一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法与流程

1.本发明属于燃料电池研发与应用的领域的一种质子交换膜燃料电池的老化处理方法，涉及一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池的老化是一个复杂且强非线性的过程，涉及了多机理、多部件、多物理域、多时空尺度、多工作条件和多耦合等复杂因素，使得老化状态的准确快速估计成为了一项巨大挑战。此外，由于实际使用过程中，质子交换膜燃料电池会由于水管理等因素出现停机重启后的性能恢复现象，进一步增加了老化状态估计的难度。目前绝大多数的燃料电池状态估计都是基于电压、功率、阻抗或单个部件老化参数(如氢气渗透率、催化剂电化学表面积等)的宏观粗略估计，具体不同部件对燃料电池整体的老化影响则是未知的，这可能会导致燃料电池老化状态估计的巨大偏差，进而影响对燃料电池的健康运维。以电压为例，设计、生产和使用过程中的太多因素都会影响燃料电池电压的变化，而不仅仅是老化。实际应用时所观测到的电压是多种因素综合影响后的体现，不可避免地包含大量噪声和波动，当通过电压来估计燃料电池的老化状态时，很容易发生偏差。而了解各个部件对整体燃料电池老化影响的量化信息后，便可以准确估计出燃料电池的老化状态，进而采取针对性的预测运维方法。因此，研究质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法具有重要意义。
3.极化曲线拟合和传输线模型多年来被广泛应用于质子交换膜燃料电池的机理揭示和建模仿真等方向，是一套可以量化处理燃料电池部件性能的有效方法。然而，目前还没有研究将这套方法应用于处理不同老化阶段不同部件对整体燃料电池老化的影响分析。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法。
5.本发明采用的方案是：
6.本发明包括以下步骤：
7.1)选择全新的质子交换膜燃料电池，测量在额定负载和标准运行条件下燃料电池的运行性能参数，根据燃料电池的运行性能参数建立质子交换膜燃料电池的半机理电压模型；
8.2)在标准运行条件下，测量燃料电池不同老化阶段的极化曲线，使用半机理电压模型对不同老化阶段的极化曲线进行拟合，得到不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，根据不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，计算在额定负载下燃料电池在不同老化阶段中的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗与总浓度损耗；
9.3)根据燃料电池在不同老化阶段中的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗与总浓度损耗，利用传输线模型分别计算燃料电池在不同老化阶段中各
个部件导致的电压损耗；
10.4)将额定负载下燃料电池在不同老化阶段中各个部件导致的电压损耗与对应老化阶段的电压总极化损耗进行相除，计算获得不同老化阶段中各个部件导致的电压损耗占比并作为在不同老化阶段下各个部件的老化量化结果，从而判断燃料电池整体的老化状态并对燃料电池进行处理。
11.所述步骤1)中质子交换膜燃料电池的半机理电压模型通过公式进行设置：
12.e
cell
＝e
ner
‑
η
act cross
‑
η
ohmic
‑
η
con
13.其中，e
cell
表示单片燃料电池的电池电压，e
ner
表示单片燃料电池的能斯特电压，η
act cross
表示单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和，η
ohmic
表示单片燃料电池的总欧姆损耗，η
