CN102981124A - 一种燃料电池堆膜电极状况现场检测方法和检测装置 - Google Patents

一种燃料电池堆膜电极状况现场检测方法和检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池堆膜电极状况现场检测方法和检测装置，待测燃料电池供应氢气和氮气或空气，用负载消除燃料电池电压，直至电压为零，采用恒流电源给待测燃料电池进行恒定电流充电，电流传感器测量充电电流，数据采集器采集电流传感器的电流信号和待测燃料电池各节电池的电压信号，转换成数字量信号并传输到数据处理单元，数据处理单元通过编写程序实现测量数据的自动处理，经过对采集的各节燃料电池电压数据进行微分和积分运算，给出待测燃料电池膜电极的催化剂有效活性面积、双电层电容、氢渗透电流和阻抗等参数；本发明适用于对燃料电池堆或单体进行测试，具有现场、无损、简便、快速等优点。

Description

一种燃料电池堆膜电极状况现场检测方法和检测装置
技术领域
本发明涉及燃料电池膜测量技术领域，具体涉及一种燃料电池堆膜电极状况现场检测方法和检测装置。
背景技术
膜电极是燃料电池关键部件，燃料电池性能衰减实质是膜电极的老化。膜电极的状况参数包括催化剂有效活性面积、双电层电容、氢渗透电流和阻抗等。催化剂有效活性面积和阻抗，与燃料电池输出性能直接相关，检测电池堆内各节燃料电池此两方面的参数，可反映燃料电池各节一致性和老化程度；氢渗透电流，实质是代表膜电极渗透氢气量的当量电流，反映膜电极的致密性；检测双电层电容，可反映燃料电池的动态响应能力。
常用循环伏安法（CV）测量燃料电池活性面积和双电层电容，但是该方法仅适用于对燃料电池单体的测量，不能用于对燃料电池堆的检测，而且多次CV扫描对燃料电池有损害作用；膜电极氢渗透电流的测量，通常用线性电位扫描法、定容积漏气测量法或停机后放电率测量法等；燃料电池阻抗的测量常用交流阻抗法或断电法等。这些测量方法，需要多种仪器，检测时间长。
对于新生产的燃料电池堆，或在用的燃料电池堆，常需要了解电池堆内各节燃料电池的一致性（特别是膜电极一致性）和膜电极变化情况，缺少一种方便检测燃料电池堆膜电极的方法和测量装置。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池堆膜电极状况现场检测方法和检测装置，一次测量同时获得多种参数。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种燃料电池堆膜电极状态现场检测方法，包括如下步骤：
（1）将氢气和氮气或空气分别充入待测燃料电池堆或单体的膜电极两侧，如果充入的是氢气和氮气，则氢气和氮气流经燃料电池，或者堵死出口，如果充入的是空气，则需要堵死空气侧出口，用待测燃料电池外接负载直至待测燃料电池不再有开路电压；
（2）给待测燃料电池进行恒定电流充电，连续记录各节燃料电池电压，当各节燃料电池电压不低于0.5V时停止充电；
（3）改变恒定电流值两次或者多次，重复步骤（2）过程，得到两个或者多个恒定电流下的各节燃料电池电压数据；
（4）对两个或多个恒定电流下测量的该节燃料电池电压变化过程进行关于时间的微分，确定该节燃料电池在某电压下对应两个或多个恒定电流IG充电中的电压变化率dV/dt；
（5）将上述的恒定电流IG和电压变化率dV/dt通过线性拟合或计算得到对应电压变化率为0时的电流值，即为该节燃料电池膜电极的氢渗透电流iH；
（6）绘制(IG-iH)/(dV/dt)该节燃料电池电压V的曲线，找出最低点L及其对应电压Vdl，该点的(IG-iH)/(dV/dt)值即为该节燃料电池膜电极双电层电容Cdl；
（7）对步骤（6）中曲线进行积分得催化剂脱氢对应电荷量QPt，通过公式
Figure BDA00002361967100022
得该节燃料电池膜电极催化剂有效活性面积EAS，其中q代表单位面积催化剂所带电量，WPt为铂载量；或用公式
Figure BDA00002361967100031
求出催化剂有效面积比REA，表示催化剂有效活性面积与膜电极有效面积AMFA之比；
（8）从起始充电区得到电压阶越变化值△V，用公式R＝△V/IG得到该节燃料电池阻抗R；
（9）对燃料电池堆内各节燃料电池进行步骤（4）-（8）的操作，得到燃料电池堆各节燃料电池膜电极状况参数。
所述氢气和氮气或空气为增湿的气体或不增湿的气体。
实现上述所述检测方法的检测装置，包括恒流电源1、电流传感器2、数据采集器3和数据处理单元4，所述恒流电源1的正负极分别通过导线与待测燃料电池5集电板的阴极和阳极相连，电流传感器2连接在恒流电源1负极和待测燃料电池5集电板的阳极间；所述电流传感器2的电流信号端口A与数据采集器3的模拟量输入端口B相连；所述数据采集器3的模拟量输入端口B同时与待测燃料电池5的各节电池相连，数据采集器3的数据传输端口C与数据处理单元4的数据传输端口D相连；所述数据处理单元4，经过对采集的各节燃料电池电压数据进行上述微分和积分运算，给出待测燃料电池5膜电极的催化剂有效活性面积、双电层电容、氢渗透电流和阻抗等参数。
