燃料电池阻抗标定方法

摘要

本申请涉及一种燃料电池阻抗标定方法。所述方法包括S10,在不同温度下，通过不同湿度的气体吹扫燃料电池，并获得所述燃料电池的多个平衡内阻；S20,建立所述平衡内阻和所述气体的湿度的内阻湿度关系模型；S30,基于所述内阻湿度关系模型，所述气体的湿度和所述燃料电池内部水含量的湿度水含量关系模型，通过拟合方法，得到所述平衡内阻和所述燃料电池内部水含量的内阻水含量关系模型。根据所述湿度水含量关系模型可以建立所述湿度和所述燃料电池内部水含量的湿度水含量关系模型，通过拟合方法可以得到准确的内阻水含量关系模型。因而根据所述平衡内阻和所述内阻水含量关系模型就可以准确得到所述燃料电池内部水含量。

权利要求

1.一种燃料电池阻抗标定方法，其特征在于，包括：S10,在不同温度下，依次选取多个不同湿度的气体吹扫所述燃料电池，并获得所述燃料电池的多个平衡内阻；

S20,建立所述平衡内阻和所述气体的湿度的内阻湿度关系模型；

S30,基于所述内阻湿度关系模型，所述气体的湿度和所述燃料电池内部水含量的湿度水含量关系模型，通过拟合方法，得到所述平衡内阻和所述燃料电池内部水含量的内阻水含量关系模型；

所述湿度水含量关系模型为：

λeq＝0.043+17.81a-39.85a2+36a3a＝Pv/Psat

其中a是水活度，Pv代表当前气体的水蒸气分压，Psat代表当前温度下的饱和蒸汽压，λeq代表平衡的水含量；

所述内阻水含量关系模型为

Rmem＝F(λmem)

其中，Rmem代表高频阻抗，λ代表水含量，R代表所述燃料电池的接触内阻，a，b，c，d，R都是未知常数。

2.如权利要求1所述的燃料电池阻抗标定方法，其特征在于，所述步骤S10包括：S110，维持所述燃料电池的温度在常规工作时的温度；

S120，在每一个测量温度条件下，选取多个不同湿度的气体吹扫所述燃料电池，并实时测量每次实验中所述燃料电池的高频阻抗；

S130，当所述高频阻抗与所述气体达到平衡状态时，通过所述高频阻抗获得多个所述平衡内阻。

3.如权利要求2所述的燃料电池阻抗标定方法，其特征在于，所述步骤S120中，吹扫所述燃料电池的气体湿度在不同的测量中逐渐增大。

4.如权利要求2所述的燃料电池阻抗标定方法，其特征在于，所述步骤S130包括：S131,通过所述气体吹扫所述燃料电池一定时间后，停止吹扫；

S132，当所述高频阻抗在吹扫停止稳定后确定所述高频阻抗的稳定值，并继续通过所述气体吹扫所述燃料电池；

S133，重复步骤S131-S132，根据所述稳定值确定一个所述平衡内阻；

S134，选取不同的温度和所述气体的湿度，重复步骤S131-S132，获得多个所述平衡内阻。

5.如权利要求2所述的燃料电池阻抗标定方法，其特征在于，所述步骤S110中，维持所述燃料电池的温度在常规工作时的温度大于半个小时。

6.如权利要求4所述的燃料电池阻抗标定方法，其特征在于，所述步骤S133中，所述根据所述稳定值确定一个所述平衡内阻包括：当相邻两次吹扫停止平衡时测量得到的所述稳定值的差异不大于预设值时，选取后测量的所述稳定值作为一个所述平衡内阻。

7.如权利要求2所述的燃料电池阻抗标定方法，其特征在于，所述步骤S110之前还包括:S010,通过干燥气体吹扫所述燃料电池。

8.如权利要求7所述的燃料电池阻抗标定方法，其特征在于，所述步骤S010中，吹扫所述燃料电池的时间大于2小时。

9.如权利要求7所述的燃料电池阻抗标定方法，其特征在于，所述干燥气体的温度不大于25℃。

说明书

燃料电池阻抗标定方法

技术领域

[0001] 本申请涉及电池领域，特别是涉及一种燃料电池阻抗标定方法。

背景技术

[0002] 质子交换膜氢燃料电池是一种清洁、高效的能源转化装置。对于质子交换膜燃料电池来说，反应需要水的参与，只有在膜充分润湿的状态下才能实现质子的有效传导，当膜处在缺水的状态时，质子交换膜的电导率将出现显著下降。同时，燃料电池内部水含量过
高，可能导致液态水在内部积累，产生水淹现象。因此湿度估计与控制对于燃料电池系统的效率和性能来说至关重要。对于燃料电池湿度估计来说，交流阻抗是十分重要的测试方法。
使用交流阻抗法，可以最方便的获得燃料电池的内部湿度状态。其中，高频阻抗代表了燃料电池的膜内阻，可以用于评价燃料电池的膜的含水量。

