CN108871690A - 一种燃料电池电堆串漏在线检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池电堆串漏在线检测系统及方法,该系统包括向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气的气体加载器、用于给单节电池阳极和阴极加载电压的恒压电源、用于依次选通电堆中单节电池并加载电压的通路选择器以及用于监测电流的电流仪,所述的恒压电源通过通路选择器连接至任意一节单节电池阳极和阴极形成检测回路,所述的电流仪串联于检测回路中;电堆串漏检测时,气体加载器向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气,通路选择器依次选择电堆中的单节单池进行串漏检测;单节电池串漏检测时,恒压电源向单节电池阳极和阴极加载电压,电流仪获取检测回路电流值。与现有技术相比,本发明具有等优点测试准确,通用性强,受外界干扰较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池电堆检测系统及方法,尤其是涉及一种燃料电池电堆串漏在线检测系统及方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种清洁能源,由于其环保、低噪声、高能量等优势被认为是最有前景的清洁能源之一,在车载能源领域得到广泛推广。
质子交换膜燃料电池的核心部分是由质子交换膜、催化剂和扩散层组成的膜电极,其中,质子交换膜是用于质子传导和阴阳极气体隔离。为了降低质子传导阻力,质子交换膜厚度越来越薄,却带来了可能微孔或者破裂的可能。
由于质子交换膜微孔或者破裂导致的阴阳极气体渗漏到对侧的现象称为串漏。为了检测串漏,在实验室里和车载状态下一般采用饱压测试方法,在泄漏量微小的单节电池条件下一般会使用恒电位漏氢电流测试法,而对于多节电堆,目前尚未有较为成熟串漏检测方法。
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燃料电池电堆串漏在线检测系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种燃料电池电堆串漏在线检测系统,该系统包括向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气的气体加载器、用于给单节电池阳极和阴极加载电压的恒压电源、用于依次选通电堆中单节电池并加载电压的通路选择器以及用于监测电流的电流仪,所述的恒压电源通过通路选择器连接至任意一节单节电池阳极和阴极形成检测回路,所述的电流仪串联于检测回路中;
电堆串漏检测时,气体加载器向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气,通路选择器依次选择电堆中的单节单池进行串漏检测;
单节电池串漏检测时,恒压电源向单节电池阳极和阴极加载电压,电流仪获取检测回路电流值。
该系统还包括自动检测记录装置,所述的自动检测记录装置包括控制器和记录仪,所述的控制器分别连接至恒压电源、通路选择器、电流仪和记录仪;
电堆串漏检测时,控制器控制通路选择器依次选择单节电池阳极和阴极与恒压电源接通形成检测回路进行单节电池串漏检测;
单节电池串漏检测时,控制器控制恒压电源输出电压,同时控制器控制电流仪读取检测回路中的电流值并通过记录仪记录。
所述的恒压电源电压小于1V。
一种燃料电池电堆串漏在线检测方法,采用上述燃料电池电堆串漏在线检测系统,所述的检测方法包括如下步骤:
(1)向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气;
(2)从电堆中依次选择单节电池,将单节电池的阳极和阴极接通恒压电源形成检测回路;
(3)恒压电源对单节电池加载电压,电流仪监测检测回路中的电流值直至电流值稳定,完成单节电池串漏检测;
(4)循环执行步骤(2)~(3)直至完成电堆中所有单节电池的串漏检测。
步骤(1)中通入电堆阳极和阴极的氢气和氮气的所有参量相同,所述的参量包括气体压力、气体温度和气体湿度。
所述的气体压力为20-100kPa,气体温度为60-80℃,气体湿度为RH20-100%。
步骤(3)中对单节电池加载电压时逐步升高很恒压电源输出电压值,恒压电源输出电压值大小为0.2-0.7V。
步骤(3)完成单节电池串漏检测后将恒压电源输出电压值降为0,并循环执行步骤(2)~(3)。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明系统可以集成到燃料电池系统中,当燃料电池电堆在电站或者车载运行现场时,可以在满足两腔氢气和氮气条件时直接进行串漏检测,作为现场检修方法使用;
