基于电参数的质子交换膜燃料电池膜电极的一致性评估方法

技术领域

本发明属于膜电极一致性测试技术领域，特别是涉及基于电参数的一种质子交换膜燃料电池膜电极的一致性评估方法。

背景技术

作为一种新型能量转换装置，质子交换膜燃料电池以其能量转换效率高、对环境影响下等优点而引起了研究机构和政府极大关注。为了满足车辆使用功率需求，通常将几十甚至上百节单点池以串联方式层叠组装成一个燃料电池堆，它们相对独立工作，输出电流相同。

质子交换膜燃料电池电堆中每一片电池均涉及一片膜电极，膜电极是由燃料电池的质子交换膜、催化剂及电极组合而成，由于燃料电池堆的串联结构，使得每一片膜电极的好坏直接影响整个燃料电池电堆使用。

现有技术当中，通常对单片膜电极做多个试验，以获得多个膜电极参数来评估膜电极的一致性水平，如Pt担载量、单电池极化曲线、透氢电流密度等等的一些测试，但是各参数获取的时间太长，并且对同一个膜电极进行连续几个不同的测试会造成膜电极前后特性不一致，影响评估准确性。而已有的EIS测试方法虽然可以对膜电极一致性进行评估，但是在对待测膜电极进行交流阻抗测试时需要进行大范围扫频，会消耗大量时间，效率太低。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于电参数的质子交换膜燃料电池膜电极的一致性评估方法，以期能减少膜电极测量参数和一致性的评估时间，从而能提高膜电极一致性评估速度和准确性。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于电参数的质子交换膜燃料电池膜电极的一致性评估方法的特点在于，包括以下步骤：

S1.对带有质量标签的N个质子交换膜燃料电池膜电极进行交流阻抗测试，并得到N个质子交换膜燃料电池膜电极的阻抗数据，从而绘制N个质子交换膜燃料电池膜电极的EIS曲线；

S2.特征点阻抗的选取；

S2.1.对N个质子交换膜燃料电池膜电极的阻抗数据进行归一化处理后，得到归一化后的N个质子交换膜燃料电池膜电极的阻抗Z；

S2.2.利用式(1)得到第n个质子交换膜燃料电池膜电极的EIS曲线中第m个频率点阻抗Z

式(1)中，Imag(Z

S2.3.根据变化趋势H

S2.4.对每个质子交换膜燃料电池膜电极的阻抗谱特征点处所对应的频率求取平均值，得到平均频率f，从而得到平均频率f所对应的特征点阻抗Z(f)；

S3.获取第n个质子交换膜燃料电池膜电极在平均频率f处的阻抗Z

S3.1.从膜电极阻抗模{|Z

S3.2.利用式(2)得到膜电极阻抗模的第x个类间方差σ

σ

式(2)中，u

S3.3.将x+1赋值给x后，返回步骤3.2顺序执行，直达x>N-1为止，从而得到N-1个类间方差，并从中选取最大类间方差所对应的分割阈值t作为一致性水平评估阈值；

S4.对待测的膜电极进行平均频率f处的交流阻抗测试，得到待测膜电极的阻抗值并进行归一化后，得到阻抗模与所述一致性水平评估阈值t进行比较，若大于t，则表示待测膜电极不合格，否则，表示待测膜电极合格。

本发明所述的基于电参数的质子交换膜燃料电池膜电极的一致性评估方法的特点也在于，步骤S2中是利用式(3)得到EIS曲线中的第m个频率点，即为所述交界点；

本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述一致性评估方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述一致性评估方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明评估方法仅使用待测膜电极交流阻抗值的模作为一致性水平评估依据，无需测量其它膜电极参数，使得评估效率更高。

2、本发明评估方法中特征点选取是基于膜电极阻抗谱中阳极活化损耗区和阴极活化损耗区的交界处，根据阻抗谱变化趋势得到交界点，使得膜电极一致性评估更加准确。

3、本发明评估方法仅使用待测膜电极在特征点处频率的交流阻抗值的模作为一致性水平评估依据，交界处阻抗值综合反映膜电极电特性，无需进行扫频式交流阻抗检测，大大减小了评估时间。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是电化学阻抗谱仪连接方法示意图；