[0003] 传统方法中，交流阻抗与湿度的关系式都是建立在经验模型上，通过交流阻抗确定膜水含量误差较大。

发明内容

[0004] 基于此，有必要针对通过交流阻抗估计膜水含量误差较大问题，提供一种燃料电池阻抗标定方法。

[0005] 一种燃料电池阻抗标定方法，包括：

[0006] S10,在不同温度下，依次选取多个不同湿度的气体吹扫燃料电池，并获得所述燃料电池的多个平衡内阻；

[0007] S20,建立所述平衡内阻和所述气体的湿度的内阻湿度关系模型；

[0008] S30,基于所述内阻湿度关系模型，所述气体的湿度和所述燃料电池内部水含量的湿度水含量关系模型，通过拟合方法，得到所述平衡内阻和所述燃料电池内部水含量的内
阻水含量关系模型。

[0009] 在一个实施例中，所述步骤S10包括：

[0010] S110，维持所述燃料电池的温度在常规工作时的温度；

[0011] S120，在每一个所述测量温度条件下，依次选取多个不同湿度的气体吹扫所述燃料电池，并实时测量每次实验中所述燃料电池的高频阻抗；

[0012] S130，当所述高频阻抗与所述气体达到平衡状态时，通过所述高频阻抗获得多个所述平衡内阻。

[0013] 在一个实施例中，所述步骤S120中，吹扫所述燃料电池的气体湿度在不同的测量中逐渐增大。

[0014] 在一个实施例中，所述步骤S130包括：

[0015] S131,通过所述气体吹扫所述燃料电池一定时间后，停止吹扫；

[0016] S132，当所述高频阻抗在吹扫停止稳定后确定所述高频阻抗的稳定值，并继续通过所述气体吹扫所述燃料电池；

[0017] S133，重复步骤S131-S132，根据所述稳定值确定一个所述平衡内阻。

[0018] S134，选取不同的温度和所述气体的湿度，重复步骤S131-S132，获得多个所述平衡内阻。

[0019] 在一个实施例中，所述步骤S110中，维持所述燃料电池的温度在常规工作时的温度大于半个小时。

[0020] 在一个实施例中，所述步骤S133中，所述根据所述稳定值确定一个所述平衡内阻包括：

[0021] 当相邻两次吹扫停止平衡时测量得到的所述稳定值的差异不大于预设值时，选取后测量的所述稳定值作为一个所述平衡内阻；

[0022] 在一个实施例中，所述步骤S110之前还包括:

[0023] S010,通过干燥气体吹扫所述燃料电池。

[0024] 在一个实施例中，所述步骤S010中，吹扫所述燃料电池的时间大于2小时。

[0025] 在一个实施例中，所述干燥气体的温度不大于25℃。

[0026] 在一个实施例中，所述湿度水含量关系模型为：

[0027] λeq＝0.043+17.81a-39.85a2+36a3

[0028] a＝Cv/Csat

[0029] 其中a是水活度，Pv代表当前气体的所述水蒸气分压，Psat代表当前温度下的饱和蒸汽压，λeq代表平衡的水含量。

[0030] 本申请实施例提供的所述燃料电池阻抗标定方法，首先在不同温度下，通过不同湿度的气体吹扫燃料电池，并获得所述燃料电池的多个平衡内阻。通过所述平衡内阻和所
述湿度建立所述内阻湿度关系模型。根据所述内阻湿度关系模型可以建立所述平衡内阻和
所述湿度的关系。根据所述湿度水含量关系模型可以建立所述湿度和所述燃料电池内部水
含量的湿度水含量关系模型，因而通过所述湿度可以建立所述平衡内阻和所述燃料电池内
部水含量的关系。通过拟合方法可以得到准确的内阻水含量关系模型。因而根据所述平衡
内阻和所述内阻水含量关系模型就可以准确得到所述燃料电池内部水含量。

