一种估算电堆设计一致性的方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种估算电堆设计一致性的方法。


背景技术：

2.目前车用质子交换膜燃料电池电堆的功率普遍在100kw左右，通常由300～500片的膜电极与双极板组成，影响其输出性能的关键在于电堆的一致性。电堆的一致性通常指的是在操作电流下单片电压的发散状态，若单片电压的均一性好，其极限电流越高。但是在电堆的运行过程中，影响其均一性的变差通常由两个主要因素决定，一个是由于电堆设计结构不合理导致的，由于电堆为多节串联结构进气，每个单片之间的温度、压力、流量会有微小的差异，这会导致电堆的单片电压不尽相同。同时膜电极在制造、转运、组装过程中也会引起差异，导致在相同的操作条件下仍然存在着电压差异。
3.经检索，中国专利申请号为cn201410779579.6的专利，公开了一种质子交换膜燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法，一质子交换膜燃料电池电堆，由2节以上的依次堆叠的单电池组成；所述质子交换膜燃料电池电堆包括一阳极入口和一阴极入口，于所述质子交换膜燃料电池电堆阳极入口或阴极入口通入氢气同惰性气体的混合气，并在质子交换膜燃料电池电堆各单电池两极间施加同一用于氢气氧化的电压。上述专利中的质子交换膜燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法存在以下不足：检测过程繁琐，且无法保证电堆内每一节电池操作条件的一致。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种估算电堆设计一致性的方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种估算电堆设计一致性的方法，包括以下步骤：
7.s1：将膜电极组装电堆按照标准流程进行充分活化后，作极化曲线测试，获取操作电流下的电压巡检信息；
8.s2：对电堆中单节的电压巡检信息进行分组处理；
9.s3：根据得到的电压分组信息，估算膜电极制造过程引起的一致性变差；
10.s4：根据计算的制造一致性变差，计算电堆设计结构导致的一致性；
11.所述测试的环境温度为40℃～65℃；
12.所述将膜电极组装电堆的具体操作为：根据设计结构将膜电极与双极板电堆组件组装成电堆。
13.优选地：所述操作电流为电堆的额定电流i，额定电流i为100～800a之间。
14.优选地：所述电压巡检信息包括v1，v2，v3……vk-2
，v
k-1
，vk，vj为电堆中第j节的电压信息，k为电堆节数，电堆节数为60～600之间。
15.优选地：所述获取操作电流下的电压巡检信息的操作之后，还包括根据电压巡检
信息计算整体的电堆一致性σ，整体电堆一致性σ的计算公式如下：
[0016][0017]
优选地：所述对电堆中单节的电压巡检信息进行分组处理，具体操作为：将膜电极的电压巡检信息分为n组，其中每组电压信息的描述如下：
[0018]
第1组：u1＝[v1，v2……vi-1
，vi]
[0019]
第2组：u2＝[v
i 1
，v
i 2
……v2i-1
，v
2i
]
[0020]
……
[0021]
第n-1组：un＝[v
(n-2)i 1
，v
(n-2)i 2
……v(n-1)i-1
，v
(n-1)i
]
[0022]
第n组：un＝[v
(n-1)i 1
，v
(n-1)i 2
……vni-1
，v
ni
]
[0023]
i为3～20之间的整数，n为10～100之间的整数，需保证n*i≈k。
[0024]
优选地：所述根据得到的电压分组信息，计算膜电极制造过程引起的一致性变差，具体包括以下步骤：
[0025]
a1：首先计算每一电压分组内电压的均方差；
[0026]
a2：依据每一电压分组的均方差，估计膜电极的制造变差。
[0027]
优选地：所述每一电压分组内电压的均方差的计算公式如下：
[0028][0029]
优选地：所述膜电极的制造变差的计算公式如下：
[0030][0031]
优选地：所述计算电堆设计结构导致的一致性，其计算公式如下：
[0032][0033]
本发明的有益效果为：
[0034]
1.本发明通过将相邻的电压信息进行分组后，计算出膜电极的制造一致性变差，并根据计算的制造一致性变差将设计导致的不均一性计算出来，从而精准评估电堆设计结构导致的一致性的数值，计算准确且简单有效。
[0035]
2.本发明先按照设计结构将膜电极与双极板等电堆组件组装成电堆，并按照标准流程进行充分活化后作极化曲线测试，得到电堆额定电流下的电压巡检信息，然后计算电堆的整体一致性，并对单节电池的电压巡检信息进行分组处理，计算每个电压分组内电压的均方差后，估计膜电极的制造一致性变差，最后根据计算的制造一致性变差，计算电堆设计结构导致的一致性，不需要增加额外的设备与成本，仅在开发测试过程中增加数据后处理环节即可，操作简单。
[0036]
3.本发明将设计过程与制造过程引起的一致性分开，可以有效去除膜电极制造过程引起的电堆一致性，便于设计优化的快速迭代。
附图说明
[0037]
图1为本发明提出的一种估算电堆设计一致性的方法的流程示意图；
[0038]
图2为本发明提出的一种估算电堆设计一致性的方法的电堆单片电压巡检示意图。
具体实施方式
[0039]
