位的变化量；
[0012]S2：基于S1获得的极化损失半经验方程，构建寿命预测模型ΔV(t)＝Δη
act
(t)+Δη
ohm
(t)+Δη
mtx
(t)；
[0013]S3：根据S2获得的寿命预测模型ΔV(t)＝Δη
act
(t)+Δη
Ohm
(t)+Δη
mtx
(t)，计算当ΔV等于所述质子交换膜燃料电池寿命终点的电压值时所用时间t，获得的t为所述质子交换膜燃料电池的寿命。
[0014]可选地，所述极化过电位通过极化损失分离方法确定；
[0015]所述极化过电位包括活化过电位η
act
、欧姆过电位η
ohm
、传质过电位η
mtx
。
[0016]通常，燃料电池的电压降可归因于极化过电位的增加，其主要由活化过电位(η
act
)、欧姆过电位(η
ohm
)和传质过电位(η
mtx
)组成，如图1所示。与氧还原反应(ORR)的相比，氢氧化反应(HOR)的反应动力学速度极快，因此HOR的过电位可以忽略不计，即活化过电位近似等于氧还原反应过电位。氢气在氮气和水中的扩散速度比氧气快得多，因此阳极的传质过电位也可以忽略不计。
[0017]燃料电池的实际电压可以写成如下形式：
[0018]E
cell
＝E0‑
η
act
‑
η
mtx
‑
η
ohm
(式1.1)
[0019]其中E0是反应气体为氢气和空气时的理论电压，η
act
是氧还原反应过电位，η
mtx
是氧气穿过气体扩散层(GDL)和催化层(CL)的质量传输引起的传质过电位，η
ohm
是电池各组件的欧姆阻抗引起的欧姆过电位。
[0020]可选地，所述极化损失分离方法包括以下步骤：
[0021](2
‑
1)确定欧姆过电位η
ohm
：
[0022]用1000Hz定频内阻仪测得各电流密度的欧姆电阻，欧姆过电位可以从欧姆电阻和电流密度的乘积获得：
[0023]获得所述欧姆过电位η
ohm
＝I
cell
R
ohm
；
[0024](2
‑
2)确定活化过电位η
act
：
[0025]欧姆过电位校正后，获得所述活化过电位η
act
＝E0‑
E
cell,air,IR
‑
free
，
[0026]欧姆过电位校正：欧姆过电位校正：将各电流密度的欧姆极化过电位与测试所得电压的加和，即：E
cell,air,IR
‑
free
＝E
cell
+η
ohm
；
[0027]其中，E0为反应气体为氢气和空气时的理论电压，
[0028]其中ΔG
T,P
是给定温度和压力下水蒸气的生成Gibbs自由能，为用氢气、氧气和水蒸汽的气体分压的校正的理论可逆电位；
[0029]E
cell,air,IR
‑
free
为在H2‑
Air操作下，经过欧姆校正后的电池电压。
[0030](2
‑
3)确定传质过电位η
mtx
：
[0031]所述传质过电位η
mtx
由计算理论Tafel曲线(H2‑
Air条件下理论曲线)与H2‑
Air条件下的实测极化曲线之间的差值得到；(其中，实测极化曲线与Tafel曲线的含义相同，把实测极化曲线的横坐标做对数处理后，即为Tafel曲线)。
[0032]传质过电位为
[0033]可选地，当反应气体为H2‑
Air时，为了消除传质极化的影响，可由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池的寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：采用拟合极化过电位的方式确定极化损失随时间变化的半经验方程；所述极化损失随时间变化的半经验方程包括活化极化损失变化量Δη
act
(t)半经验方程、欧姆极化损失变化量Δη
Ohm
(t)半经验方程、传质极化损失变化量Δη
mtx
(t)半经验方程；其中，Δη
act
(t)为某一寿命阶段的活化过电位的变化量；Δη
Ohm
(t)为某一寿命阶段的欧姆过电位的变化量；Δη
mtx
(t)为某一寿命阶段的传质过电位的变化量；S2：基于S1获得的极化损失半经验方程，构建寿命预测模型ΔV(t)＝Δη
act
(t)+Δη
Ohm
(t)+Δη
mtx
(t)；S3：根据S2获得的寿命预测模型ΔV(t)＝Δη
act
(t)+Δη
Ohm
(t)+...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海，栗京京，孙公权，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：