附图说明

[0031] 图1为本申请实施例提供的燃料电池阻抗标定方法流程图；

[0032] 图2为本申请实施例提供的平衡内阻和气体的湿度的关系图；

[0033] 图3为本申请实施例提供的高频阻抗和时间关系图；

[0034] 图4为本申请实施例提供的平衡内阻和平衡水含量拟合曲线图。

具体实施方式

[0035] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的燃料电池阻抗标定方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

[0036] 本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解
为对本申请的限制。

[0037] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0038] 请参见图1，本申请实施例提供一种燃料电池阻抗标定方法。所述方法包括：

[0039] S10,在不同温度下，依次选取多个不同湿度的气体吹扫燃料电池，并获得所述燃料电池的多个平衡内阻；

[0040] S20,建立所述平衡内阻和所述气体的湿度的内阻湿度关系模型；

[0041] S30,基于所述内阻湿度关系模型，所述气体的湿度和所述燃料电池内部水含量的湿度水含量关系模型，通过拟合方法，得到所述平衡内阻和所述燃料电池内部水含量的内
阻水含量关系模型。

[0042] 请参见图2，所述步骤S10中，可以先选定一个确定的温度，然后在该温度下选取不同的湿度的气体，对所述燃料电池进行多次吹扫。并同时对所述燃料电池进行高频阻抗的实时测量。当所述燃料电池的高频阻抗维持稳定时，确定所述燃料电池达到平衡状态的平
衡内阻。

[0043] 所述步骤S20中，根据一个所述温度、一个所述湿度和一个所述平衡内阻，可以在湿度和平衡内阻关系图上确定一个点。根据多个所述温度、多个所述湿度和多个所述平衡
内阻，可以在所述湿度和平衡内阻关系图确定多个点，并可以确定多条所述平衡内阻和所
述湿度的关系曲线，因而可以作为所述内阻湿度关系模型。

[0044] 在所述步骤S30中，通过所述内阻湿度关系模型，可以得到所述湿度和所述平衡内阻的对应关系。通过所述湿度水含量关系模型，可以得到所述湿度和所述燃料电池内部水
含量的对应关系，因而通过所述湿度作为媒介，可以建立所述平衡内阻和所述燃料电池内
部水含量的对应关系。通过拟合方法，可以确定内阻水含量关系模型，进而可以通过所述平衡内阻得到准确的所述燃料电池内部水含量。

[0045] 本申请实施例提供的所述燃料电池阻抗标定方法，首先在不同温度下，通过不同湿度的气体吹扫燃料电池，并获得所述燃料电池的多个平衡内阻。通过所述平衡内阻和所
述湿度建立所述内阻湿度关系模型。根据所述内阻湿度关系模型可以建立所述平衡内阻和
所述湿度的关系。根据所述湿度水含量关系模型可以建立所述湿度和所述燃料电池内部水
含量的湿度水含量关系模型，因而通过所述湿度可以建立所述平衡内阻和所述燃料电池内
部水含量的关系。通过拟合方法可以得到准确的内阻水含量关系模型。因而根据所述平衡
内阻和所述内阻水含量关系模型就可以准确得到所述燃料电池内部水含量。

[0046] 在一个实施例中，所述步骤S10包括：

[0047] S110，维持所述燃料电池的温度在常规工作时的温度；

[0048] S120，在每一个所述测量温度条件下，选取多个不同湿度的气体吹扫所述燃料电池，并实时测量每次实验中所述燃料电池的高频阻抗；

[0049] S130，当所述高频阻抗与所述气体达到平衡状态时，通过所述高频阻抗获得多个所述平衡内阻。

[0050] 所述步骤S110中，可以通过热水供给装置为所述燃料电池供给热水，进而可以维持所述燃料电池的温度在所述燃料电池工作时的温度。在一个实施例中，维持所述燃料电
池在60℃到80℃之间。

[0051] 在一个实施例中，维持所述燃料电池的温度在常规工作时的温度大于半个小时。维持所述燃料电池温度在60℃到80℃之间在半个小时以上，因而可以确保所述燃料电池温
度的稳定。

[0052] 在所述步骤S120中，在一个确定的所述测量温度下，可以依次选取多个不同湿度的气体吹扫所述燃料电池。所述湿度可以为相对湿度，以当前温度下所述燃料电池的保护
蒸气压为准。所述湿度可以为前气体的水蒸气蒸汽压。在每一次测量过程中，都要实时测量所述燃料电池的高频阻抗。