所述数据处理单元4通过编写程序实现测量数据的自动处理。
所述恒流电源1给待测燃料电池5进行恒定电流充电，电流传感器2测量充电电流，数据采集器3采集电流传感器2的电流信号和待测燃料电池5各节电池的电压信号，转换成数字量信号并传输到数据处理单元4。
所述待测燃料电池5为燃料电池单体或燃料电池堆，数据采集器3有多少路电压信号线即能够同时测量多少节燃料电池。
本发明测量装置适用于对燃料电池堆或单体的测量，一次测量得到燃料电池氢气渗透率、双电层电容、催化剂有效活性面积和阻抗四个参数，具有现场、无损、快速、方便等优点。
本发明的检测方法和测量装置，可作为研究和检查燃料电池堆各节电池膜电极一致性和使用寿命的测试方法和工具，可用于对燃料电池堆内膜电极漏气和催化剂失活的故障诊断。
附图说明
图1是本发明的检测装置的一种实施例的结构示意图。
图2是利用图1所示装置的测试得到的电压上升过程示意图。
图3是数据处理过程的电压微分示意图。
图4是数据处理过程的氢气渗透电流求解示意图。
图5是数据处理过程的微分电容曲线示意图。
图6是数据处理过程的电池阻抗求解示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，为本发明的检测装置的一种实施例的结构示意图，包括恒流电源1、电流传感器2、数据采集器3和数据处理单元4，所述恒流电源1的正负极分别通过导线与待测燃料电池5集电板的阴极和阳极相连，电流传感器2连接在恒流电源1负极和待测燃料电池5集电板的阳极间；所述电流传感器2的电流信号端口A与数据采集器3的模拟量输入端口B相连；所述数据采集器3的模拟量输入端口B同时与待测燃料电池5的各节电池相连，数据采集器3的数据传输端口C与数据处理单元4的数据传输端口D相连。
图1所示检测装置的工作原理为：恒流电源1给待测燃料电池5进行恒定电流充电，电流传感器2测量充电电流，数据采集器3采集电流传感器2的电流信号和待测燃料电池5各节电池的电压信号，转换成数字量信号并传输到数据处理单元4，数据处理单元4通过编写程序实现测量数据的自动处理，经过对采集的各节燃料电池电压数据进行微分和积分运算，给出待测燃料电池5膜电极的催化剂有效活性面积、双电层电容、氢渗透电流和阻抗等参数。
应用上述测量装置检测一个待测燃料电池5燃料电池膜电极状况参数的方法包括如下步骤：
（1）将待测燃料电池5集电板的阴极和阳极分别与恒流电源1正负极相连，将数据采集器3信号线与待测燃料电池5的各节电池相连；
（2）将氢气和氮气分别充入待测燃料电池5的膜电极两侧，每节燃料电池两侧的氢气和氮气流量分别为0.6L/min和2L/min，均为50℃饱和增湿气体。
（3）采用恒流电源1，选定电流0.96A，给待测燃料电池5进行恒定电流充电，连续记录各节燃料电池电压，当各节燃料电池电压不低于0.6V时停止充电。
（4）改变恒定电流的值，依次为1.28A、1.6A、1.92A和2.13A，重复步骤（3）过程，得到测量数据，将指定的某节燃料电池电压变化情况汇总在一起，如附图2所示。
（5）通过数据处理单元4对每个恒定电流下测量的该节燃料电池电压变化过程进行关于时间的微分，如附图3所示。
（6）从步骤（5）中的微分图，取该节燃料电池在定电压0.4V和0.2V下对应上述恒电流IG充电中的电压变化率dV/dt，通过线性拟合或计算得到对应电压变化率为0时的电流值，即为该节燃料电池膜电极的氢渗透电流（iH=0.158A），如附图4所示。
（7）将某恒电流下的数据，绘制(IG-iH)/(dV/dt)对该节燃料电池电压V的曲线，找出该曲线最低点L及其对应电压Vdl，该点的(IG-iH)/(dV/dt)值即为该节燃料电池膜电极双电层电容（Cdl=18.3F）。对其它各恒电流下的数据进行同样处理，如附图5所示。
（8）对步骤（7）中曲线进行积分得催化剂脱氢对应电荷量（QPt=3.4C），通过公式
Figure BDA00002361967100062
（其中q代表单位面积催化剂所带电量,WPt为铂载量）得该节燃料电池膜电极催化剂有效活性面积(EAS=32m2/g)，或用公式
Figure BDA00002361967100063
求出催化剂有效面积比REA=110(表示催化剂有效活性面积与膜电极有效面积AMEA之比）。
（9）如附图6所示，从起始充电区得到电压阶越变化值△V，用公式R＝△V/IG得到该节燃料电池阻抗（R=0.9Ω.cm2）。
（10）用上述方法对电池堆内各节燃料电池进行步骤（5）-（9）的操作，得到燃料电池堆各节燃料电池膜电极状况。
待测燃料电池5为燃料电池单体或燃料电池堆，数据采集器3有多少路电压信号线即能够同时测量多少节燃料电池。

