[發(fā)明專利]燃料電池電壓衰減快速測(cè)量方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710176444.0
• 申請(qǐng)日: 2007-10-29
• 公開（公告）號(hào): CN101144850A
• 公開（公告）日: 2008-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仝猛;楊福源;王瑛;黃海燕;盧蘭光;裴普成;歐陽明高
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R31/36
• 分類號(hào): G01R31/36;G01R19/00;H01M8/04
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 李光松

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于清潔能源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及關(guān)于質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性、壽命評(píng)價(jià)技術(shù)以及燃料電池的優(yōu)化控制和管理的一種燃料電池電壓衰減快速測(cè)量方法及裝置。

背景技術(shù)

實(shí)際應(yīng)用中，燃料電池產(chǎn)品通常是需要將多個(gè)單片燃料電池單元串聯(lián)起來，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為多個(gè)單片層疊裝配成為一個(gè)整體，稱為電堆(fuel?cell?stack)，單片通常串聯(lián)起來，共用一套燃料入口出口及冷卻水入口出口。電堆的輸出電流從電堆兩端的單片引出。電堆的電壓則等于串聯(lián)的各個(gè)單片電壓之和。

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)及可靠性等理論可知，通常多個(gè)樣本的統(tǒng)計(jì)量更接近真實(shí)的總體分布情況。在對(duì)某種類型或者批次燃料電池的耐久性測(cè)試中，也就是說需要對(duì)多個(gè)燃料電池樣本，通常也就是多個(gè)電堆，進(jìn)行試驗(yàn)，才可得到具有一定置信度的此類型或批次燃料電池耐久性評(píng)價(jià)結(jié)論。

基于常規(guī)的燃料電池試驗(yàn)臺(tái)，多個(gè)樣本的試驗(yàn)，可以有兩種做法：要么對(duì)于多個(gè)樣本逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試；要么多個(gè)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)多個(gè)電堆樣本同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。前者測(cè)試周期拖得很長(zhǎng)；后者需要多個(gè)燃料電池試驗(yàn)臺(tái)，需要給每個(gè)樣本配備相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)、負(fù)載控制系統(tǒng)等模塊，成本很高。

典型的燃料電池的可靠性、耐久性/壽命試驗(yàn)，具有如下特點(diǎn)：

破壞性試驗(yàn)，多個(gè)樣本的破壞，需要的成本很高；

試驗(yàn)周期很長(zhǎng)，特別是隨著技術(shù)的進(jìn)步，總是希望把耐久性和壽命做得更長(zhǎng)、可靠性做得更高，同樣試驗(yàn)條件下，這樣破壞試驗(yàn)的周期也就越來越長(zhǎng)。

長(zhǎng)時(shí)間的破壞性試驗(yàn)中，試驗(yàn)系統(tǒng)的損耗、實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)的燃料和電力等非常多。對(duì)于清華大學(xué)引進(jìn)的加拿大GreenLight燃料電池試驗(yàn)系統(tǒng)配備5kW燃料電池，目前每天4～8小時(shí)試驗(yàn)燃料和材料費(fèi)用需要300～500元，100小時(shí)的試驗(yàn)材料費(fèi)好幾千元。目前燃料電池壽命則可達(dá)到幾千到幾萬小時(shí)。整個(gè)試驗(yàn)周期的花費(fèi)會(huì)非常高昂。

綜上所述，在短時(shí)間內(nèi)完成燃料電池的可靠性、耐久性或壽命試驗(yàn)等工作，對(duì)于燃料電池的開發(fā)、使用、在線優(yōu)化控制管理、故障診斷等工作具有重要意義。研究并改進(jìn)試驗(yàn)測(cè)試方法，新的試驗(yàn)裝置就很有必要，本發(fā)明目的就是為燃料電池的快速測(cè)試和評(píng)價(jià)提供新的方法，也可用于其它類型電池的快速測(cè)試。

為了評(píng)價(jià)燃料電池的耐久性，可以通過燃料電池輸出電壓的衰減來推斷。燃料電池隨著時(shí)間，輸出能力會(huì)降低，表現(xiàn)在，給定的負(fù)載電流和工作條件下，電壓會(huì)隨著工作時(shí)間而慢慢降低，或者在給定的電壓下，輸出電流的能力會(huì)降低，也就是輸出功率降低，同時(shí)效率也在降低，當(dāng)輸出能力降低到一定程度的時(shí)候，提供的電力將無法驅(qū)動(dòng)負(fù)載正常工作，或者效率降低使得經(jīng)濟(jì)性變得不劃算了，或者故障頻發(fā)，維修不劃算，并帶來安全性問題。這個(gè)時(shí)候，就認(rèn)為燃料電池該壽終正寢了。這樣評(píng)價(jià)燃料電池的正常工作時(shí)間或者耐用程度的指標(biāo)，稱為耐久性或者壽命?？梢?，通過檢測(cè)燃料電池輸出電壓的變化，可以來判斷評(píng)價(jià)燃料電池的耐久性和壽命。

燃料電池電壓測(cè)量方面，傅明竹、胡里清先生的專利CN1480741中，設(shè)計(jì)了一種燃料電池各單電池工作電壓監(jiān)控與安全報(bào)警的裝置，采用單片機(jī)控制開關(guān)巡回選通將某一個(gè)需監(jiān)控的單電池電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器，直接進(jìn)行采集。

加拿大N·A·弗里曼；S·馬西；R·B·戈帕爾先生的專利CN1643390中，測(cè)量燃料電池電壓的方法是采用差分放大器直接跨接在電化學(xué)裝置的電池之間的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的多個(gè)輸入端，用來產(chǎn)生指示測(cè)量電壓的電壓信號(hào)。

王立明；付明竹；葛栩栩；胡里清等專利CN1841080中，將若干差分放大器與需要監(jiān)測(cè)的單電池一一對(duì)應(yīng)連接，每個(gè)單片用一個(gè)差分放大器測(cè)量電壓，累加單片電壓則可得到燃料電池電堆的總電壓。

清華大學(xué)方成、許家群、李建秋、歐陽明高等發(fā)明的一種車用燃料電池堆單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，采用方法是電阻分壓電路的輸入端分別與被測(cè)的燃料電池堆各單電池連接，其輸出端連接至多路開關(guān)電路的輸入端；差分運(yùn)放與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端與多路開關(guān)電路的輸出相連接。李中；劉蒙；盧蘭光；李建秋；歐陽明高等發(fā)明的另一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，采用光耦選通電路分別選通各單片電池兩端的電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)單片電池電壓的直接測(cè)量，并解決電勢(shì)積累的問題，采用64個(gè)雙通道光耦隔離繼電器作為選通元件，共選通124個(gè)單片電壓；隔離電路用于燃料電池信號(hào)選通電路與單片機(jī)信號(hào)處理電路之間的隔離，防止燃料電池的電環(huán)境對(duì)單片機(jī)電路的干擾。