一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法技术

本发明专利技术提供一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法，包括以下步骤：针对需要寿命预测的电堆选择适宜的工况进行测试，设定基准电流I0；确定所述燃料电池寿命终结条件；每间隔T时间，拆下所述电堆上的一片膜电极，在拆节后将所述电堆重新组装后进行运行，并获取运行工况数据；对运行不同时间的膜电极进行电化学活性面积测试；对运行不同时间的膜电极进行交换电流密度测试；对运行不同时间的膜电极进行极限电流密度测试；根据获取的测试结果，结合燃料电池理论模型，对所述基准电流I0下的平均电压按照预先设定的衰减率进行燃料电池寿命预测。本发明专利技术方法对燃料电池的寿命的预测准确度高，具有更接近真实失效机制的特点。具有更接近真实失效机制的特点。具有更接近真实失效机制的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体而言，尤其涉及一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法。

技术介绍

[0002]目前纵观国内外寿命预测的研究现状，主要可以归纳为三个方面，模型驱动、数据驱动和混合方法。数据驱动的方法得到了更多的关注，其主要包括回声状态网络、超限学习机、自适应神经
‑
模糊推理系统、相关向量机、高斯过程状态空间模型等；模型驱动的方法主要包括机理模型、经验模型、半机理或半经验模型；混合方法是基于模型驱动和数据驱动的方法，以不同的混合策略相结合的。
[0003]质子交换膜燃料电池具有无污染、能量转换率高、工作温度低等众多优点，在交通运输车辆、固定电站、移动电源、无人机等领域具有广泛的应用前景。尽管如此，质子交换膜燃料电池的商业化应用仍然面临许多问题和挑战。其中之一就是质子交换膜燃料电池还存在寿命验证不充分的问题，在完成一款燃料电池系统产品的设计后，若按照实测方式完成其耐久性验证，则需要花费大量的物料、人力和时间成本，数据驱动的方法不需要对燃料电池的构成及失效形式有系统的认知，但是在长期预测中效果不佳，数据衰退的方法主要依赖衰退机制的可重复性。