图3是一致性水平评估阈值提取方法流程图；

图4是膜电极阻抗谱图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于电参数的质子交换膜燃料电池膜电极的一致性评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1.对带有质量标签的N个质子交换膜燃料电池膜电极(包括合格的与不合格的)进行交流阻抗测试，对每片膜电极施加一定频率范围内、幅值一定的电流信号，得到每个频率下的电压响应信号，并得到N个质子交换膜燃料电池膜电极的阻抗数据，从而绘制N个质子交换膜燃料电池膜电极的EIS曲线(阻抗谱)；

S1.1.具体的，借助燃料电池单片测试夹具将膜电极组装成单电池，安装在燃料电池测试台上面，设定负载直流电流，使得膜电极工作在活化极化控制区和欧姆极化控制区附近。如图2所示，将电化学阻抗谱仪四端子连接到阴阳极板上面，工作电压传感电极SE和参比电极RE分别连接在单点池的极板上面，工作电极WE和对电极CE分别连接在单电池的端板上，在单电池运行状态下，运行电化学阻抗谱，设定一定的测试频率范围，扰动电流峰峰值在直流电流的5％到10％之间；

S1.2.通过快速傅里叶变化得到第n个质子交换膜燃料电池膜电极的EIS曲线中第m个频率点下的电压幅值U

式(1)中，imag(z

S1.3.改变扰动电流信号频率，m+1赋值给m，重复步骤S1.2，直至得到所有测试频率下阻抗实部和虚部相反数构成的阻抗谱；

S1.4.切换到下一片膜电极，n+1赋值给n，重复步骤S1.1、S1.2和S1.3，直至得到所有样品膜电极的阻抗谱；

S2.特征点阻抗选取；

S2.1为了将不同的数据统一到同一范围内，对N个质子交换膜燃料电池膜电极的阻抗数据实部real(z

S2.2利用式(2)得到第n个质子交换膜燃料电池膜电极的EIS曲线中第m个频率点阻抗Z

式(2)中，Imag(Z

S2.3根据变化趋势H

S2.4对每个质子交换膜燃料电池膜电极的阻抗谱特征点处所对应的频率求取平均值，滤去噪声，得到平均频率f，从而得到平均频率f所对应的特征点阻抗Z(f)；

S3.如图3所示，获取第n个质子交换膜燃料电池膜电极在平均频率f处的阻抗Z

S3.1从膜电极阻抗模{|Z

S3.2利用式(3)得到膜电极阻抗模的第x个类间方差σ

σ

＝ω

式(3)中，u

具体的，自适应阈值确定方法是基于最大类间方差在一定范围内寻找最佳阈值，通过最佳阈值可以把样本中所有评估值小于等于该评估阈值的样本归为一类，同时把样本中所有评估值大于该评估阈值的样本归为另一类；

更具体的，根据自适应阈值确定方法计算一致性水平评估阈值，将带有质量标签的样本分为合格类与不合格类，评估值为阻抗谱特征点处的阻抗模，评估阈值为一致性水平评估阈值，并且对{|Z

S3.3.将x+1赋值给x后，返回步骤3.2顺序执行，直达x>N-1为止，从而得到N-1个类间方差，最大类间方差代表了质子交换膜燃料电池模电极样本中的一致性水平合格与不合格评估阈值达到最佳，所以从中选取最大类间方差所对应的分割阈值t作为一致性水平评估阈值；

S4.对待测的膜电极进行平均频率f处的交流阻抗测试，减少了待测膜电极的交流阻抗测试时间，缩短了质子交换膜燃料电池膜电极的一致性水平评估时间，在得到待测膜电极在平均频率f处的阻抗值后进行归一化，将得到的阻抗模与一致性水平评估阈值t进行比较，若大于t，则表示待测膜电极不合格，否则，表示待测膜电极合格；

本实施例中，步骤S2中利用式(4)得到EIS曲线中的第m个频率点，即的交界点，如图4所示，交界点在EIS曲线上表现为阻抗谱阳极活化损耗区和阴极活化损耗区的两个半圆弧交界点，此时交界点对应的阻抗作为特征点阻抗，既反映了阳极侧膜电极电特性，又反应了阴极侧膜电极电特性，提高了质子交换膜燃料电池膜电极的一致性水平评估准确性；

本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行上述方法的程序，该处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。

本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明和原则之内的任何修改、同义替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。