一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法技术

本发明专利技术公开一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，包括步骤：S10,建立基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型；S20,基于所建立的基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型，建立同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型；S30,基于极化曲线数据，利用所建立的同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型得到阴极动力学参数；S40,基于阴极动力学参数预估阴极催化层衰退进程。本发明专利技术基于燃料电池机理衰退模型，在考虑到传输系数变化的情况下，通过建立更为准确的阴极动力学参数计算模型，完成阴极催化层衰退预估。完成阴极催化层衰退预估。完成阴极催化层衰退预估。

【技术实现步骤摘要】
一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，特别是涉及一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池具有高效率、低污染、运行温度低等优点，因此受到了广泛关注。然而，质子交换膜燃料电池耐久性和成本问题一直以来制约了其商业化发展，为此，研究燃料电池衰退机理以延缓其老化进程十分必要。
[0003]目前大多针对燃料电池关键部件老化开展研究，并从实验数据和机理模型出发探索影响燃料电池关键部件的主要参数及其影响因素，从而采取有效措施延长电池运行寿命。然而，在对催化层的衰退机理研究中，关键参数对获取催化层的衰退现象具有重要作用，通过关键参数能够有效预估阴极催化层衰退。
[0004]现有燃料电池衰退评估方法中极少考虑了传输系数的变化，且阴极和阳极传输系数之间的关系模糊不清。现有技术在阴极动力学参数的获取方面，尚未同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的影响，在某些情况下，拟合误差不可忽略；此外，在Tafel方程基础上，尽管可通过实验设备测量泄漏电流密度减小一定的拟合误差，但一般只能测量整个电堆，且增加了额外的时间和成本。
[0005]为获取燃料电池化学反应动力学参数(主要是阴极)，传统方法多通过极化曲线方程直接拟合或者Tafel拟合。就前者而言，极化曲线方程涉及的未知参数较多，直接拟合得到的结果准确性难以保障。而对于后者，在低电流密度区进行线性拟合，虽能规避前者不足，得到较为准确的动力学参数，但是忽略了泄漏电流密度和阳极活化损耗的影响。实验数据表明在燃料电池运行后期，泄漏电流密度和阳极活化损耗均有所增加，此时该方法得到的参数值与实际值偏差较大并可能致使科研人员得出错误的结论。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，基于燃料电池机理衰退模型，在考虑到传输系数变化的情况下，通过建立更为准确的阴极动力学参数计算模型，完成阴极催化层衰退预估。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，包括步骤：
[0008]S10,建立基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型；
[0009]S20,基于所建立的基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型，建立同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型；
[0010]S30,基于极化曲线数据，利用所建立的同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型得到阴极动力学参数；
[0011]S40,基于阴极动力学参数预估阴极催化层衰退进程。
[0012]进一步的是，建立考虑泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型，包括步骤：
[0013]S101,基于动力学和热力学原理，得到单片燃料电池输出电压函数；
[0014]S102,根据单片燃料电池输出电压函数进行求导得到预估参数在低电流密度区的线性关系；
[0015]S103,基于获得的线性关系，对燃料电池极化曲线测量数据，在低电流密度区采用直线拟合的方式得到阴极传输系数和泄漏电流密度。
[0016]进一步的是，利用可逆电压、阳极和阴极活化损耗、欧姆损耗、阳极和阴极质量传输损耗计算获得单片燃料电池输出电压函数；
[0017]单片燃料电池输出电压函数为：
[0018]U＝E
rev
‑
η
act,A
‑
η
act,C
‑
η
ohm
‑
η
mt,A
‑
η
mt,C
；
[0019]式中，E
rev
为可逆电压，η
act,A
为阳极活化损耗，η
act,C
为阴极活化损耗，η
ohm
为欧姆损耗，η
mt,A
为阳极质量传输损耗、η
mt,C
为阴极质量传输损耗。
[0020]进一步的是，所述可逆电压由氢气和氧气反应的吉布斯自由能决定，受反应物压力、反应温度影响，计算公式为：
[0021][0022]式中，和T分别表示反应界面氢气分压、氧气分压和温度。
[0023]进一步的是，所述阳极活化损耗为：
[0024][0025]所述阴极活化损耗为：
