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

技术特征：
1.一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法，其特征在于，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：e
cell
＝e
ner
‑
η
act cross
‑
η
ohmic
‑
η
con
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。3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法，其特征在于，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：通过以下公式进行设置：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，p
o2
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；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：η
ohmic
＝ir
ohmic
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；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：其中，b
c
表示阴极的浓度常数，i
lim
表示限制电流密度。4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：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；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；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：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：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；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；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：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；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：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；
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：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；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：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；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：致的浓度损耗通过以下公式进行设置：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；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。5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法，其特征在于，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。

技术总结
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池部件的老化量化处理方法。本发明包括：选择质子交换膜燃料电池，测量运行性能参数，建立质子交换膜燃料电池的半机理电压模型；测量燃料电池不同老化阶段的极化曲线，拟合得到不同老化阶段对应的电压模型辨识参数，计算在不同老化阶段中额定负载下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；计算各个部件导致的电压损耗占比并作为各个部件的老化量化结果，根据各个部件的老化量化结果对燃料电池进行处理。本发明实现了燃料电池部件的老化量化处理，提升了燃料电池老化状态估计的精度。度。度。


技术研发人员：陈剑 刘浩
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.06.24
技术公布日：2021/10/23