[发明专利]一种燃料电池的性能诊断方法

权利要求书

1.一种燃料电池性能诊断的方法，其特征在于：通过引入阻抗正割角差值Δα作为燃料电池性能诊断的判断指标，利用诊断控制器产生控制信号，调整燃料电池的进气增湿度，实现维持燃料电池处于正常工作状态的控制，具体包括以下步骤：

步骤一：基于PEMFC阻抗谱及PEMFC等效电路模型，建立正割角α与电流密度i，温度T，相对湿度RH的关系式如下所示：

基于PEMFC等效电路，确定高频信号频率f₁、f₂；f₁为阻抗谱与实轴的交点所对应的频率，且f₁≥20kHz；计算得到PEMFC高频转折频率f₂，如式(1)所示：

其中：C_d1为等效电容，R_a为极化内阻R_f与浓差内阻R_d之和，R_m为欧姆内阻；

依次给燃料电池发射两组高频(f₁、f₂)交流电信号并依次采集燃料电池的响应信号，计算得到燃料电池对应频率的阻抗Z₁、Z₂，得到在阻抗坐标轴上Z(ω₁)、Z(ω₂)及与实轴夹角α，如式(2)所示：

其中：Z’₁、Z‘₂为Z(ω₁)、Z(ω₂)阻抗实部，Z“₁、Z“₂为Z(ω₁)、Z(ω₂)阻抗虚部；

在所有电阻中，膜电阻对于欧姆过电压起了最主要的影响作用，R_m欧姆内阻计算公式如式(4)所示：

式(3)中，t_m为燃料电池膜厚度，RH为电堆内相对湿度，T为电堆温度；

其中：ρ为氢氧电化学反应电子迁移数，δ为扩散层厚度，R为理想气体常数，D_eff为堆内水迁移系数，S为催化面积，C_g反应物总体浓度，μ为氢气反应转移的电子数，μ＝2，γ为电化学反应速率参数，其值的大小与PEMFC堆内反应环境及催化剂材料有关，取值范围为0.01～0.1，T为电堆温度，i为当前电流密度，F为法拉第常数，T₀为实验最适温度；

把公式(3)与公式(4)代入公式(2)中，化简得正割角α与电流密度i，温度T，相对湿度RH的关系式如公式(5)所示：

式(1)中，其中a₀、a₁、a₂、a₃和b均为常数，且：

a0＝-3.04*10^-3；

a₁＝8.83*10^-2；

a₂＝-0.25；

a₃＝0.185；

b＝0.0153*t_m；

从式(5)中可以分析出不同电流密度下时，温、湿度对α值的影响；

步骤二：在燃料电池运行过程中存在水故障，那么电堆内部阻抗大小必然会变化，那么当前电流密度情况下，操作条件相同，利用水故障情况下正割角α_t与正常情况下α₀差值Δα，如式(6)所示，即可实现对电堆的诊断：

Δα＝α_t-α₀ (6)

当Δα＞1.3时，诊断控制器判断电堆处于水淹状态；

当-0.5＜Δα＜1.3时诊断控制器判断电堆处于正常工作状态；

当Δα＜-0.5时，诊断控制器判断电堆处于膜干状态；

步骤三：数据采集系统依据采集得到的阻抗正割角α的信息以及与预设正常状态下阻抗正割角α₀的偏差Δα得出的诊断信息进行性能恢复，当-0.5＜Δα＜1.3时电堆处于正常工作状态；当Δα＞1.3时，表明电堆处于水淹状态，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，降低气体加湿程度；当Δα＜-0.5时，表明电堆处于膜干状态，控制器产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路放大后的控制信号输出至加湿装置的控制端，提高气体加湿程度，从而达到控制燃料电池处于正常工作状态范围内的目的。