(2)本发明检测系统和方法采用电化学方法测试,检测精度取决于可实现高精度测量的电流仪,测试准确远高于压力测试方法;
(3)本发明检测系统和方法对电堆中的单节电池逐节检测,可以有效检测电堆中每一节串漏情况,受外界干扰较小,同时不受电堆节数、活性面积影响,测试方法通用性强;
(4)本发明自动检测记录装置实现自动检测,无需人工介入,节省人工成本,数据更稳定,可以直接参与产品诊断。
附图说明
图1为本发明燃料电池电堆串漏在线检测系统的结构示意图;
图2为本发明燃料电池电堆串漏在线检测方法的流程框图。
图中,1为燃料电池电堆,2为通路选择器,3为恒压电源,4为电流仪,5为控制器,6为记录仪。
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。注意,以下的实施方式的说明只是实质上的例示,本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定,且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示,一种燃料电池电堆串漏在线检测系统,该系统包括向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气的气体加载器、用于给单节电池阳极和阴极加载电压的恒压电源3、用于依次选通电堆中单节电池并加载电压的通路选择器2以及用于监测电流的电流仪4,恒压电源3通过通路选择器2连接至任意一节单节电池阳极和阴极形成检测回路,电流仪4串联于检测回路中;
进行电堆串漏检测时,气体加载器向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气,通路选择器2依次选择电堆中的单节单池进行串漏检测。其中,单节电池串漏检测时,恒压电源3向单节电池阳极和阴极加载电压,电流仪4获取检测回路电流值。
本检测系统的原理为:在质子交换膜燃料电池的两个电极内分别处于氢气/氮气环境下,分别在每节阴极和阳极上加载一个固定的电压,使串漏到氮气侧的氢气发生氧化反应,一个H2分子被转变成2个H+和2个电子电子,质子穿过质子交换膜与电子结合恢复为氢气。在期间测试通过检测回路的电流值,即为瞬时泄露量。在多节电池构成的燃料电池电堆1条件下,逐节测试,从而可以实现在线条件下燃料电池电堆1的自检。
另外,该系统还包括自动检测记录装置,自动检测记录装置包括控制器5和记录仪6,控制器5分别连接至恒压电源3、通路选择器2、电流仪4和记录仪6;
电堆串漏检测时,控制器5控制通路选择器2依次选择单节电池阳极和阴极与恒压电源3接通形成检测回路进行单节电池串漏检测;单节电池串漏检测时,控制器5控制恒压电源3输出电压,同时控制器5控制电流仪4读取检测回路中的电流值并通过记录仪6记录。该系统通过自动检测记录装置实现自动检测,无需人工介入,节省人工成本,数据更稳定,可以直接参与产品诊断。
该实施例中,被测燃料电池电堆1可以为任意活性面积以及任意节数的质子交换膜燃料电池,其双极板可以与连接外电路。通路选择器2是可以实现一分多,由单片机控制,恒压电源3电压小于1V,持续为测试提供恒压电源3。电流仪4用于记录在测试过程中所流经检测回路的电流值。控制器5用于控制存储算法和控制通路选择器2、恒压电源3、电流仪4以及记录仪6动作。记录仪6用于记录测试过程中的时间、电流、电压等参量。控制器5设置测试参量,控制器5和燃料电池电堆测试台之间通过接口通讯协议完成参量设置(如CAN,485等),通过PWM、电流或电压控制恒压电源3输出电压值,读取电流值,并存入记录仪6。
如图2所示,一种燃料电池电堆串漏在线检测方法,采用上述燃料电池电堆串漏在线检测系统,检测方法包括如下步骤:
(1)向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气,通入电堆阳极和阴极的氢气和氮气的所有参量相同,参量包括气体压力、气体温度和气体湿度,其中气体压力为20-100kPa,气体温度为60-80℃,气体湿度为RH20-100%,通入气体1小时后,流量由1-2L/(min·cell),降低至0.2-0.5l/(min·cell),进行步骤(2)操作;
(2)从电堆中依次选择单节电池,将单节电池的阳极和阴极接通恒压电源3形成检测回路;
(3)恒压电源3对单节电池加载电压,电流仪4监测检测回路中的电流值直至电流值稳定,完成单节电池串漏检测,在测试过程中,由于膜电极的双电层电容作用,加载电压瞬间检测回路中会产生一个非常大的电流值,为了降低对电器件的需求,对单节电池加载电压时逐步升高很恒压电源3输出电压值,恒压电源3输出电压值大小为0.2-0.7V;
