[发明专利]一种燃料电池的性能诊断方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池的性能诊断方法，包括：引入阻抗正割角差值Δα作为燃料电池的性能诊断判断指标，运用改进型电化学阻抗谱法求解得到当前阻抗正割角α_t，同时控制器依据所建立模型，得出当前电流密度、温度和湿度下，计算得出正常状态下正割角α₀，控制器依据二者差值Δα判断当前燃料电池水管理状态，同时产生控制信号，对燃料电池进气湿度调整，从而保证燃料电池处于正常工作状态目的。本发明在仅利用交流信号发生器以及数据采集系统情况下，可以快速、准确的判断燃料电池所处水管理状态并恢复其性能，提高燃料电池输出性能。

技术领域：

本发明涉及一种燃料电池的性能诊断方法。

背景技术：

在经济全球化的推动下，世界经济飞跃式发展，能源短缺已经制约了经济的发展，能源问题成为了全世界急待解决的关键问题。同时，传统能源日益消耗带来的环境问题也威胁着人类的生存，此时，亟需发展新能源代替传统能源。在所有化石燃料的替代选择中，由于燃料电池良好的操作性能、发电环境友好等优点使其成为最具有发展前景一种供能方式。而质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有无污染、零噪声以及功率稳定等优点，适宜人类大规模商业开发，有着光明的市场应用前景。PEMFC一个显著的特点就是电极的反应物是液态水，而不是气态的水蒸气。在PEMFC中，质子交换膜必须保持电解质中有充分的水量从而保证其传导率处于正常范围。

当电堆处于高电流密度下运行时，与水的生成与分布有关的传输介质的作用会制约着电堆的输出，此时如果没有有效的水管理，电池内的水生成、蒸发和排出将会失去平衡，此时可能会产生水淹和膜干的水故障。

目前，由于质子交换膜厚度只有微米级、燃料电池在工作过程中需要保证结构的完整性和封闭性，这使得人们很难使用传感器精确获取PEMFC内部状况。同时由于PEMFC在工作过程中会生成水，随着工作温度的变化，燃料电池内部水会发生气液两相之间的转化，这会让湿度传感器无法测得精确数值。而且，外部气体加湿与电堆内部湿度存在着较大的误差，如果不能及时诊断并处理，会降低电堆输出性能。

现有的PEMFC诊断方法可以较为快速、精确诊断出PEMFC的异常水管理状态，与传统的利用电堆输出电压降低幅度以及EIS法相比，准确度有一定的提高。但是，现有的诊断方法选取的辅助变量大部分还是PEMFC外部性状，不能准确的反馈电堆内部的工作状态。同时利用建模获取的电堆内部反应产生水量与实际的也存在着一定的误差，均会影响诊断结果的准确性。

发明内容：

在实际的诊断控制过程中，辅助变量以及建模的精确度均会影响对PEMFC性能诊断的准确性。同时，由于电堆本身紧密性要求较高，所以选取的辅助变量大多数均为电堆的外部性状，无法真实的反应电堆内部的工作状态。而传统EIS法测量时间过长，并不适用于PEMFC实时的性能诊断。

本发明是鉴于上述问题作出的，目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种燃料电池的性能诊断的方法，该方法既可缩短电堆的诊断时间，也可以保证较高的精确度。

为了达成上述目的，本发明所述的燃料电池的性能诊断方法包括以下步骤：

本文提供一种PEMFC性能诊断方法，其特征是针对任意一种运行状态下的PEMFC，引入阻抗正割角α，基于图1所示PEMFC等效电路，根据PEMFC最佳操作条件下阻抗谱曲线，计算得到当前电流密度下，操作条件一定时，当前电堆的正割角α_t的大小。同时，控制器利用设定的计算表达式，获取相同条件时正常情况下正割角α₀，基于二者阻抗正割角差值Δα，湿度控制器判断电堆工作状态并产生控制信号，经驱动电路放大后输出至加湿装置的控制端，调整向PEMFC电极进气加湿度使得电堆回归正常工作状态，达到控制PEMFC处于稳定工作状态的目的。所述的PEMFC性能诊断方法包括以下步骤：