技术实现思路

[0004]根据上述
技术介绍
中提出的技术问题，而提供一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法。本专利技术主要通过在寿命预测过程中，清晰地分离出电化学极化以及传质极化，获取关键参数随时间变化的规律，进而更精准的对燃料电池的寿命进行预测。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1、针对需要寿命预测的电堆选择适宜的工况进行测试，设定基准电流I0；记录在温度80℃、空压P0、氢压P1状态下所述基准电流初始时的平均电压Ecell及所述电堆的整堆内阻R0；
[0008]步骤S2、确定所述燃料电池寿命终结条件；
[0009]步骤S3、每间隔T时间，拆下所述电堆上一片膜电极，在拆节后重新组装进行运行，并获取运行工况数据；
[0010]步骤S4、对运行不同时间的膜电极进行电化学活性面积测试；
[0011]步骤S5、对运行不同时间的膜电极进行交换电流密度测试；
[0012]步骤S6、对运行不同时间的膜电极进行极限电流密度测试；
[0013]步骤S7、根据所述步骤S4
‑
S6获取的测试结果，结合燃料电池理论模型，对所述基准电流I0下的平均电压按照预先设定的衰减率进行燃料电池寿命预测。
[0014]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0015]在寿命预测过程中，本专利技术清晰的分离出了电化学极化以及传质极化，并得到了关键参数随时间变化的规律，有助于更好的理解燃料电池的衰减过程以及失效机制，通过此方法去预测燃料电池的寿命具有准确度高，更接近真实失效机制的特点。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为本专利技术寿命预测流程图。
[0018]图2为本专利技术IEC标准车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况。
[0019]图3为本专利技术实测值与预测模型对比曲线。
具体实施方式
[0020]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0021]需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0022]如图1所示，本专利技术提供了一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法，包括以下步骤：
[0023]步骤S1、针对需要寿命预测的电堆选择适宜的工况进行测试，设定基准电流I0；记录在温度80℃、空压P0、氢压P1状态下所述基准电流初始时的平均电压Ecell及所述电堆的整堆内阻R0；
[0024]步骤S2、确定所述燃料电池寿命终结条件；
[0025]步骤S3、每间隔T时间，拆下所述电堆上一片膜电极，在拆节后重新组装进行运行，并获取运行工况数据；在此应选择衰减相对正常的膜电极，而非特殊位置衰减异常的膜电极。
[0026]步骤S4、分别对运行不同时间的膜电极进行电化学活性面积测试；将运行不同时长的所述膜电极依次进电化学活性面积测试；通过将氢气、氮气分别通入阳极、阴极进行测试，将阳极作为参比电极，阴极作为工作电极，在温度为80℃，阴阳极100％增湿的条件下，进行循环伏安扫描，通过计算获取阴极电化学活性面积A
pt
(m2/g)，并根据测试数据拟合出
阴极电化学活性面积A
pt
随时间变化的曲线。
[0027]步骤S5、分别对运行不同时间的膜电极进行交换电流密度测试。将运行不同时长的所述膜电极依次进行单池测试；通过将氢气、氧气作为阳极、阴极的反应气体，在温度为80℃，不同氧分压下的条件下对低电密区(10
‑
100mA/cm2)进行性能曲线测试，性能曲线测试过程中保持氧分压不变；
[0028]由于燃料电池在氢气、氧气条件下的低电密区域可以忽略传质极化，可得到下面公式，
[0029]E
cell
+η
Ω
＝E
rev
‑
η
ORR
；
[0030][0031]其中，η
ORR
表示在电流密度为i下的电化学极化，i的单位为A/cm2，η
ORR
的单位为V；i
x
表示渗氢电流密度，单位为A/cm2，L表示阴极催化剂担量,单位为mg/cm2，α
c
表示阴极传递系数，i
o，s(T,PO2)
表示依赖于温度和氧分压的交换电流密度，单位为A/cm2。根据公式求得80℃，几种氧分压下的交换电流密度，经过修正后得到基准电流条件下的交换电流密度，并拟合出随时间变化的曲线，再结合步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、针对需要寿命预测的电堆选择适宜的工况进行测试，设定基准电流I0；记录在温度80℃、空压P0、氢压P1状态下所述基准电流初始时的平均电压Ecell及所述电堆的整堆内阻R0；S2、确定所述燃料电池寿命终结条件；S3、每间隔T时间，拆下所述电堆上的一片膜电极，在拆节后将所述电堆重新组装后进行运行，并获取运行工况数据；S4、对运行不同时间的膜电极进行电化学活性面积测试；S5、对运行不同时间的膜电极进行交换电流密度测试；S6、对运行不同时间的膜电极进行极限电流密度测试；S7、根据所述步骤S4
‑
S6获取的测试结果，结合燃料电池理论模型，对所述基准电流I0下的平均电压按照预先设定的衰减率进行燃料电池寿命预测。2.根据权利要求1所述的一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法，其特征在于，所述燃料电池理论上的热力学电动势E
rev
为：其中，T表示温度，单位为K，R表示气体常数，R＝8.314J mol
‑1K
‑1；F表示法拉第常数，F＝96485C/mol，PH2、PO2分别表示对当前工况下的氢气、氧气分压；3.根据权利要求1所述的一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法，其特征在于，根据燃料电池的机理公式，燃料电池电压Ecell等于热力学电动势Erev减去欧姆极化η
Ω
、电化学极化η
ORR
和η
HOR
以及传质极化η
conc
，考虑到欧姆极化在寿命测试过程中基本保持不变，采用初始测量值进行计算，由于氢氧化反应是近可逆电极反应，其交换电流密度通常是氧还原反应的105～106倍，因此η
HOR
忽略不计，则：E
cell
＝E
rev
‑
η
Ω
‑
η
ORR
‑
η
conc
。4.根据权利要求1所述的一种基于机理模型的燃料电池寿命预测方法，其特征在于，将运行不同时长的所述膜电极依次进电化学活性面积测试；通过将氢气、氮气分别通入阳极、阴极进行测试，将阳极作为参比电极，阴极作为工作电极，在温度为80℃，阴阳极100％增湿的条件下，进行循环伏安扫描，通过计算获取阴极催化剂Pt的电化学活性面积A
pt
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李轶楠，孙昕，张扬，邢丹敏，沈鸿娟，门光文，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：