[0026][0027]式中，R为气体常数，T为温度，F为法拉第常数，j是电流密度，j
loss
是泄漏电流密度，α
A
、α
C
分别为阳极和阴极传输系数，j
0,A
、j
0,C
分别为阳极和阴极交换电流密度。
[0028]进一步的是，根据单片燃料电池输出电压函数进行求导得到预估参数在低电流密度区的线性关系；
[0029][0030]其中P，k，b三个线性关系参数，且k，b能够表示线性关系中直线的斜率和截距。
[0031]进一步的是，基于获得的线性关系，对燃料电池极化曲线测量数据，在低电流密度区采用直线拟合的方式得到第一组泄漏电流密度和阴极传输系数；
[0032][0033]若不考虑阳极活化损耗得到第二组泄漏电流密度和阴极传输系数：
[0034][0035]进一步的是，在建立基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型的基础上引入阳极活化损耗，建立同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型，包括步骤：
[0036]建立电堆阳极和阴极传输系数近似函数关系：
[0037]α
A
＝
‑
1.7969+16.4173α
C
‑
25.2235α
C2
；
[0038]将获得的电堆阳极和阴极传输系数近似函数关系，带入第一组阴极传输系数公式中，得到阴极传输系数值。
[0039]进一步的是，基于极化曲线数据，利用所建立的同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型得到阴极动力学参数，包括步骤：
[0040]获取极化曲线数据，判断在低电流密度区电流步长是否≤0.01A/cm2，小于则进行下一步，否则利用传统方法进行极化曲线拟合；
[0041]将极化曲线数据，基于预估参数在低电流密度区的线性关系进行直线拟合，得到k和b；
[0042]判断是否考虑阳极活化损失，若是，则利用第一组泄漏电流密度和阴极传输系数计算公式和电堆阳极和阴极传输系数近似函数关系，获得泄漏电流密度和阴极传输系数；若否则利用第二组泄漏电流密度和阴极传输系数计算公式，获得泄漏电流密度和阴极传输系数；
[0043]由泄漏电流密度和阴极传输系数作为阴极动力学参数，回代极化曲线可获得其他参数。
[0044]进一步的是，利用泄漏电流密度和阴极传输系数作为阴极动力学参数，预估阴极催化层衰退进程包括：
[0045]先拟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，其特征在于，包括步骤：S10,建立基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型；S20,基于所建立的基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型，建立同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型；S30,基于极化曲线数据，利用所建立的同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型得到阴极动力学参数；S40,基于阴极动力学参数预估阴极催化层衰退进程。2.根据权利要求1所述的一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，其特征在于，建立考虑泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型，包括步骤：S101,基于动力学和热力学原理，得到单片燃料电池输出电压函数；S102,根据单片燃料电池输出电压函数进行求导得到预估参数在低电流密度区的线性关系；S103,基于获得的线性关系，对燃料电池极化曲线测量数据，在低电流密度区采用直线拟合的方式得到阴极传输系数和泄漏电流密度。3.根据权利要求2所述的一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，其特征在于，利用可逆电压、阳极和阴极活化损耗、欧姆损耗、阳极和阴极质量传输损耗计算获得单片燃料电池输出电压函数；单片燃料电池输出电压函数为：U＝E
rev
‑
η
act,A
‑
η
act,C
‑
η
ohm
‑
η
mt,A
‑
η
mt,C
；式中，E
rev
为可逆电压，η
act,A
为阳极活化损耗，η
act,C
为阴极活化损耗，η
ohm
为欧姆损耗，η
mt,A
为阳极质量传输损耗、η
mt,C
为阴极质量传输损耗。4.根据权利要求3所述的一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，其特征在于，所述可逆电压由氢气和氧气反应的吉布斯自由能决定，受反应物压力、反应温度影响，计算公式为：式中，和T分别表示反应界面氢气分压、氧气分压和温度。5.根据权利要求3所述的一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，其特征在于，所述阳极活化损耗为：所述阴极活化损耗为：式中，R为气体常数，T为温度，F为法拉第常数，j是电流密度，j
loss
是泄漏电流密度，α
A
、α
C
分别为阳极和阴极传输系数，j
0,A
、j
0,C
分别为阳极和阴极交换电流密度。6.根据权利要求3
‑
5任一所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪霞，廖红波，刘文涛，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：