Claims (4)

1.一种燃料电池堆膜电极状态现场检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将氢气和氮气或空气分别充入待测燃料电池堆或单体的膜电极两侧，如果充入的是氢气和氮气，则氢气和氮气流经燃料电池，或者堵死出口，如果充入的是空气，则需要堵死空气侧出口，用待测燃料电池外接负载直至待测燃料电池不再有开路电压；
（2）给待测燃料电池进行恒定电流充电，连续记录各节燃料电池电压，当各节燃料电池电压不低于0.5V时停止充电；
（3）改变恒定电流值两次或者多次，重复步骤（2）过程，得到两个或者多个恒定电流下的各节燃料电池电压数据；
（4）对两个或多个恒定电流下测量的该节燃料电池电压变化过程进行关于时间的微分，确定该节燃料电池在某电压下对应两个或多个恒定电流IG充电中的电压变化率dV/dt；
（5）将上述的恒定电流IG和电压变化率dV/dt通过线性拟合或计算得到对应电压变化率为0时的电流值，即为该节燃料电池膜电极的氢渗透电流iH；
（6）绘制(IG-iH)/(dV/dt)该节燃料电池电压V的曲线，找出最低点L及其对应电压Vdl，该点的(IG-iH)/(dV/dt)值即为该节燃料电池膜电极双电层电容Cdl；
（7）对步骤（6）中曲线进行积分
Figure FDA00002361967000011
得催化剂脱氢对应电荷量QPt，通过公式
Figure FDA00002361967000012
得该节燃料电池膜电极催化剂有效活性面积EAS，其中q代表单位面积催化剂所带电量，WPt为铂载量；或用公式
Figure FDA00002361967000013
求出催化剂有效面积比REA，表示催化剂有效活性面积与膜电极有效面积AMEA之比；
（8）从起始充电区得到电压阶越变化值△V，用公式R＝△V/IG得到该节燃料电池阻抗R；
（9）对燃料电池堆内各节燃料电池进行步骤（4）-（8）的操作，得到燃料电池堆各节燃料电池膜电极状况参数。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述氢气和氮气或空气为增湿的气体或不增湿的气体。
3.一种实现权利要求1所述检测方法的检测装置，其特征在于：包括恒流电源（1）、电流传感器（2）、数据采集器（3）和数据处理单元（4），所述恒流电源（1）的正负极分别通过导线与待测燃料电池（5）集电板的阴极和阳极相连，电流传感器（2）连接在恒流电源（1）负极和待测燃料电池（5）集电板的阳极间；所述电流传感器（2）的电流信号端口A与数据采集器（3）的模拟量输入端口B相连；所述数据采集器（3）的模拟量输入端口B同时与待测燃料电池（5）的各节电池相连，数据采集器（3）的数据传输端口C与数据处理单元（4）的数据传输端口D相连。
4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于：所述待测燃料电池（5）为燃料电池单体或燃料电池堆，数据采集器（3）有多少路电压信号线即能够同时测量多少节燃料电池。
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