一种快速评价燃料电池冷启动能力的方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种快速评价燃料电池冷启动能力的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池因为清洁高效、能量密度高等优点，被认为是零排放汽车和备用电源应用中最有前途的清洁电源之一。自2014年丰田汽车公司发布了全球首款量产氢燃料电池汽车Mirai、2015年本田公司相继推出燃料电池汽车FCV clarity，质子交换膜燃料电池技术得到了长足发展和重大突破，然而PEMFC汽车的商业化仍存在一些障碍，如加氢站和催化剂铂的高成本、堆的耐用性等。冷启动能力是低温环境下PEMFC汽车商业化面临的挑战之一。DOE的目标是在-40℃下辅助低温成果和-30℃下无辅助启动成功。

在冰点以下，液态水或水蒸气容易冻结，从而导致从流场通道到反应区的反应物气体通道堵塞，启动失败、衰减。总的来说，结冰带来的问题可分为三类：(1)由于电化学反应缓慢，启动后直接性能快速下降、无法启动；(2)存在由液体向固体相变或体积膨胀、引起不可逆性能衰减，如GDL的电阻率、孔隙率等物理性能以及离子电导率、气体渗透性和机械强度的变化。因此，必须保证在多孔介质的孔容和催化剂表面才能完全被冰占据之前将燃料电池堆温度提高到0℃以上。通过设计合理的停机吹扫和冷启动策略，尽量减少停机后的残水、冷启动时的产冰量、增加发热量以实现电池的快速升温，可以提高PEMFC车辆的冷启动能力。

CN111199110A公开一种燃料电池低温启动性能预测方法及系统：通过建立燃料电池低温启动模型，输入待预测燃料电池的电堆参数、环境参数和工作条件至所述燃料电池低温启动模型中，进而得到待预测燃料电池的低温启动性能和内部状态分布。但该发明是通过仿真计算、需要包括内部几何结构以及各种理化性能等多种参数，其中很多参数是无法获取的，且仿真计算的模型存在着一定的适用限制范围，严重影响了其使用范围。

CN111709149A提供了一种燃料电池冷启动能力评估方法，通过限定燃料电池电堆允许的最大单体电压偏差和阴极计量比，在允许单体电压偏差的条件下得到电堆的发热功率和产水速率，计算出电堆的水伴热值，除以电堆热容即是电堆冷启动能力指数，值越大对应冷启动能力越强。该发明是在低温下对冷启动能力进行评估的一种方法，要求必须有对应的低温设备才能完成，而目前高校或部分厂家、尤其是膜电极厂家不具备这一条件，具有一定局限性。

现阶段国内外对燃料电池电堆冷启动能力的测试或评估，现有技术仍存在较多限制，且针对不同材料的燃料电池无统一的冷启动策略，仅通过电堆的最低启动温度和启动时间来评价其低温启动能力，不同燃料电池之间的冷启动性能可比较性较低。基于现有技术的研究，如何开发一种能够快速准确评估燃料电池电堆的冷启动能力的通用方法，成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速评价燃料电池冷启动能力的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种快速评价燃料电池冷启动能力的方法，包括以下步骤：

S1：取若干燃料电池并预运行，氢腔与空腔保持一定条件；

S2：将燃料电池进行停机或降至怠速电流及以下；

S3：恒温运行燃料电池，分别往燃料电池氢腔和空腔通入气体，控制气体湿度为目标值一段时间至到燃料电池阻抗达到稳定；

S4：重复S1-S3，每次设置不同气体湿度，比较不同湿度下不同燃料电池的阻抗值来评价燃料电池冷启动能力。

进一步地，在S1中，若干燃料电池在同一气体湿度下时，其阻抗值越高，燃料电池冷启动能力越强；若干燃料电池在对应相同气体湿度改变量时，其阻抗值变化幅度越大，燃料电池冷启动能力越强。

考虑到需要将燃料电池内部处于稳点的水平衡状态，接着进行相关测试更为精准，预运行燃料电池。

进一步地，在S1中，预运行时，电流密度为500-800mA/cm

进一步地，在S1中，预运行的时间为0.5-1h。

作为本发明的一种的优选方式，预运行的时间选为0.5h。

预运行结束后可将燃料电池停机即将电流降至0A或者降至怠速电流以下，此时再使用一定湿度、一定气量的气体吹扫燃料电池的氢空两腔。

进一步地，在S2中，所述怠速电流为0.2A/cm

吹扫完后，需改变不同湿度条件进行阻抗值的对比。

进一步地，在S3中，恒温运行燃料电池的温度为60-65℃。

进一步地，在S3中，氢腔通入的气体为氢气、氮气、氦气或其他惰性保护气体。

进一步地，在S3中，空腔通入的气体为空气、氮气、氦气或其他保护气体。

进一步地，在S3中，燃料电池阻抗的频率选择为500-10000Hz。

进一步地，在S3中，选择气体湿度范围覆盖20％～60％，其中选择气体湿度最低值≤20％。

本发明遵循的原理如下：

氢质子交换膜燃料电池内部主要使用Nafion材料，关于膜的阻抗、含水量和相对湿度，存在以下对应关系：

R

σ

λ＝0.300+10.8α-16.0α

式中，α是水蒸气活性，理想气体下可等同于相对湿度；λ是水含量；σ

依据以上方程得出质子膜阻抗值随相对湿度的变化关系：相对湿度＞50％时对应含水量和阻抗值变化不大，目前市场端商用质子膜在该范围内的差异也较小；相对湿度＜50％时，相对湿度越低，含水量越低，对应阻抗值越大。可利用这一特性，来表征不同膜电极或单电池的吹扫难易程度，吹扫越容易对应冷启动能力越强，反之相反。同一操作条件下表现出的吹扫难易程度，可能受以下方面影响：GDL、CL、极板等；因此，可利用较低相对湿度下对应阻抗值作为材料筛选的一种方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明可快速判定不同MEA或极板对应的冷吹扫能力，无需进行零度环境下的试验，节省开发成本和周期；

(2)本发明适用范围广，无需低温设备，可应用于高校、或不具备低温设备的企业等。

附图说明

图1为实施例1中样品1#和样品2#阻抗随相对湿度变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1---两款膜电极(样品1#、2#，选用不同极板流场设计、其它参数一致)对其冷启动能力对比：

(1)样品1#，运行电流密度800mA/cm

(2)样品2#采取同样条件进行测试，运行电流密度800mA/cm

(3)如图1所示为样品1#和样品2#不同燃料电池样品随相对湿度变化曲线，发现相对湿度＞50％时对应含水量和阻抗值变化不大，而样品1#的相对湿度在小于50％的时候，其阻抗明显高于样品2#，可知样品2#具备更高的冷启动能力。

实施例2---两款膜电极(样品3#、4#，选用不同GDL、其它参数一致)冷启动能力对比：

(1)样品3#，运行电流密度500mA/cm

(2)样品4#采取同样条件进行测试，运行电流密度500mA/cm

(3)对比结果可知样品3#具备更高的冷启动能力。

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。