(4)循环执行步骤(2)~(3)直至完成电堆中所有单节电池的串漏检测,具体地,本实施例中步骤(3)单节电池串漏检测时电流值稳定3分钟后,将恒压电源3输出电压值降为0,通路选择器2选择第二个通道,依次下去,双极板与通道选择的连接不需要改动,仅在通路选择器2内通过电路转换方式改变所连接的单节,并循环执行步骤(2)~(3)。
本发明燃料电池电堆串漏在线检测方法的具体原理为:
分别向电堆的阳极和阴极通入适当湿度的氢气和氮气,使膜电极达到目标润湿状态。当膜电极处于H2/N2氛围时,即可以对单节电池加载电压值在0.2-0.7V的直流电压值,阴极加载电压正极,阳极加载负极,对膜电极恒压供电。若膜电极发生串漏,阳极的氢气即会渗漏到阴极,即发生如下电化学反应:
膜电极阴极(N2环境):
H2→2H++2e,
膜电极阳极(H2环境):
2H++2e→H2。
同时,可以在电流仪4上读取电流值,累计电流值即为该阶段的总计渗漏量。
上述检测方法采用电化学方法测试,检测精度取决于可实现高精度测量的电流仪4,测试准确远高于压力测试方法,同时本发明对电堆中的单节电池逐节检测,可以有效检测电堆中每一节串漏情况,受外界干扰较小,同时不受电堆节数、活性面积影响,测试方法通用性强。
上述实施方式仅为例举,不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施,且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
Claims (8)
1.一种燃料电池电堆串漏在线检测系统,其特征在于,该系统包括向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气的气体加载器、用于给单节电池阳极和阴极加载电压的恒压电源(3)、用于依次选通电堆中单节电池并加载电压的通路选择器(2)以及用于监测电流的电流仪(4),所述的恒压电源(3)通过通路选择器(2)连接至任意一节单节电池阳极和阴极形成检测回路,所述的电流仪(4)串联于检测回路中;
电堆串漏检测时,气体加载器向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气,通路选择器(2)依次选择电堆中的单节单池进行串漏检测;
单节电池串漏检测时,恒压电源(3)向单节电池阳极和阴极加载电压,电流仪(4)获取检测回路电流值。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆串漏在线检测系统,其特征在于,该系统还包括自动检测记录装置,所述的自动检测记录装置包括控制器(5)和记录仪(6),所述的控制器(5)分别连接至恒压电源(3)、通路选择器(2)、电流仪(4)和记录仪(6);
电堆串漏检测时,控制器(5)控制通路选择器(2)依次选择单节电池阳极和阴极与恒压电源(3)接通形成检测回路进行单节电池串漏检测;
单节电池串漏检测时,控制器(5)控制恒压电源(3)输出电压,同时控制器(5)控制电流仪(4)读取检测回路中的电流值并通过记录仪(6)记录。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆串漏在线检测系统,其特征在于,所述的恒压电源(3)电压小于1V。
4.一种燃料电池电堆串漏在线检测方法,其特征在于,采用如权利要求1~3任意一项所述的燃料电池电堆串漏在线检测系统,所述的检测方法包括如下步骤:
(1)向电堆阳极和阴极对应通入氢气和氮气;
(2)从电堆中依次选择单节电池,将单节电池的阳极和阴极接通恒压电源(3)形成检测回路;
(3)恒压电源(3)对单节电池加载电压,电流仪(4)监测检测回路中的电流值直至电流值稳定,完成单节电池串漏检测;
(4)循环执行步骤(2)~(3)直至完成电堆中所有单节电池的串漏检测。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池电堆串漏在线检测方法,其特征在于,步骤(1)中通入电堆阳极和阴极的氢气和氮气的所有参量相同,所述的参量包括气体压力、气体温度和气体湿度。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池电堆串漏在线检测方法,其特征在于,所述的气体压力为20-100kPa,气体温度为60-80℃,气体湿度为RH20-100%。
7.根据权利要求4所述的一种燃料电池电堆串漏在线检测方法,其特征在于,步骤(3)中对单节电池加载电压时逐步升高很恒压电源(3)输出电压值,恒压电源(3)输出电压值大小为0.2-0.7V。
8.根据权利要求4所述的一种燃料电池电堆串漏在线检测方法,其特征在于,步骤(3)完成单节电池串漏检测后将恒压电源(3)输出电压值降为0,并循环执行步骤(2)~(3)。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181123 |