con
表示单片燃料电池的总浓度损耗。
14.所述单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和η
act cross
通过以下公式进行设置：
[0015][0016][0017]
其中，a
c
表示阴极的活化常数，i
cross
表示渗透电流密度，i表示额定负载电流密度，常数10是单位转换因子，f表示催化剂粗糙度因子，满足f＝ecsa
×
l
pt
，ecsa是铂催化剂的电化学表面积，l
pt
表示阴极的铂负载量，i
0,c
表示阴极交换电流密度；表示标准运行条件下阴极氧气的参考分压，t
ref
表示燃料电池的参考运行温度，表示在和t
ref
运行条件下阴极交换电流密度的参考值，表示阴极的氧气分压，γ
c
表示氧气还原反应的反应阶数，e
act,c
表示氧气还原反应的活化能量；r表示理想气体常数；t表示燃料电池运行温度；
[0018]
所述单片燃料电池的总欧姆损耗η
ohmic
通过以下公式进行设置：
[0019]
η
ohmic
＝ir
ohmic
[0020][0021]
其中，r
ohmic
表示总欧姆电阻，r
m
表示质子交换膜的质子传输电阻，表示阴极催化层的有效质子传输电阻，r
ct
表示双极板与气体扩散层之间的接触电阻；
[0022]
所述单片燃料电池的总浓度损耗η
con
通过以下公式进行设置：
[0023][0024]
其中，b
c
表示阴极的浓度常数，i
lim
表示限制电流密度。
[0025]
所述步骤3)具体为：
[0026]
所述燃料电池主要由催化层、质子交换膜、双极板和气体扩散层四个部件组成；
[0027]
s1：根据活化损耗与渗透损耗之和，分别计算活化损耗与渗透损耗，活化损耗全部由燃料电池的催化层导致，渗透损耗全部由燃料电池的质子交换膜导致；
[0028]
其中，单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗通过以下公式进行计算：
[0029][0030][0031]
其中，η
act
表示单片燃料电池的活化损耗，η
cross
表示单片燃料电池的渗透损耗；i
cross
表示渗透电流密度；i表示额定负载电流密度；η
act cross
表示单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和；
[0032]
s2：总欧姆损耗分别由燃料电池的质子交换膜、催化层和双极板导致，根据总欧姆损耗，利用传输线模型分别计算质子交换膜的质子传输电阻、阴极催化层的有效质子传输电阻以及双极板与气体扩散层之间的接触电阻，由此计算质子交换膜导致的欧姆损耗、催化层导致的欧姆损耗和双极板导致的欧姆损耗；
[0033]
其中，单片燃料电池的质子交换膜的质子传输电阻r
m
计算公式为：
[0034][0035]
其中，δ
m,dry
表示干燥质子交换膜的厚度，表示质子交换膜的有效质子电导率，δ
swell
表示质子交换膜吸水后的膨胀比例；
[0036]
单片燃料电池的阴极催化层的有效质子传输电阻的计算公式为：
[0037][0038]
其中，是催化层的质子传输电阻，常数3表示质子与氧气在催化层与气体扩散层的界面处反应，ζ是考虑氧气传输限制影响的修正因子；
[0039]
单片燃料电池的双极板与气体扩散层之间的接触电阻r
ct
的计算方法如下：
[0040][0041]
s3：总浓度损耗由燃料电池的气体扩散层和催化层导致，根据燃料电池的总浓度损耗，利用传输线模型反向计算气体扩散层和催化层的平均液态水饱和度，获得气体扩散层和催化层的氧气传输阻力，从而获得气体扩散层和催化层分别导致的浓度损耗；
[0042]
其中单片燃料电池的气体扩散层和催化层的氧气传输阻力通过以下公式进行设置：
[0043][0044]