[0053] 在一个实施例中，所述步骤S120中，吹扫所述燃料电池的气体湿度在不同的测量中逐渐增大。基于当前所述燃料电池的饱和蒸气压，可以依次选取由小到大的占饱和蒸汽
压10％-100％的湿度的气体逐个进行吹扫实验。

[0054] 请参见图3，在所述步骤S130中，通过气体吹扫所述燃料电池时，会引起所述燃料电池内部状态的不稳定。所述燃料电池的高频阻抗在吹扫状态下出现了明显了波动。由于
所述燃料电池内部状态不稳定，此时所述燃料电池的高频阻抗并没有很好的反应所述燃料
电池的膜阻抗。当停止吹扫后，所述燃料电池的高频内阻开始迅速下降，根据所述高频内阻可以确定所述平衡内阻。

[0055] 在一个实施例中，所述步骤S130包括：

[0056] S131,通过所述气体吹扫所述燃料电池一定时间后，停止吹扫；

[0057] S132，当所述高频阻抗在吹扫停止稳定后确定所述高频阻抗的稳定值，并继续通过所述气体吹扫所述燃料电池；

[0058] S133，重复步骤S131-S132，根据所述稳定值确定一个所述平衡内阻。

[0059] S134，选取不同的温度和所述气体的湿度，重复步骤S131-S132，获得多个所述平衡内阻。

[0060] 所述步骤S132中，当停止吹扫后，所述燃料电池的高频内阻开始迅速下降并最终维持在一个稳定值。

[0061] 所述步骤S133中，为了避免所述燃料电池内部平衡不够充分，可以在相同的温度条件下选择相同湿度的气体再次吹扫所述燃料电池。即重复步骤S131-S132，以确保所述平衡内阻变化不大或者不再变化。此时可以得到一组所述平衡内阻和对应的所述湿度的数
据。

[0062] 在一个实施例中，所述根据所述稳定值确定一个所述平衡内阻包括：

[0063] 当相邻两次吹扫停止平衡时测量得到的所述稳定值的差异不大于预设值时，选取后测量的所述稳定值作为一个所述平衡内阻。在一个实施例中，所述预设值为相邻两次测
量得到的所述稳定值的变化程度。在一个实施例中，当后测量的所述稳定值相对于前一次
测量的所述稳定值的变化不大于5％时，可以确定后一次测量的所述稳定值为所述平衡内
阻。

[0064] 在所述步骤S134中，选取不同的温度和所述气体的湿度的参数，再次重复上述步骤，可以得到多组所述平衡内阻和所述湿度数据。

[0065] 在一个实施例中，所述步骤S110之前还包括:

[0066] S010,通过干燥气体吹扫所述燃料电池。为了避免所述燃料电池膜中的存留水和催化剂层的存留水对估计结果产生影响，需要首先移除燃料电池内部的预留水。通过所述
干燥气体可以吹扫清除所述预留水。在一个实施例中，由于水的饱和蒸汽压和温度是相关
的，因此要在较低温度下使用0％湿度的干燥气体进行吹扫，因而可以尽量减少所述燃料电池内存有水分。

[0067] 在一个实施例中，所述步骤S010中，吹扫所述燃料电池的时间大于2小时。因而可以确保所述燃料电池内充分干燥，确保测试准确。

[0068] 在一个实施例中，所述干燥气体的温度不大于25℃。因而可以尽量减少所述干燥气体携带的水分，确保测量的准确性。

[0069] 在一个实施例中，所述湿度水含量关系模型为：

[0070] λeq＝0.043+17.81a-39.85a2+36a3

[0071] a＝Pv/Psat

[0072] 其中a是水活度，Pv代表当前气体的水蒸气分压，Psat代表当前温度下的饱和蒸汽压，λeq代表平衡水含量，即所述平衡内阻对应的所述燃料电池内部水含量。通过所述湿度水含量关系模型可以确定当前温度下所述湿度和所述平衡含水量的关系。

[0073] 其中，所述内阻水含量关系模型可以选自以下的关系式：

[0074] Rmem＝F(λmem)

[0075]

[0076] 其中，Rmem代表所述高频阻抗，λ代表水含量。R代表所述燃料电池的接触内阻，a，b，c，d，R都是未知常数。

[0077] 请参见图4，通过上述实施例得到的所述平衡内阻和所述平衡水含量，通过拟合方法，可以得到所述a，b，c，d，R的具体值，因而可以得到所述内阻水含量关系模型。

[0078] 在一个实施例中，可以通过所述对水活度的多项式拟合，也可以得到所述a，b，c，d，R的具体值。

[0079] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0080] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。