电化学电池退化监测方法和系统与流程

本公开涉及电化学电池(例如燃料电池)退化监测方法和系统。退化监测方法和系统可通过在线分析燃料电池或燃料电池堆的电化学阻抗响应来确定退化状态(例如，燃料电池电极中的催化剂耗尽区域)。

背景技术：

1、交通部门正在探索将质子交换膜燃料电池(pemfc)堆集成到车辆(例如中型和重型车辆)中，以使车辆操作电气化。燃料电池的一个组件是膜电极组装件(mea)。mea包括阴极催化剂层、阳极催化剂层和夹在它们之间的质子交换膜(pem)。实现mea阴极催化剂层的耐久性一直是一个挑战，并且代表了pemfc对于运输应用广泛商业化的障碍。耐久性不足也呈现了主要成本驱动因素。

2、阴极催化剂层可以包括支撑物(例如碳支撑物)上的催化剂材料(例如铂和/或铂基催化剂)和质子传导离聚物。阴极催化剂层可能遭受不同形式的退化(例如，操作期间的负载循环、长期关闭后的空气/空气启动、局部燃料不足事件以及极端环境条件下的操作)。仍然需要表征这些形式的退化以提高阴极催化剂层的耐久性并允许在操作期间确定健康状态。

技术实现思路

1、根据一个实施例，公开了一种电化学电池退化监测方法。该方法包括在电化学电池操作状态期间向电化学电池的电极应用第一和第二偏置电势。该方法还包括在偏置到第一和第二偏置电势的操作状态期间测量电化学电池的电极的阻抗谱。该方法还包括确定在第一和第二偏置电势下阻抗谱的偏差。该方法响应于电化学电池的电极在第一和第二偏置电势下的阻抗谱的偏差来确定电化学电池的电极的退化状态。

2、在另一个实施例中，公开了一种电化学电池退化监测方法。该方法包括：在操作状态期间以第一循环数量向电化学电池的电极应用第一和第二偏置电势；在偏置到第一和第二偏置电势的操作状态期间测量电化学电池的电极的阻抗谱；以及确定在第一和第二偏置电势下阻抗谱的第一特性。该方法还包括：在操作状态期间以第二循环数量向电化学电池的电极应用第一和第二偏置电势；在偏置到第一和第二偏置电势的操作状态期间测量电化学电池的电极的阻抗谱；以及确定在第一和第二偏置电势下阻抗谱的第二特性。该方法还包括响应于第一和第二特性确定电化学电池的电极的退化状态定时。虽然不同偏置电势下的质子电阻率可用于标识偏差(并因此标识退化状态的存在)，但也可使用其他度量(例如，碳腐蚀引起的电容变化)。

3、在又一实施例中，公开了一种电化学电池退化监测系统。该系统包括：电化学电池，该电化学电池包括电极；直流/直流(dc/dc)转换器；以及电化学阻抗谱仪。dc/dc转换器被配置成在电化学电池操作状态期间向电化学电池的电极应用第一和第二偏置电势。电化学阻抗谱仪被配置成在偏置到第一和第二偏置电势的操作状态期间测量电化学电池的电极的阻抗谱。在第一和第二偏置电势下阻抗谱的偏差指示电极的退化状态。

技术特征：

1.一种电化学电池退化监测方法，包括：

2.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中第一和第二偏置电势不同。

3.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中第一和第二偏置电势相同。

4.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中电化学电池是燃料电池。

5.根据权利要求4所述的电化学电池退化监测方法，其中电极是阴极。

6.根据权利要求4所述的电化学电池退化监测方法，其中退化状态是燃料电池的电极中的耗尽催化剂区域。

7.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中电极由支撑物支撑，并且退化状态是支撑物的腐蚀。

8.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中电极包括离聚物，并且退化状态是离聚物的退化。

9.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中测量步骤使用基于电化学阻抗谱(eis)的技术来施行。

10.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中应用步骤使用直流/直流(dc/dc)转换器来施行。

11.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中应用步骤包括向电化学电池发送第一和第二交流(ac)信号，第一和第二ac信号分别表示第一和第二偏置电势。

12.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中电极的质子电阻是指示电极的穿过平面的质子运输的质子片电阻。

13.根据权利要求12所述的电化学电池退化监测方法，其中第一确定步骤包括根据电极的转变线模型确定与阻抗谱中四十五度(45°)区段的偏差。

14.根据权利要求13所述的电化学电池退化监测方法，其中转变线模型包括在电极的寿命开始状态时均匀分布在电极的穿过平面质子运输中的电阻贡献。

15.根据权利要求14所述的电化学电池退化监测方法，其中偏差是相对于电极寿命开始状态时的质子片电阻的变化。

16.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中第一电势为0.3v至0.65v，并且第二电势低于0.3v或高于0.65v。

17.根据权利要求1所述的电化学电池退化监测方法，其中操作状态是一个或多个维护循环和/或一个或多个正常操作循环。

18.一种电化学电池退化监测方法，包括：

19.根据权利要求18所述的电化学电池退化监测方法，其中第二循环数量大于第一循环数量。

20.一种电化学电池退化监测系统，包括：

21.根据权利要求20所述的电化学电池退化监测系统，其中电化学电池是燃料电池，并且退化状态是燃料电池的电极中的耗尽催化剂区域。

22.根据权利要求20所述的电化学电池退化监测系统，其中电化学电池是电解槽，并且退化状态是电解槽的电极中的耗尽催化剂区域。

技术总结提供了电化学电池退化监测方法和系统。一种电化学电池退化监测方法。该方法包括在电化学电池操作状态期间向电化学电池的电极应用第一和第二偏置电势。该方法还包括在偏置到第一和第二偏置电势的操作状态期间测量电化学电池的电极的阻抗谱。该方法还包括确定在第一和第二偏置电势下阻抗谱的偏差。该方法响应于电化学电池的电极在第一和第二偏置电势下阻抗谱的偏差来确定电化学电池的电极的退化状态。技术研发人员：S·梅拉齐,B·斯图迈尔,J·布拉滕,程磊,N·克莱格,C·约翰斯顿受保护的技术使用者：罗伯特·博世有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/12