CN108172870A - 一种用于燃料电池的缺气检测装置及缺气检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于燃料电池的缺气检测装置及缺气检测方法，装置包括电压巡检系统以及与电压巡检系统电连接的控制器，电压巡检系统分别与每个燃料电池单体的阳极进气端、阴极进气端电连接；检测时，利用电压巡检系统分别检测每个燃料电池单体的阳极进气端、阴极进气端的电压，并计算每个燃料电池单体的阳极进气端与阴极进气端的电压差，即可根据电压差判断缺气故障类型。与现有技术相比，本发明利用电压巡检系统采集每一个燃料电池单体两端的电压，通过对电压信号进行分析，监控燃料电池的工作状态，不仅能够及时检测出缺气故障的发生位置，还能够准确判断出阳极缺气或阴极缺气，简便快捷，可靠性好。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种用于燃料电池的缺气检测装置及缺气检测方法。
背景技术
随着资源问题与环境问题的日益严峻，氢燃料电池凭借其效率高、无污染的优良特性，受到各界的广泛关注。
燃料电池本体在使用时，通常都需要一套相应的辅助系统。燃料电池本体与其相应的辅助系统共同组成的系统称为燃料电池动力系统。燃料电池动力系统除了燃料电池本体外，还包括氢气系统、空气系统、冷却系统和功率输出系统等附件系统。其中，氢气系统是为燃料电池本体中的电堆提供氢气，并根据运行工况调节进入电堆的氢气压力、湿度和流量等；空气系统是为电堆提供适量的氧化剂(空气或氧气)，并根据工况调节进入电堆的氧化剂的温度、压力和流量等；冷却系统能够使电堆温度保持合适水平，进而保证电堆的稳定可靠工作；功率输出系统则是通过电力电子装置来调节电堆的输出电压和电流的大小和变化速率。
对于氢燃料电池系统，反应所需要的气体一般为空气和氢气，无论哪一种气体供应不足，都会对电堆性能造成显著的影响，甚至会导致严重的腐蚀现象发生。对于由多个燃料电池单体组成的燃料电池电堆，由于单体间的状态差别，很容易导致某一片单体发生水淹缺气现象。为了提高燃料电池的使用寿命，需要及时检测到缺气故障的发生，并准确判断缺气故障是属于阳极缺气还是阴极缺气。
对于典型的氢-空型燃料电池来说，一般的燃料电池动力系统对每一个燃料电池单体只有一个电压采集信号，而氢气缺气或空气缺气都会导致单片电压的下降，因此，现有的技术手段仅能识别出发生缺气的单体，却无法直接判断出该单体是阳极缺气还是阴极缺气。如果贸然改变空气、氢气的供气量，或者改变输出电流，都可能会导致更加严重的缺气。
因此，在不显著增加系统复杂度的情况下，开发一种能够直接判断缺气故障单体为氢气缺气或者空气缺气装置，对于燃料电池系统的故障诊断具有重要意义。
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用于燃料电池的缺气检测装置及缺气检测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于燃料电池的缺气检测装置，燃料电池包括电堆以及分别设置在电堆两端的阳极进气流道、阴极进气流道，所述的电堆包括多个依次堆叠而成的燃料电池单体，所述的燃料电池单体的两端分别设有与阳极进气流道相连通的阳极进气端、与阴极进气流道相连通的阴极进气端，所述的装置包括电压巡检系统以及与电压巡检系统电连接的控制器，所述的电压巡检系统分别与每个燃料电池单体的阳极进气端、阴极进气端电连接。电压巡检系统检测每个燃料电池单体的阳极进气端、阴极进气端的电势差(即电压)，并将数据传送至控制器中，由控制器进行处理分析。
进一步地，所述的阳极进气端处设有第一电压采样点，所述的阴极进气端设有第二电压采样点，所述的电压巡检系统分别与第一电压采样点、第二电压采样点电连接。电压巡检系统分别检测第一电压采样点、第二电压采样点处的电压，即得到燃料电池单体两端的电压。
进一步地，所述的电压巡检系统包括分别与控制器电连接的第一电压巡检仪、第二电压巡检仪，所述的第一电压巡检仪与第一电压采样点电连接，所述的第二电压巡检仪与第二电压采样点电连接。第一电压巡检仪检测每个燃料电池单体阳极进气端的电压，第二电压巡检仪检测每个燃料电池单体阴极进气端的电压。
进一步地，所述的第一电压采样点处设有第一电压传感器，该第一电压传感器与第一电压巡检仪电连接，所述的第二电压采样点处设有第二电压传感器，该第二电压传感器与第二电压巡检仪电连接。第一电压传感器检测燃料电池单体阳极进气端的电压，并将电压信息传送至第一电压巡检仪；第二电压传感器检测燃料电池单体阴极进气端的电压，并将电压信息传送至第二电压巡检仪。
进一步地，所述的燃料电池单体包括阳极板及阴极板，所述的第一电压传感器与阳极板、阴极板的一端电连接，所述的第二电压传感器与阳极板、阴极板的另一端电连接。第一电压传感器检测阳极进气端处阳极板与阴极板之间的电压，第二电压传感器检测阴极进气端处阳极板与阴极板之间的电压。
