CN103199283A - 燃料电池系统的检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池系统的检测方法和装置，其中，该方法包括：降低燃料电池系统中反应气的化学计量比；根据电池堆中一个或多个节电池的在降低上述化学计量比的情况下的电压偏差来判断上述电池堆中的节电池是否出现性能异常以及评估电池堆整体的性能状况，并通过调节反应气化学计量比控制范围、反应气流量等参数预防电池堆及节电池的故障发生，提高电池寿命。本发明解决了相关技术中电池堆当前健康状况难以有效评估而导致的无法预估可能的电池堆故障并采取有效补救措施，造成电池堆性能和寿命下降的技术问题，达到了实现燃料电池堆在工作过程中的自检测，并评估电池堆及节电池健康状况的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统的检测方法和装置。
背景技术
燃料电池是一种使用环境友好、高效、长寿命的发电装置。下面以质子交换膜燃料电池（简称为PEMFC）为例来说明书燃料电池的工作原理：燃料气体从阳极侧进入，燃料气体中的氢原子在阳极侧失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极。在阴极质子和电子与氧气结合生成水，从而产生电能。由上述分析可知，燃料电池采用的是非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制采用燃料电池直接发电，发电效率可高达45%。以电池堆为核心的发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站到移动式电源，从电动汽车到航天飞船，从军用装备到民用产品都有着广泛的应用。
在实际应用中，燃料电池的电池堆在运行的过程中会出现以下情况的性能衰减：
1）在低化学计量比的反应气输入条件下，节电池电压输出的不一致性会增加。由于电池堆内部，每节单电池的膜电极的制备工艺不一定是相同的，这也就导致了在电池堆性能衰减的情况下，不同节电池的衰减程度是不同的；进一步的，流场的加工精度也是不一致的，流场设计存在一定的缺陷，从而导致每节单电池获得的反应气流量的分布是不均匀的。在低化学计量比的反应气输入条件下，反应气流量分布的不均匀性将被放大，从而导致节电池电压输出的不一致性增加。在电池堆性能衰减的过程中，性能较差的节电池衰减速度会越来越快，由于衰减较快的节点池需要达到与其它节电池同样的电流强度，从而就导致了恶性循环，导致节电池之间的性能差异逐渐增加。
2）电池堆中各节电池的整体输出性能也会衰减。这主要是由于长期运行以及反复开关机，造成膜电极性能的衰减，其中，主要包括：催化剂与碳载体的腐蚀以及膜材料的性能衰减等。
因此，在电池堆的运行过程中，实时监测和判断电池堆的健康状况，并及时确定出时哪些节电池出现了严重的性能衰减，从而合理地调整电池堆的运行条件，从而减缓电池堆的衰减速度，延长电池堆寿命就显得尤为重要。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种燃料电池系统的检测方法和装置，以至少解决相关技术中电池堆当前健康状况难以有效评估而导致的无法预估可能的电池堆故障并采取有效补救措施，造成电池堆性能和寿命下降的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统的检测方法，包括：降低燃料电池系统中反应气的化学计量比；根据电池堆中一个或多个节电池的在降低所述化学计量比的情况下的电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常。
优选地，根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常包括：将所述电池堆中电压偏差大于电压偏差阈值的节电池作为性能异常的节电池。
优选地，降低所述化学计量比包括：在所述电池堆对外功率输出恒定且燃料电池系统的附属部件（Balance of Plant，简称为BOP，包括反应气体输送所需要的泵等动力部件）的反应气供应恒定的情况下，增加所述电池堆的功率输出。
优选地，在根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常之后，上述方法还包括：确定所述电池堆中各个节电池的电压均方差；根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能；其中，所述
其中，n是所述电池堆中节电池的数量，i表示节电池的编号，△Vi表示第i个节电池的电压偏差。