其中，表示单片燃料电池阴极氧气传输的总阻力，表示氧气在单片燃料电池阴极流道与气体扩散层界面中传输的阻力，表示氧气在单片燃料电池阴极气体扩散层中传输的阻力，表示氧气在单片燃料电池阴极催化层中传输的阻
力，表示氧气在单片燃料电池阴极催化层中传输的局部阻力；为气体扩散层导致的氧气传输阻力，为催化层导致的氧气传输阻力；
[0045]
所述气体扩散层和催化层分别导致的浓度损耗通过以下公式进行设置：
[0046][0047][0048]
其中，η
con1
为气体扩散层导致的浓度损耗，η
con2
为催化层导致的浓度损耗；
[0049]
s4：根据步骤s1
‑
s3中各个部件所导致的活化损耗、渗透损耗、欧姆损耗与浓度损耗，计算燃料电池在不同老化阶段中各个部件导致的电压损耗，其中质子交换膜导致的电压损耗为燃料电池的渗透损耗和质子交换膜的欧姆损耗之和，催化层导致的电压损耗为燃料电池的活化损耗、催化层的欧姆损耗和催化层的浓度损耗之和，气体扩散层导致的电压损耗为气体扩散层的浓度损耗，双极板导致的电压损耗为双极板的欧姆损耗。
[0050]
所述电压总极化损耗为活化损耗、渗透损耗、总欧姆损耗与总浓度损耗之和。
[0051]
本发明的有益效果是：
[0052]
本发明解决了质子交换膜燃料电池部件老化的量化处理问题，也解决了由于性能恢复现象影响而导致的燃料电池老化状态估计困难的问题，可以提高质子交换膜燃料电池老化状态估计的准确度，进而构造更好的老化参数来改善燃料电池健康运维效果，增加燃料电池使用寿命。得到的平均液态水含量参数还可以用来诊断燃料电池内部是否出现水管理故障，提高了燃料电池的可靠性与耐久性。
附图说明
[0053]
图1是本发明中质子交换膜燃料电池的部件组成结构示意图。
[0054]
图2是本发明中质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法流程图。
[0055]
图3是本发明实施例中质子交换膜燃料电池在标准运行工况下测量的不同老化阶段的极化曲线图。
[0056]
图4是本发明实施例中基于质子交换膜燃料电池半机理电压模型的极化曲线拟合结果图。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图具体实施例对本发明进行详细说明。
[0058]
如图2所示，本发明包括以下步骤：
[0059]
1)选择全新的质子交换膜燃料电池，测量在额定负载和标准运行条件下燃料电池的运行性能参数，运行性能参数包括电化学表面积、渗透电流密度、交换电流密度、接触电阻和限制电流密度；根据燃料电池的运行性能参数建立质子交换膜燃料电池的半机理电压模型；
[0060]
步骤1)中质子交换膜燃料电池的半机理电压模型通过公式进行设置：
[0061]
e
cell
＝e
ner
‑
η
act cross
‑
η
ohmic
‑
η
con
[0062]
其中，e
cell
表示单片燃料电池的电池电压，e
ner
表示单片燃料电池的能斯特电压，η
act cross
表示单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和，η
ohmic
表示单片燃料电池的总欧姆损耗，η
con
表示单片燃料电池的总浓度损耗。质子交换膜燃料电池由多个单片燃料电池串联构成，单片燃料电池的结构示意图如图1所示。
[0063]
由于燃料电池阳极催化层和气体扩散层中氢气的快速氧化反应和高效扩散率，阳极上的活化损耗、渗透损耗和浓度损耗都可以忽略不计。燃料电池催化层与气体扩散层之间的接触电阻以及催化层与质子交换膜之间的接触电阻都比气体扩散层与双极板之间的接触电阻小一个数量级以上，同样可以忽略不计。由于燃料电池各个部件都具有较大的电导率，不同部件的本体电阻也都可以忽略不计，总的欧姆电阻仅需要考虑质子在膜中的传输电阻、质子在阴极催化层中的有效传输电阻和气体扩散层与双极板之间的接触电阻。
[0064]
单片燃料电池的能斯特电压参数e
