一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法

本发明属于燃料电池，特别是涉及一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池具有高效率、低污染、运行温度低等优点，因此受到了广泛关注。然而，质子交换膜燃料电池耐久性和成本问题一直以来制约了其商业化发展，为此，研究燃料电池衰退机理以延缓其老化进程十分必要。

2、目前大多针对燃料电池关键部件老化开展研究，并从实验数据和机理模型出发探索影响燃料电池关键部件的主要参数及其影响因素，从而采取有效措施延长电池运行寿命。然而，在对催化层的衰退机理研究中，关键参数对获取催化层的衰退现象具有重要作用，通过关键参数能够有效预估阴极催化层衰退。

3、现有燃料电池衰退评估方法中极少考虑了传输系数的变化，且阴极和阳极传输系数之间的关系模糊不清。现有技术在阴极动力学参数的获取方面，尚未同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的影响，在某些情况下，拟合误差不可忽略；此外，在tafel方程基础上，尽管可通过实验设备测量泄漏电流密度减小一定的拟合误差，但一般只能测量整个电堆，且增加了额外的时间和成本。

4、为获取燃料电池化学反应动力学参数(主要是阴极)，传统方法多通过极化曲线方程直接拟合或者tafel拟合。就前者而言，极化曲线方程涉及的未知参数较多，直接拟合得到的结果准确性难以保障。而对于后者，在低电流密度区进行线性拟合，虽能规避前者不足，得到较为准确的动力学参数，但是忽略了泄漏电流密度和阳极活化损耗的影响。实验数据表明在燃料电池运行后期，泄漏电流密度和阳极活化损耗均有所增加，此时该方法得到的参数值与实际值偏差较大并可能致使科研人员得出错误的结论。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，基于燃料电池机理衰退模型，在考虑到传输系数变化的情况下，通过建立更为准确的阴极动力学参数计算模型，完成阴极催化层衰退预估。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种对于燃料电池的阴极催化层衰退预估方法，包括步骤：

3、s10,建立基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型；

4、s20,基于所建立的基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型，建立同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型；

5、s30,基于极化曲线数据，利用所建立的同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型得到阴极动力学参数；

6、s40,基于阴极动力学参数预估阴极催化层衰退进程。

7、进一步的是，建立考虑泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型，包括步骤：

8、s101,基于动力学和热力学原理，得到单片燃料电池输出电压函数；

9、s102,根据单片燃料电池输出电压函数进行求导得到预估参数在低电流密度区的线性关系；

10、s103,基于获得的线性关系，对燃料电池极化曲线测量数据，在低电流密度区采用直线拟合的方式得到阴极传输系数和泄漏电流密度。

11、进一步的是，利用可逆电压、阳极和阴极活化损耗、欧姆损耗、阳极和阴极质量传输损耗计算获得单片燃料电池输出电压函数；

12、单片燃料电池输出电压函数为：

13、u＝erev-ηact,a-ηact,c-ηohm-ηmt,a-ηmt,c；

14、式中，erev为可逆电压，ηact,a为阳极活化损耗，ηact,c为阴极活化损耗，ηohm为欧姆损耗，ηmt,a为阳极质量传输损耗、ηmt,c为阴极质量传输损耗。

15、进一步的是，所述可逆电压由氢气和氧气反应的吉布斯自由能决定，受反应物压力、反应温度影响，计算公式为：

16、

17、式中，和t分别表示反应界面氢气分压、氧气分压和温度。

18、进一步的是，所述阳极活化损耗为：

19、

20、所述阴极活化损耗为：

21、

22、式中，r为气体常数，t为温度，f为法拉第常数，j是电流密度，jloss是泄漏电流密度，αa、αc分别为阳极和阴极传输系数，j0,a、j0,c分别为阳极和阴极交换电流密度。

23、进一步的是，根据单片燃料电池输出电压函数进行求导得到预估参数在低电流密度区的线性关系；

24、

25、其中p，k，b三个线性关系参数，且k，b能够表示线性关系中直线的斜率和截距。

26、进一步的是，基于获得的线性关系，对燃料电池极化曲线测量数据，在低电流密度区采用直线拟合的方式得到第一组泄漏电流密度和阴极传输系数；

27、

28、若不考虑阳极活化损耗得到第二组泄漏电流密度和阴极传输系数：

29、

30、进一步的是，在建立基于泄漏电流密度的阴极动力学参数计算模型的基础上引入阳极活化损耗，建立同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型，包括步骤：

31、建立电堆阳极和阴极传输系数近似函数关系：

32、αa＝-1.7969+16.4173αc-25.2235αc2；

33、将获得的电堆阳极和阴极传输系数近似函数关系，带入第一组阴极传输系数公式中，得到阴极传输系数值。

34、进一步的是，基于极化曲线数据，利用所建立的同时考虑泄漏电流密度和阳极活化损耗的阴极动力学参数计算模型得到阴极动力学参数，包括步骤：

35、获取极化曲线数据，判断在低电流密度区电流步长是否≤0.01a/cm2，小于则进行下一步，否则利用传统方法进行极化曲线拟合；

36、将极化曲线数据，基于预估参数在低电流密度区的线性关系进行直线拟合，得到k和b；

37、判断是否考虑阳极活化损失，若是，则利用第一组泄漏电流密度和阴极传输系数计算公式和电堆阳极和阴极传输系数近似函数关系，获得泄漏电流密度和阴极传输系数；若否则利用第二组泄漏电流密度和阴极传输系数计算公式，获得泄漏电流密度和阴极传输系数；

38、由泄漏电流密度和阴极传输系数作为阴极动力学参数，回代极化曲线可获得其他参数。

39、进一步的是，利用泄漏电流密度和阴极传输系数作为阴极动力学参数，预估阴极催化层衰退进程包括：

40、先拟合得到阴极传输系数随时间的变化函数，再根据阴极传输系数的下降百分比评价阴极催化层的衰退率，若阴极传输系数值下降50％，则可认为催化层发生了严重衰退；若其值在70％以上，其衰退是可逆的；

41、而对于泄漏电流密度，通过分段拟合得到其随时间变化的函数，考虑到泄漏电流密度和质子交换膜氢气渗透速率正相关，通过泄露电流密度评估质子交换膜衰退进程，在泄漏电流密度激增时，则说明质子交换膜发生了明显衰退，且为不可逆衰退，燃料电池寿命即将终结。

42、采用本技术方案的有益效果：

43、现有技术未考虑到泄漏电流密度和阳极活化损耗的影响，因此其所得参数在某些情况下会产生较为严重的偏差，而通过本发明技术能够得到更为准确的阴极动力学参数(即使忽略阳极活化损耗也能得到准确的泄漏电流密度)，从而更精准地分析其影响因素和评估催化层衰退进程，为提高燃料电池耐久性提供有效建议。

44、本发明考虑阳极活化损耗的影响，建立燃料电池阳极和阴极传输系数函数关系，基于此可进一步探索燃料电池动力学反应机理，这是现有技术并未深入进行研究及探讨的内容。