优选地，根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能包括：如果所述节电池的电压均方差大于均方差阈值，则确定出所述电池堆的性能异常。
优选地，根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能包括：以化学计量比的倒数作为横坐标，以节电池的电压均方差作为纵坐标绘制初始标准均方差曲线和改变化学计量比后的电池电压均方差曲线；对所述初始标准均方差曲线和所述改变化学计量比后的电池电压均方差曲线进行比较，确定出所述电池堆的健康程度和/或反馈对所述电池堆进行调整的参数。
优选地，对所述初始标准均方差曲线和所述化学计量比下的电池电压均方差曲线进行比较，确定出所述电池堆的健康程度/或反馈对所述电池堆进行调整的参数包括：将所述初始标准均方差曲线中从开始出现节电池电压均方差到节电池电压均方差达到所述均方差阈值时对应的曲线作为第一曲线；将所述改变化学计量比后的电池电压均方差曲线中从开始出现节电池电压均方差到节电池电压均方差达到所述均方差阈值时对应的曲线作为第二曲线；确定所述第一曲线、所述第二曲线和所述均方差阈值对应的直线这三条线所围成的区域的面积；根据确定出的所述面积确定所述电池堆的健康程度和/或反馈所述第二曲线和所述直线的交点所对应的横坐标，其中，反馈的所述横坐标用于调整所述化学计量比的操作范围。
优选地，在根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常之后，上述方法还包括；获取所述电池堆中各个节电池的初始平均电压和在运行预定时间后的平均电压；根据所述初始平均电压和所述欲行预定时间后的平均电压之间的差值调整反应气的流量输入。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种燃料电池系统的检测装置，包括：调整单元，用于降低燃料电池系统中反应气的化学计量比；第一判断单元，用于根据电池堆中一个或多个节电池的在降低所述化学计量比的情况下的电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常。
优选地，上述装置还包括：确定单元，用于在所述第一判断根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常之后，确定所述电池堆中各个节电池的电压均方差；第二判断单元，用于根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能；其中，所述
其中，n是所述电池堆中节电池的数量，i表示节电池的编号，△Vi表示第i个节电池的电压偏差。
在本发明实施例中，通过降低燃料电池系统中反应气的化学计量比来使得电池堆内节电池的性能差异被放大，从而根据放大的节电池的性能差异来确定是否存在性能异常的节电池，以及评估电池堆整体的性能状况，并通过调节反应气化学计量比控制范围、反应气流量等参数预防电池堆及节电池故障发生实现了对电池堆的有效检测，提高了电池寿命。本发明解决了相关技术中电池堆当前健康状况难以有效评估而导致的无法预估可能的电池堆故障并采取有效补救措施，造成电池堆性能和寿命下降的技术问题，达到了实现燃料电池堆在工作过程中的自检测，并评估电池堆及节电池健康状况的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的一种优选示意图；
图2是根据本发明实施例的燃料电池系统的检测方法的一种优选流程图；
图3是根据本发明实施例的燃料电池系统的检测方法的另一种优选流程图；
图4是根据本发明实施例的燃料电池系统的检测装置的一种优选结构框图；
图5是根据本发明实施例的燃料电池系统的检测装置的另一种优选结构框图；
图6是根据本发明实施例的燃料电池系统的检测方法的另一种优选流程图；
图7是根据本发明实施例的燃料电池系统的健康状况的曲线示意图；
图8是根据本发明实施例的燃料电池系统在运行一定时间后的电压下降的曲线示意图；
图9是根据本发明实施例的燃料电池系统的健康状况的检测的整体流程示意图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明实施例中提供了一种优选的燃料电池系统的示意图，如图1所示，其中，（a）表示燃料电池对负载供电，（b）表示储能单元对负载供电，（c）表示燃料电池堆对储能单元充电，（d）表示储能单元对BOP供电，（e）表示燃料电池堆对BOP供电，（f）表示BOP对燃料电池的反应气供给。
基于上述的优选的燃料电池系统，本发明实施例还提供了一种优选的燃料电池系统的检测方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S202：降低燃料电池系统中反应气的化学计量比；