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
[0040]
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
[0041]
实施例1：
[0042]
一种估算电堆设计一致性的方法，如图1-2所示，包括以下步骤：
[0043]
s1：将膜电极组装电堆按照标准流程进行充分活化后，作极化曲线测试，以确保各节电池的性能稳定，获取操作电流下的电压巡检信息；
[0044]
s2：对电堆中单节的电压巡检信息进行分组处理；
[0045]
s3：根据得到的电压分组信息，估算膜电极制造过程引起的一致性变差；
[0046]
s4：根据计算的制造一致性变差，计算电堆设计结构导致的一致性。
[0047]
所述s1中将膜电极组装电堆的具体操作为：根据设计结构将膜电极与双极板等电堆组件组装成电堆。
[0048]
优选的，所述测试的环境温度为40℃～65℃。
[0049]
所述操作电流为电堆的额定电流i，额定电流i可以为100～800a之间；
[0050]
优选的，所述电压巡检信息包括v1，v2，v3……vk-2
，v
k-1
，vk；
[0051]
其中，vj为电堆中第j节的电压信息，k为电堆节数，电堆节数可以为60～600之间。
[0052]
所述s2中对电堆中单节的电压巡检信息进行分组处理，具体操作为将膜电极的电压巡检信息分为n组，其中每组电压信息的描述如下：
[0053]
第1组：u1＝[v1，v2……vi-1
，vi]
[0054]
第2组：u2＝[v
i 1
，v
i 2
……v2i-1
，v
2i
]
[0055]
……
[0056]
第n-1组：un＝[v
(n-2)i 1
，v
(n-2)i 2
……v(n-1)i-1
，v
(n-1)i
]
[0057]
第n组：un＝[v
(n-1)i 1
，v
(n-1)i 2
……vni-1
，v
ni
]
[0058]
其中i为每一组所含电压信息的数量，可以为3～20之间的整数，n为整个电堆的分组数，可以取10～100之间的整数，需保证n*i≈k。
[0059]
所述s3中根据得到的电压分组信息，计算膜电极制造过程引起的一致性变差，具体包括以下步骤：
[0060]
a1：首先计算每一电压分组内电压的均方差；
[0061]
a2：依据每一电压分组的均方差，估计膜电极的制造变差。
[0062]
优选的，所述每一电压分组内电压的均方差的计算公式如下：
[0063][0064]
优选的，所述膜电极的制造变差的计算公式如下：
[0065][0066]
其中σn为第n组电压信息的均方差，σm为整个电堆中膜电极制造过程引起的变差。
[0067]
所述s4中计算电堆设计结构导致的一致性，其计算公式如下：
[0068][0069]
其中，σd为由于电堆结构设计引起的设计一致性，σ为电堆整理的电压均方差，σm为整个电堆中膜电极制造过程引起的变差。
[0070]
本实施例在使用时，先按照设计结构将膜电极与双极板等电堆组件组装成电堆，并按照标准流程进行充分活化后作极化曲线测试，得到电堆额定电流下的电压巡检信息，然后对单节电池的电压巡检信息进行分组处理，计算每个电压分组内电压的均方差后，估计膜电极的制造一致性变差，最后根据计算的制造一致性变差，计算电堆设计结构导致的一致性。
[0071]
本发明可以有效去除膜电极制造过程引起的电堆一致性，进而精准评估电堆设计结构导致的一致性的数值；不需要增加额外的设备与成本，仅在开发测试过程中增加数据后处理环节即可，操作简单；可以将设计过程与制造过程引起的一致性分开，并根据计算的制造一致性变差，计算电堆设计结构导致的一致性，便于设计优化的快速迭代。
[0072]
实施例2：
[0073]
一种估算电堆设计一致性的方法，如图1-2所示，为了得到整体电堆一致性；本实施例在实施例1的基础上作出以下补充：所述s1步骤还包括根据电压巡检信息计算整体的电堆一致性σ，整体电堆一致性σ的计算公式如下：
[0074][0075]
其中，为电堆的平均单体电压。
[0076]
本实施例在使用时，先按照设计结构将膜电极与双极板等电堆组件组装成电堆，并按照标准流程进行充分活化后作极化曲线测试，得到电堆额定电流下的电压巡检信息，然后计算电堆的整体一致性，并对单节电池的电压巡检信息进行分组处理，计算每个电压分组内电压的均方差后，估计膜电极的制造一致性变差，最后根据计算的制造一致性变差，计算电堆设计结构导致的一致性。
[0077]
本发明可以有效去除膜电极制造过程引起的电堆一致性，进而精准评估电堆设计结构导致的一致性的数值；不需要增加额外的设备与成本，仅在开发测试过程中增加数据后处理环节即可，操作简单；可以将电堆测试的整体一致性、设计过程与制造过程引起的一致性分开，并根据计算的制造一致性变差，计算电堆设计结构导致的一致性，便于设计优化
的快速迭代。
[0078]
应用例：
[0079]
将300片膜电极组装为300节的燃料电池电堆，采用标准流程进行活化后作极化曲线的测试，获取1.0a/cm2下的电堆电压巡检信息，计算电堆的均方差为9.5mv，将电压信息按照10个为一组方式进行分设30组后，首先计算每一组的电压均方差，其次对均方差求平均，获得膜电极的制造变差为4.3mv，根据公式计算电堆的设计一致性为8.5mv。
[0080]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。