进一步地，该装置还包括与控制器电连接的报警器。当控制器经过处理分析后，发现某个燃料电池单体的阳极进气端、阴极进气端处的电压存在异常，而与其它燃料电池单体明显不同时，说明该燃料电池单体发生了缺气故障，立即控制报警器报警。
进一步地，该装置还包括与控制器电连接的显示器。控制器将缺气故障分析结果显示在显示器上，便于快速、直观地看到故障原因。
一种基于缺气检测装置的缺气检测方法，该方法包括以下步骤：
1)对多个燃料电池单体依次编号，分别为1-n，其中，n为燃料电池单体的总个数；
2)电压巡检系统分别检测每个燃料电池单体的阳极进气端、阴极进气端的电压，分别为U1,i、U2,i，其中，i＝1-n，并将电压信息传送至控制器；
3)计算每个燃料电池单体的阳极进气端与阴极进气端的电压差U1,i-U2,i；
4)根据U1,i-U2,i判断缺气故障类型。
进一步地，步骤4)中，所述的缺气故障类型为无缺气故障、阳极缺气或阴极缺气中的一种。
进一步地，判断缺气故障类型的方法为：若第k个燃料电池单体的U1,k-U2,k的正负号与其它燃料电池单体的U1,i-U2,i的正负号相反，则发生缺气故障的燃料电池单体的编号为k；若U1,k-U2,k＞0，则为阳极缺气；若U1,k-U2,k＜0，则为阴极缺气。
本发明的检测原理为：当某个燃料电池单体发生阴极缺气或阳极缺气时，反应电流在缺气的燃料电池单体内会出现明显的分布不均现象：当发生阴极缺气时，反应电流会集中在阴极进气端；当发生阳极缺气时，反应电流会集中在阳极进气端。同时，为了平衡缺气的燃料电池单体和相邻的燃料电池单体的电流分布差异，与缺气的燃料电池单体相邻的燃料电池单体的电流会在极板上横向流动，以满足进气端的反应电流守恒，为了驱动电流的横向移动，就会使缺气的燃料电池单体的阳极板与阴极板之间产生明显的电势差。
因此，由于缺气的燃料电池单体会产生区别于其他燃料电池单体的电流，导致其电压特征与其他燃料电池单体不同。通过电压巡检系统对燃料电池单体两端的电压进行监控，电压差与其他燃料电池单体明显不一样即为缺气的燃料电池单体。
进一步地，通过分析缺气的燃料电池单体两端电压的高低，即可对缺气的燃料电池单体电流集中位置进行进一步的确定，进而判断缺气的燃料电池单体发生了阴极缺气还是阳极缺气。具体来说，当某一燃料电池单体发生了阴极缺气时，该燃料电池单体的阴极进气端电压明显大于阳极进气端电压，相邻燃料电池单体的阴极进气端电压明显小于阳极进气端电压；而但某一燃料电池单体发生了阳极缺气时，该燃料电池单体的阳极进气端电压明显大于阴极进气端电压，相邻燃料电池单体的阳极进气端电压明显小于阴极进气端电压。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)利用电压巡检系统采集每一个燃料电池单体两端的电压，通过对电压信号进行分析，监控燃料电池的工作状态，不仅能够及时检测出缺气故障的发生位置，还能够准确判断出阳极缺气或阴极缺气，简便快捷，可靠性好；
2)利用电压巡检系统，基于缺气条件下燃料电池不同区域反应电流大小不一样的原理，通过检测电压差来判断燃料电池内部状态，装置结构简单，解决了燃料电池的缺气故障诊断问题；
3)传统的燃料电池系统中只能得到一个电压信号，无论发生阴极缺气或者阳极缺气，都只会观察到电压的降低，因而难以甄别具体的电压下降原因，而本发明中的电压巡检系统同时检测每一个燃料电池单体两端的电压，进而准确判断出电压下降原因。
附图说明
图1为本发明中缺气检测装置在工作状态下的结构示意图；
图中标记说明：
1—阳极进气流道、2—阴极进气流道、3—燃料电池单体、4—阳极进气端、5—阴极进气端、6—第一电压巡检仪、7—第二电压巡检仪、8—报警器、9—显示器、10—控制器。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1所示的一种用于燃料电池的缺气检测装置，燃料电池包括电堆以及分别设置在电堆两端的阳极进气流道1、阴极进气流道2，电堆包括多个依次堆叠而成的燃料电池单体3，燃料电池单体3的两端分别设有与阳极进气流道1相连通的阳极进气端4、与阴极进气流道2相连通的阴极进气端5，装置包括电压巡检系统以及与电压巡检系统电连接的控制器10，电压巡检系统分别与每个燃料电池单体3的阳极进气端4、阴极进气端5电连接。
其中，阳极进气端4处设有第一电压采样点，阴极进气端5设有第二电压采样点，电压巡检系统分别与第一电压采样点、第二电压采样点电连接。
电压巡检系统包括分别与控制器电连接的第一电压巡检仪6、第二电压巡检仪7，第一电压巡检仪6与第一电压采样点电连接，第二电压巡检仪7与第二电压采样点电连接。第一电压采样点处设有第一电压传感器，该第一电压传感器与第一电压巡检仪6电连接，第二电压采样点处设有第二电压传感器，该第二电压传感器与第二电压巡检仪7电连接。燃料电池单体3包括阳极板及阴极板，第一电压传感器与阳极板、阴极板的一端电连接，第二电压传感器与阳极板、阴极板的另一端电连接。