ner
的计算公式为：
[0065][0066]
其中，t表示燃料电池运行温度，r表示理想气体常数，f表示法拉第常数，和分别表示阳极的氢气分压和阴极的氧气分压，和分别表示标准运行条件下阳极氢气与阴极氧气的参考分压。实际燃料电池运行过程中，都尽可能的保持t、和恒定，因此e
ner
可以视为常数。
[0067]
单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和η
act cross
通过以下公式进行设置：
[0068][0069][0070]
其中，a
c
表示阴极的活化常数，阴极的活化常数a
c
通过初始老化阶段的极化曲线拟合获得，在各个老化阶段中，阴极的活化常数保持不变，i
cross
表示渗透电流密度，i表示额定负载电流密度，常数10是单位转换因子，f表示催化剂粗糙度因子，满足f＝ecsa
×
l
pt
，ecsa是铂催化剂的电化学表面积，l
pt
表示阴极的铂负载量，i
0,c
表示阴极交换电流密度；表示在和t
ref
运行条件下阴极交换电流密度的参考值，表示标准运行条件下阴极氧气的参考分压，t
ref
表示燃料电池的参考运行温度，表示阴极的氧气分压，γ
c
表示氧气还原反应的反应阶数，e
act,c
表示氧气还原反应的活化能量；r表示理想气体常数；t表示燃料电池运行温度；
[0071]
单片燃料电池的总欧姆损耗η
ohmic
通过以下公式进行设置：
[0072]
η
ohmic
＝ir
ohmic
[0073][0074]
其中，r
ohmic
表示总欧姆电阻，r
m
表示质子交换膜的质子传输电阻，表示阴极催化层的有效质子传输电阻，r
ct
表示双极板与气体扩散层之间的接触电阻；
[0075]
单片燃料电池的总浓度损耗η
con
通过以下公式进行设置：
[0076][0077]
其中，b
c
表示阴极的浓度常数，阴极的浓度常数通过初始老化阶段的极化曲线拟合获得，在各个老化阶段中，阴极的浓度常数保持不变，i
lim
表示限制电流密度。
[0078]
2)在标准运行条件下，测量燃料电池在不同老化阶段的极化曲线，如图3所示，使用半机理电压模型对不同老化阶段的极化曲线进行拟合，如图4所示，本实例中使用的是最小二乘拟合方法，得到不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，电压模型辨识参数包括阴极活化常数、阴极浓度常数、总欧姆电阻、催化剂粗糙度因子与阴极交换电流密度的乘积、限制电流密度、渗透电流密度，如表1所示。根据不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，计算在额定负载下燃料电池在不同老化阶段中的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗与总浓度损耗；额定负载即为额定负载电流密度。电压总极化损耗为活化损耗、渗透损耗、总欧姆损耗与总浓度损耗之和，本实施例中拟合获得额定负载下燃料电池的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗和总浓度损耗，如表2所示。
[0079]
表1实施例中质子交换膜燃料电池半机理电压模型对不同老化阶段的极化曲线拟合后的参数辨识结果
[0080][0081]
表2实施例中不同老化阶段的质子交换膜燃料电池在额定负载下总电压极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗和总浓度损耗
[0082][0083]
3)根据燃料电池在不同老化阶段中的电压总极化损耗以及活化损耗与渗透损耗之和、总欧姆损耗与总浓度损耗，利用传输线模型分别计算燃料电池在不同老化阶段中各个部件导致的电压损耗；
[0084]
步骤3)具体为：
[0085]