步骤S204：根据电池堆中一个或多个节电池的在降低所述化学计量比的情况下的电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常。
在上述优选实施方式中，通过降低燃料电池系统中反应气的化学计量比来使得电池堆内节电池的性能差异被放大，从而根据放大的节电池的性能差异来确定是否存在性能异常的节电池，实现了对节电池的有效检测。通过上述方式有效解决了相关技术中电池堆当前健康状况难以有效评估而导致的无法预估可能的电池堆故障并采取有效补救措施，造成电池堆性能和寿命下降的技术问题，达到了实现燃料电池堆在工作过程中的自检测，并评估电池堆及节电池健康状况的技术效果。
优选地，在上述步骤S204中，根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常可以是将电池堆中电压偏差大于电压偏差阈值的节电池作为性能异常的节电池。即，预先设定一个电压偏差阈值（例如：A），如果测得的某一个或多个节电池的电压偏差大于A，则可以确定为该一个或多个节电池性能出现异常。
本发明实施例还提供了一种优选的降低所述化学计量比的方式，即保持电池堆对外功率输出恒定且BOP的反应气供应恒定，然后，增加电池堆的功率输出，从而达到降低化学计量比的目的。
在本发明实施例所提供的方式中，不仅可以检测一个或多个节电池的性能，还可以检测电池堆的整体性能，从而实现对整个电池堆性能的保护。在一个优选实施方式中，在根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常之后，上述方法还包括：确定所述电池堆中各个节电池的电压均方差；根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能，如果所述节电池的电压均方差M大于均方差阈值（例如B），则确定出所述电池堆的性能异常；
其中，
其中，n是所述电池堆中节电池的数量，i表示节电池的编号，△Vi表示第i个节电池的电压偏差。
即，通过计算电池堆中各个节电池的电压均方差最终确定电池堆的性能，例如可以预先设定一个电压均方差阈值B，如果M大于B，则可以确定电池堆性能异常。
优选地，可以通过会自豪电压均方差曲线，通过绘制的不同化学计量比情况下的节电池的均方差曲线和初始的标准曲线进行比较，通过曲线之间的偏差来确定电池堆的健康程度，并反馈相应的信息以实现对电池堆的合理控制。在一个优选实施方式，如图3所示，根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能包括以下步骤：
步骤S302：以化学计量比的倒数作为横坐标，以节电池的电压均方差作为纵坐标绘制初始标准均方差曲线和改变化学计量比后的电池电压均方差曲线；
步骤S304：对所述初始标准均方差曲线和所述改变化学计量比后的电池电压均方差曲线进行比较，确定出所述电池堆的健康程度和/或反馈对所述电池堆进行调整的参数。
在上述步骤S304中，可以按照以下方式进行：将所述初始标准均方差曲线中从开始出现节电池电压均方差到节电池电压均方差达到所述均方差阈值B时对应的曲线作为第一曲线；将所述改变化学计量比后的电池电压均方差曲线中从开始出现节电池电压均方差到节电池电压均方差达到所述均方差阈值B时对应的曲线作为第二曲线；确定所述第一曲线、所述第二曲线和所述均方差阈值对应的直线这三条线所围成的区域的面积；根据确定出的所述面积确定所述电池堆的健康程度和/或反馈所述第二曲线和所述直线的交点所对应的横坐标，其中，反馈的所述横坐标用于调整所述化学计量比的操作范围。
即，通过变化化学计量比后得到的电压均方曲线和初始的电压均方曲线进行比较，确定两者之间的面积，然后根据两者之间的面积来确定电池堆的异常程度，并进一步反馈曲线上的参数值，以便于重新确定或者调整化学计量比的操作范围。
优选地，还可以根据欲行预定时间后的各个节电池的平均电压和初始时的平均电压之间的差值来确定电池的性能。在一个优选实施方式中，在根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常之后，上述方法还包括；获取所述电池堆中各个节电池的初始平均电压和在运行预定时间后的平均电压；根据所述初始平均电压和所述欲行预定时间后的平均电压之间的差值调整反应气的流量输入。例如，用V0表示初始节电池平均电压，V0(t)表示在运行时间t之后的节电池平均电压，△V0(t)表示运行时间t之后的节电池平均电压与初始节电池平均电压之差。通过△V0(t)来表征电池堆整体性能衰减程度，从而将其作为电池堆健康程度的一个参考条件。