该装置还包括与控制器10电连接的报警器8以及与控制器10电连接的显示器9。
基于该装置的缺气检测方法包括以下步骤：
1)对多个燃料电池单体3依次编号，分别为1-n，其中，n为燃料电池单体3的总个数；
2)电压巡检系统分别检测每个燃料电池单体3的阳极进气端4、阴极进气端5的电压，分别为U1,i、U2,i，其中，i＝1-n，并将电压信息传送至控制器10；
3)计算每个燃料电池单体3的阳极进气端4与阴极进气端5的电压差U1,i-U2,i；
4)根据U1,i-U2,i判断缺气故障类型为无缺气故障、阳极缺气或阴极缺气，判断缺气故障类型的方法为：若第k个燃料电池单体3的U1,k-U2,k的正负号与其它燃料电池单体3的U1,i-U2,i的正负号相反，则发生缺气故障的燃料电池单体3的编号为k；若U1,k-U2,k＞0，则为阳极缺气；若U1,k-U2,k＜0，则为阴极缺气。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池的缺气检测装置，燃料电池包括电堆以及分别设置在电堆两端的阳极进气流道(1)、阴极进气流道(2)，所述的电堆包括多个依次堆叠而成的燃料电池单体(3)，所述的燃料电池单体(3)的两端分别设有与阳极进气流道(1)相连通的阳极进气端(4)、与阴极进气流道(2)相连通的阴极进气端(5)，其特征在于，所述的装置包括电压巡检系统以及与电压巡检系统电连接的控制器(10)，所述的电压巡检系统分别与每个燃料电池单体(3)的阳极进气端(4)、阴极进气端(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的缺气检测装置，其特征在于，所述的阳极进气端(4)处设有第一电压采样点，所述的阴极进气端(5)设有第二电压采样点，所述的电压巡检系统分别与第一电压采样点、第二电压采样点电连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于燃料电池的缺气检测装置，其特征在于，所述的电压巡检系统包括分别与控制器电连接的第一电压巡检仪(6)、第二电压巡检仪(7)，所述的第一电压巡检仪(6)与第一电压采样点电连接，所述的第二电压巡检仪(7)与第二电压采样点电连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于燃料电池的缺气检测装置，其特征在于，所述的第一电压采样点处设有第一电压传感器，该第一电压传感器与第一电压巡检仪(6)电连接，所述的第二电压采样点处设有第二电压传感器，该第二电压传感器与第二电压巡检仪(7)电连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于燃料电池的缺气检测装置，其特征在于，所述的燃料电池单体(3)包括阳极板及阴极板，所述的第一电压传感器与阳极板、阴极板的一端电连接，所述的第二电压传感器与阳极板、阴极板的另一端电连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的缺气检测装置，其特征在于，该装置还包括与控制器(10)电连接的报警器(8)。
7.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的缺气检测装置，其特征在于，该装置还包括与控制器(10)电连接的显示器(9)。
8.一种基于如权利要求1至7任一项所述的缺气检测装置的缺气检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)对多个燃料电池单体(3)依次编号，分别为1-n，其中，n为燃料电池单体(3)的总个数；
2)电压巡检系统分别检测每个燃料电池单体(3)的阳极进气端(4)、阴极进气端(5)的电压，分别为U1,i、U2,i，其中，i＝1-n，并将电压信息传送至控制器(10)；
3)计算每个燃料电池单体(3)的阳极进气端(4)与阴极进气端(5)的电压差U1,i-U2,i；
4)根据U1,i-U2,i判断缺气故障类型。
9.根据权利要求8所述的一种基于缺气检测装置的缺气检测方法，其特征在于，步骤4)中，所述的缺气故障类型为无缺气故障、阳极缺气或阴极缺气中的一种。
10.根据权利要求9所述的一种基于缺气检测装置的缺气检测方法，其特征在于，判断缺气故障类型的方法为：若第k个燃料电池单体(3)的U1,k-U2,k的正负号与其它燃料电池单体(3)的U1,i-U2,i的正负号相反，则发生缺气故障的燃料电池单体(3)的编号为k；若U1,k-U2,k＞0，则为阳极缺气；若U1,k-U2,k＜0，则为阴极缺气。
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