燃料电池主要由催化层、质子交换膜、双极板和气体扩散层四个部件组成；
[0086]
s1：根据活化损耗与渗透损耗之和，分别计算活化损耗与渗透损耗，活化损耗全部由燃料电池的催化层导致，渗透损耗全部由燃料电池的质子交换膜导致；
[0087]
其中，单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗通过以下公式进行计算：
[0088][0089][0090]
其中，η
act
表示单片燃料电池的活化损耗，η
cross
表示单片燃料电池的渗透损耗；i
cross
表示渗透电流密度；i表示额定负载电流密度；η
act cross
表示单片燃料电池的活化损耗与渗透损耗之和；
[0091]
i
0,c
受阴极氧气分压和燃料电池运行温度的影响。由于实际燃料电池在使用过程中都会尽量保持两个操作参数稳定，因此可以假设i
0,c
在燃料电池老化过程中都是一个常数。可以根据上一步骤中极化曲线拟合获得电压模型辨识参数中的催化剂粗糙度因子和阴极交换电流密度的乘积f
×
i
0,c
值除以i
0,c
计算出燃料电池不同老化阶段的f值。
[0092]
已有研究表明，在燃料电池老化过程中，当质子交换膜没有出现由化学降解、机械降解和热降解等因素导致的破裂或穿孔时，渗透电流密度i
cross
在很小的范围内波动变化，可以视为常数，如果膜出现穿孔或破裂时，i
cross
则开始非线性的急剧增加。具体计算方法如下：
[0093][0094]
v
b
＝v0‑
0.632
×
(v0‑
v
l
)
[0095]
其中，r
icross
表示i
cross
相对于初始值增加的比例，v
b
表示燃料电池额定负载下的临界电压点，用于与额定负载下的e
cell
比较来判断是否达到了i
cross
变化的临界点，v0表示燃料电池额定负载下的初始单片电压值，a表示e
cell
≤v
b
时燃料电池单片电压的平均衰减速率，v
l
表示燃料电池额定负载下的初始单片电压值v0衰减10％之后的值，t表示老化时间。
[0096]
s2：总欧姆损耗分别由燃料电池的质子交换膜、催化层和双极板导致，根据总欧姆损耗，利用传输线模型分别计算质子交换膜的质子传输电阻、阴极催化层的有效质子传输电阻以及双极板与气体扩散层之间的接触电阻，由此计算质子交换膜导致的欧姆损耗、催化层导致的欧姆损耗和双极板导致的欧姆损耗；
[0097]
其中，单片燃料电池的质子交换膜的质子传输电阻r
m
计算公式为：
[0098][0099]
其中，δ
m,dry
表示干燥质子交换膜的厚度，δ
m,wet
表示湿润质子交换膜的厚度，表示质子交换膜的有效质子电导率，δ
swell
表示质子交换膜吸水后的膨胀比例；
[0100]
在质子交换膜的老化过程中，质子交换膜的厚度δ
m,wet
和有效质子电导率都会减小，而实际实验结果表明质子交换膜的质子传输电阻r
m
随着质子交换膜老化的变化并不大，且变化通常都小于10％，可以忽略不计。实际燃料电池老化过程中，在质子交换膜未出现破裂或穿孔前，可以假设r
m
是一个常数。
[0101]
单片燃料电池的阴极催化层的有效质子传输电阻的计算公式为：
[0102][0103]
其中，是催化层的质子传输电阻，常数3表示质子与氧气在催化层与气体扩散层的界面处反应，ζ是考虑氧气传输限制影响的修正因子；
[0104]
已有研究表明，催化层的质子传输电阻是催化层的一种固有特性，与铂的负载量和催化层的厚度无关，且普通的催化层老化和严重的碳腐蚀都不会引起的明显变化，相比于催化层老化引起的氧气传输阻力增加而导致的浓度损耗，变化引起的总欧姆损耗变化可以忽略不计。实际燃料电池老化过程中，也可视为一个不变的常数。
[0105]
单片燃料电池的双极板与气体扩散层之间的接触电阻r
ct
的计算方法如下：
[0106]
[0107]
本发明中将r
ct
导致的欧姆损耗全部归属于双极板。
[0108]