在本实施例中还提供了一种燃料电池系统的检测装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图4是根据本发明实施例的燃料电池系统的检测装置的一种优选结构框图，如图4所示，包括：调整单元402和第一判断单元404，下面对该结构进行说明。
调整单元402，用于降低燃料电池系统中反应气的化学计量比；
第一判断单元404，与调整单元402耦合，用于根据电池堆中一个或多个节电池的在降低所述化学计量比的情况下的电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常。
在一个优选实施方式中，如图5所示，上述装置还包括：确定单元502，与第一判断单元404耦合，用于在所述第一判断根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常之后，确定所述电池堆中各个节电池的电压均方差；第二判断单元504，与确定单元502耦合，用于根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能；其中，所述
其中，n是所述电池堆中节电池的数量，i表示节电池的编号，△Vi表示第i个节电池的电压偏差。
在上述各个优选实施方式中，通过燃料电池系统的自检测控制逻辑设计以及与储能单元的耦合操作，实现燃料电池堆在工作过程中的自检测，并评估电池堆及节电池的健康状况，并反馈优化操作条件。
结合上述各个优选实施方式，本发明实施例还给出了几个具体的实施方式以便对本发明进行进一步解释说明：
优选实施方式1
在本优选实施方式中，主要是保证对外功率输出恒定且BOP反应气供应恒定的情况下，通过增加燃料电池堆的功率输出，来检测燃料电池堆的健康状况。其中，燃料电池堆功率输出增加的部分提供给储能单元充电（如图1中的c所示）；如图6所示，增加燃料电池堆的功率输出，即增加燃料电池堆的电流，由于BOP反应气供应恒定，从而导致反应气的化学计量比下降。化学计量比S=实际输入的反应气摩尔数/理论所需的反应气摩尔数。在低化学计量比反应气的输入条件下，电池堆内节电池的性能差异被放大。在反应气化学计量比为S0的情况下：
通过测试节电池电压Vi与平均节电池电压V0之间的差值△Vi（其中i为节电池编号），来判断节电池的性能偏差，如果节电池电压偏差△Vi大于设定值A，则提示系统节电池i性能出现异常；
通过节电池电压均方差M，来判断电池堆的性能，如果节电池电压均方差M大于设定值B，则提示系统电池堆性能出现异常，其中，节电池电压均方差
其中，n为节电池数量，i为节电池编号，△Vi为节电池电压偏差。
优选实施方式2
与上述优选实施方式1相比，在本优选实施中，通过分析不同化学计量比情况下的节电池电压均方差曲线，并与初始标准曲线进行比较，通过曲线之间的偏差来标定电池堆的健康程度，并反馈优化电池堆的操作条件。
在保证对外功率输出恒定且BOP反应气供应恒定的情况下，通过增加燃料电池堆的功率输出，改变反应气输入的化学计量比，并实时监测节电池的电压均方差。
如图7所示，横轴R=1/S，即化学计量比的倒数；纵轴M为节电池电压均方差；B为设定的节电池电压均方差警示线（即上述的电压均方差阈值）；曲线1为电池堆初始测定的M-R曲线，当R=X1时开始出现明显的节电池电压均方差，当R=X2时节电池电压均方差达到警示线B；曲线2为电池堆经历性能衰减后，运行过程中测定的M-R曲线，当R=Y1时开始出现明显的节电池电压均方差，当R=Y2时节电池电压均方差达到警示线B；△S为曲线1与曲线2之间的面积，即阴影部分面积，通过△S的大小来标定电池堆的健康程度，并通过Y2的值来反馈确定电池堆操作过程中反应气化学计量比下限，即R<Y2，即S>1/Y2。
优选实施方式3
与上述优选实施方式2相比，在本优选实施中，在评价电池堆健康状况的时候，不仅考虑电池堆内部各节电池之间的性能差异，而且考虑电池堆各节电池整体输出的衰减。
如图8所示，V0为初始节电池平均电压，V0(t)为运行t时间之后的各节电池的平均电压，△V0(t)为运行t时间之后的各节电池平均电压与初始各节电池的平均电压之间的差值。
如图9所示，燃料电池性能的自检测，通过对△V0(t)与△S的检测（即，节电池平均电压衰减与节电池电压均方差变化），来评价电池堆的健康程度，△V0(t)表征电池堆整体性能衰减程度，而△S表征电池堆内部节电池性能的不均一性；并分别通过△V0(t)与△S的值，反馈修正反应气体的流量输入曲线与反应气体的化学计量比操作范围，从而减缓电池堆的性能衰减，提高电池堆的寿命。
在另外一个实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。
