一种商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法与流程

本发明涉及交通动力系统用商业尺寸燃料电池状态分析，具体涉及一种商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)因其无污染和高效率而受到广泛关注。然而，高成本和不够耐用限制了燃料电池的推广和商业应用。燃料电池的性能与同时发生的多种内部传输过程密切相关，如膜水化、质子传输、氧传输和热传输，这导致了物种在活化表面的不均匀分布。

2、物种在活化表面间的不均匀分布会引起不良现象，如电流聚集，燃料电池性能低下，甚至耐久性下降。这个问题会随着活化面积的增加而加剧，特别是在商业尺寸的燃料电池中。因此，监测和研究内部临界极化动态和减轻面内不均匀性对于开发高功率燃料电池组是至关重要的。并且面内异质性随着活性面积的增加而变得更加明显，并显著影响燃料电池的寿命。为了促进燃料电池的商业化，迫切需要一种商业燃料电池堆的评估方法。现有技术中已经提供了许多方法来分析燃料电池的异质性，但是在商业燃料电池堆的综合异质性评估方面，却存在技术上的空白。

3、首先，依赖单点监测的方法不能提供描述商业尺寸燃料电池复杂的面内异质性的尺寸信息，而且大多数原位测试方法不能直接应用于商业燃料电池堆。然后，由于缺乏先进的原位内部测量方法，很难获得燃料电池中的电流密度分布。通过传统的建模方法，单独研究燃料电池内部的不均匀电化学反应速率也很有挑战性。第三，通过传统的电化学阻抗谱(eis)和弛豫时间分布方法(drt)获得了内部极化过程的定量损失，但这些研究主要是在实验室级别的燃料电池上研究的。而且，基于石墨双极板的非等势假设，将传统方法应用于定量的异质性评估是具有挑战性的。

4、故而，亟待提出一种全面的商业尺寸燃料电池面内异质性评估方法，以方便的迁移至实际系统中，具有较高的应用价值。

技术实现思路

1、本发明为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法。

2、本发明是采用以下的技术方案实现的：一种商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、通过多点电压监测获得单个电池的多条极化曲线，得到电池中的电压分布，从而对商业尺寸的燃料电池进行均匀性评估；

4、步骤s2、构建电流分布模型来表征燃料电池中电压和电流的相互关系和再分布过程，所述电流分布模型由气体动态模型和电压模型，与原位温度测量相结合，对均匀性进行定性评价；

5、步骤s3、基于多点电化学阻抗监测和弛豫时间分布计算方法，研究燃料电池的内部极化和相应损失，对面内均匀性进行定量评估。

6、进一步的，所述步骤s2中，根据采集到的多个位置电压信息，结合燃料电池阳极入口流量、压力、相对湿度信息，通过离散化的概念建立电流分布模型。

7、进一步的，所述步骤s2中，所述电流分布模型是在阴极/阳极通道中，应用氧、氮、氢、水蒸气质量守恒原理来描述进出口的气体动力学过程，并将所有物质视为理想气体。

8、进一步的，所述步骤s2中，所述燃料电池采用阴极阳极交叉供气模式。

9、进一步的，所述步骤s2中，在电流分布模型搭建过程中，将燃料电池划分成无数个等电势体部分，划分的等电势体上的组分浓度是均匀分布，并且决定等电势体上的电流和电压数值，每个等电势体之间的组分浓度存在细微的差异，并导致每个等电势体上的电流和电压数值，等电势体之间的电流差需要通过横向电流来平衡，并由此引发双极板中的电势差。

10、进一步的，所述气体动态模型划分为阴极入口、阳极出口、阴极出口以及阳极入口四个腔体模型。

11、进一步的，所述步骤s1中，多点电压采集点位置任意选择。

12、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

13、(1)本方案不需要在电池内布置复杂的传感器系统，如pcb板来获取电流分布；只需要获取常规的电池参数，就可以计算电流分布；

14、(2)综合考虑阴极和阳极搭建了气体动态模型，能够覆盖阳极、阴极以及交换膜的反应特性，相比其他方法，具有更好的精度；且所搭建的模型，能够反映出动态过程中电流和电压的变化过程；

15、(3)利用多点电压方法，可以实现商业尺寸燃料电池不均匀性的快速评估，而不需要对燃料电池进行破坏性改装，且在理论上，有多少个电压采集点就可以将燃料电池划分为多少个部分；

16、(4)首次使用多点阻抗测量方法，对燃料电池的不均匀性进行定量分析，并结合pearson相关性分析方法，对造成电势差的极化损失进行定量评估。

技术特征：

1.一种商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法，其特征在于：所述步骤s2中，根据采集到的多个位置电压信息，结合燃料电池阳极入口流量、压力、相对湿度信息，通过离散化的概念建立电流分布模型。

3.根据权利要求2所述的商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法，其特征在于：所述步骤s2中，所述电流分布模型是在阴极/阳极通道中，应用氧、氮、氢、水蒸气质量守恒原理来描述进出口的气体动力学过程，并将所有物质视为理想气体。

4.根据权利要求3所述的商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法，其特征在于：所述步骤s2中，所述燃料电池采用阴极阳极交叉供气模式。

5.根据权利要求4所述的商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法，其特征在于：所述步骤s2中，在电流分布模型搭建过程中，将燃料电池划分成无数个等电势体部分，划分的等电势体上的组分浓度是均匀分布。

6.根据权利要求5所述的商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法，其特征在于：所述气体动态模型划分为阴极入口、阳极出口、阴极出口以及阳极入口四个腔体模型。

7.根据权利要求1所述的商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法，其特征在于：所述步骤s1中，多点电压采集点位置任意选择。

技术总结
本发明公开一种商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法，首先，通过多点电压监测方法对面内均匀性进行快速定性分析；然后，通过多点电压监测结果建立的电流分布模型，结合原位温度监测方法，分析电流和电压的再分布机制；最后，通过多点阻抗方法和弛豫时间的分布分析不同电池区域中各极化损耗对电流密度的敏感性。本方案针对商业尺寸燃料电池气体分布不均匀情况，提出分析质子交换膜商业尺寸燃料电池面内均匀性的全面分析框架，适用于商业尺寸石墨板燃料电池，对燃料电池的内部极化和相应的损失的深入研究，实现面内均匀性进行定量评估。

技术研发人员：谢佳平,朱维,唐伟,沈军
受保护的技术使用者：海卓动力（青岛）能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12