s3：总浓度损耗分别由燃料电池的气体扩散层和催化层导致，根据燃料电池的总浓度损耗，利用传输线模型反向计算气体扩散层和催化层的平均液态水饱和度，获得气体扩散层和催化层的氧气传输阻力，从而获得气体扩散层和催化层分别导致的浓度损耗；
[0109]
其中单片燃料电池的气体扩散层和催化层的氧气传输阻力通过以下公式进行设置：
[0110][0111]
其中，表示单片燃料电池阴极氧气传输的总阻力，表示氧气在单片燃料电池阴极流道与气体扩散层界面中传输的阻力，表示氧气在单片燃料电池阴极气体扩散层中传输的阻力，表示氧气在单片燃料电池阴极催化层中传输的阻力，表示氧气在单片燃料电池阴极催化层中传输的局部阻力，中又包含了氧气在碳纸层中传输的阻力和氧气在微孔层中传输的阻力两部分；为气体扩散层导致的氧气传输阻力，为催化层导致的氧气传输阻力；
[0112]
气体扩散层和催化层分别导致的浓度损耗通过以下公式进行设置：
[0113][0114][0115]
其中，η
con1
为气体扩散层导致的浓度损耗，η
con2
为催化层导致的浓度损耗。
[0116]
计算得到燃料电池阴极总的氧气传输阻力后，由其导致的燃料电池总浓度损耗计算公式为：
[0117][0118]
在计算燃料电池总浓度损耗中各部件的损耗时，假设催化层和气体扩散层中的液态水饱和度是均匀分布的，表示为s
avg
。将步骤2)中极化曲线拟合得到的总浓度损耗值代入公式中，通过反向推导计算出催化层和气体扩散层中的平均液态水饱和度，进而计算得到各部件导致的浓度损耗。
[0119]
(a)燃料电池阴极流道与气体扩散层界面中的氧气传输阻力的计算公式如下：
[0120]
[0121]
其中，sh表示sherwood常数，d
h
表示流道中的水流直径，表示氧气在碳纸层中的扩散率，计算公式如下：
[0122][0123]
其中，是氧气在氮气中的二元扩散率，是氧气在碳纸层中的knuden扩散率，二者计算公式如下：
[0124][0125][0126]
其中，p
c
表示燃料电池阴极的气体压力，r
kn,cbp
表示碳纸层的knuden半径，表示氧气的摩尔质量。
[0127]
(b)燃料电池阴极气体扩散层的碳纸层中氧气传输阻力的计算公式如下：
[0128][0129]
其中，δ
cbp
表示燃料电池气体扩散层中碳纸层的厚度，表示氧气在碳纸层中的有效扩散率，其计算公式如下：
[0130][0131]
其中，ε
cbp
表示碳纸层的孔隙率，s
avg
表示碳纸层的平均液态水饱和度，f(ε
cbp
)和f(s
avg
)分别表示孔隙率和平均液态水饱和度修正因子，计算公式如下：
[0132][0133][0134]
其中，n
e
和n
v
是拟合参数。
[0135]
(c)燃料电池阴极气体扩散层的微孔层中氧气传输阻力的计算公式如下：
[0136][0137]
其中，δ
mpl
表示燃料电池气体扩散层中微孔层的厚度，表示氧气在微孔层中的有效扩散率，所需的参数有氧气在微孔层中的knuden扩散率微孔层的
knuden半径r
kn,mpl
，微孔层的孔隙率ε
mpl
，微孔层的平均液态水饱和度s
avg
。
[0138]
(d)燃料电池阴极催化层中氧气传输阻力的计算公式如下：
[0139][0140]
其中，δ
cl
表示燃料电池催化层的厚度，表示氧气在催化层中的有效扩散率，其所需的参数有氧气在催化层中的knuden扩散率催化层的knuden半径r
kn,cl
，催化层的孔隙率ε
cl
，催化层的平均液态水饱和度s
avg
。
[0141]
(e)燃料电池阴极催化层中局部氧气传输阻力的计算公式如下：
[0142][0143]
其中，r
w,diss
表示由于氧气在水中溶解导致的氧气传输阻力，r
w,diff
表示由于氧气穿过水膜导致的氧气传输阻力，r
ion,diss
表示由于氧气在聚合物中溶解导致的氧气传输阻力，r
ion,diff
表示由于氧气穿过聚合物膜导致的氧气传输阻力，表示由于氧气被活性铂催化剂吸附导致的氧气传输阻力。