从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：通过降低燃料电池系统中反应气的化学计量比来使得电池堆内节电池的性能差异被放大，从而根据放大的节电池的性能差异来确定是否存在性能异常的节电池以及评估电池堆整体的性能状况，并通过调节反应气化学计量比控制范围、反应气流量等参数预防电池堆及节电池故障发生实现了对电池堆的有效检测，提高了电池寿命。本发明解决了相关技术中电池堆当前健康状况难以有效评估而导致的无法预估可能的电池堆故障并采取有效补救措施，造成电池堆性能和寿命下降的技术问题，达到了实现燃料电池堆在工作过程中的自检测，并评估电池堆及节电池健康状况的技术效果。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池系统的检测方法，其特征在于，包括：
降低燃料电池系统中反应气的化学计量比；
根据电池堆中一个或多个节电池的在降低所述化学计量比的情况下的电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常包括：
将所述电池堆中电压偏差大于电压偏差阈值的节电池作为性能异常的节电池。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，降低所述化学计量比包括：
在所述电池堆对外功率输出恒定且燃料电池系统的附属部件BOP的反应气供应恒定的情况下，增加所述电池堆的功率输出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常之后，所述方法还包括：
确定所述电池堆中各个节电池的电压均方差；
根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能；
其中，所述
其中，n是所述电池堆中节电池的数量，i表示节电池的编号，△Vi表示第i个节电池的电压偏差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能包括：
如果所述节电池的电压均方差大于均方差阈值，则确定出所述电池堆的性能异常。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能包括：
以化学计量比的倒数作为横坐标，以节电池的电压均方差作为纵坐标绘制初始标准均方差曲线和改变化学计量比后的电池电压均方差曲线；
对所述初始标准均方差曲线和所述改变化学计量比后的电池电压均方差曲线进行比较，确定出所述电池堆的健康程度和/或反馈对所述电池堆进行调整的参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述初始标准均方差曲线和所述化学计量比下的电池电压均方差曲线进行比较，确定出所述电池堆的健康程度/或反馈对所述电池堆进行调整的参数包括：
将所述初始标准均方差曲线中从开始出现节电池电压均方差到节电池电压均方差达到所述均方差阈值时对应的曲线作为第一曲线；
将所述改变化学计量比后的电池电压均方差曲线中从开始出现节电池电压均方差到节电池电压均方差达到所述均方差阈值时对应的曲线作为第二曲线；
确定所述第一曲线、所述第二曲线和所述均方差阈值对应的直线这三条线所围成的区域的面积；
根据确定出的所述面积确定所述电池堆的健康程度和/或反馈所述第二曲线和所述直线的交点所对应的横坐标，其中，反馈的所述横坐标用于调整所述化学计量比的操作范围。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常之后，所述方法还包括；
获取所述电池堆中各个节电池的初始平均电压和在运行预定时间后的平均电压；
根据所述初始平均电压和所述欲行预定时间后的平均电压之间的差值调整反应气的流量输入。
9.一种燃料电池系统的检测装置，其特征在于，包括：
调整单元，用于降低燃料电池系统中反应气的化学计量比；
第一判断单元，用于根据电池堆中一个或多个节电池的在降低所述化学计量比的情况下的电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：
确定单元，用于在所述第一判断根据所述电压偏差来判断所述电池堆中的节电池是否出现性能异常之后，确定所述电池堆中各个节电池的电压均方差；
第二判断单元，用于根据所述电压均方差判断所述电池堆的性能；
其中，所述其中，n是所述电池堆中节电池的数量，i表示节电池的编号，△Vi表示第i个节电池的电压偏差。
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