[0144]
水中溶解导致的氧气传输阻力r
w,diss
计算方法如下：
[0145][0146]
其中，k1是拟合常数，δ
w
表示活性铂粒子表面液态水薄膜的厚度，表示氧气在液态水中的二元扩散率，具体计算公式如下：
[0147][0148][0149]
其中，ψ
w
表示水的缔合参数，μ
w
表示水的粘度，表示氧气的摩尔体积，r
c
表示催化剂中碳载体粒子的半径，ε
c
表示催化层中碳的体积分数，δ
ion
表示活性铂粒子表面聚合物薄膜的厚度，具体计算公式如下：
[0150][0151][0152]
其中，ρ
c
表示碳的密度，l
c
表示催化剂中的碳载量，wt％表示铂相对于碳的质量分
数，ε
ion
表示聚合物的体积分数，计算公式如下：
[0153]
ε
ion
＝0.2
×
i/c
[0154]
其中，i/c表示聚合物与碳的比例。
[0155]
穿过水薄膜导致的氧气传输阻力r
w,diff
计算方法如下：
[0156][0157]
聚合物中溶解导致的氧气传输阻力r
ion,diss
计算方法如下：
[0158][0159]
其中，k2是拟合常数，表示氧气在聚合物中的二元扩散率，具体计算公式如下：
[0160][0161]
其中，f
v
表示聚合物薄膜中水的体积分数，计算公式如下：
[0162][0163]
穿过聚合物薄膜导致的氧气传输阻力r
ion,diff
计算方法如下：
[0164][0165]
活性铂催化剂吸附导致的氧气传输阻力计算方法如下：
[0166][0167]
其中，k3是拟合常数。
[0168]
本发明实施例中得到平均液态水饱和度、催化剂粗糙度因子、阴极交换电流密度、质子交换膜质子传输电阻、阴极催化层的有效质子传输电阻、气体扩散层与双极板的接触电阻、催化层中的氧气传输阻抗、气体扩散层中的氧气传输阻抗等参数，如表3和表4所示。
[0169]
表3实施例中不同老化阶段的质子交换膜燃料电池在额定负载下活化损耗和总欧姆损耗对应的各个部件相关参数
[0170][0171]
表4实施例中不同老化阶段的质子交换膜燃料电池在额定负载下总浓度损耗对应的各个部件相关参数
[0172][0173]
s4：根据步骤s1
‑
s3中各个部件所导致的活化损耗、渗透损耗、欧姆损耗与浓度损耗，计算燃料电池在不同老化阶段中各个部件的电压损耗，其中质子交换膜导致的电压损耗为燃料电池的渗透损耗和质子交换膜的欧姆损耗之和，催化层导致的电压损耗为燃料电池的活化损耗、催化层的欧姆损耗和催化层的浓度损耗之和，气体扩散层导致的电压损耗为气体扩散层的浓度损耗，双极板导致的电压损耗为双极板的欧姆损耗。
[0174]
4)将额定负载下燃料电池在不同老化阶段中各个部件导致的电压损耗与对应老化阶段的电压总极化损耗进行相除，计算获得不同老化阶段中各个部件的电压损耗占比并作为在不同老化阶段下各个部件的老化量化结果，如表5所示，从而判断燃料电池整体的老化状态并对燃料电池进行处理。基于各个部件的老化量化结果，可以进一步融合各个部件的老化参数构造整体燃料电池的老化特征，老化参数例如催化层的催化剂粗糙度因子f，质子交换膜的渗透电流密度i
cross
，从而更加精确的表征燃料电池的老化状态，进而采取合适的方法来增加燃料电池的使用寿命。
[0175]
表5实施例中不同老化阶段的质子交换膜燃料电池在额定负载下各个部件的老化量化结果
[0176]
老化阶段质子交换膜催化层气体扩散层双极板0h0.05980.85750.03510.047648h0.05940.85630.03620.0481185h0.05850.85360.03860.0493
348h0.05800.85220.03890.0509515h0.05760.84900.03970.0537658h0.05720.84720.04050.0551823h0.05650.84430.04190.0573