CN109585884B - 一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法，先采集初始时刻和具体某一时刻燃料电池电堆的性能参数，再根据采集的性能参数分别计算计算前后两个时刻单节电池电压变化量、电堆平均节电压和电堆节电压方差，最后根据计算得到的变化量确定燃料电池电堆处于的故障状态，并按照对应策略进行排障。

Description

一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，更为具体地讲，涉及一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有能量转化率高、反应迅速、噪音低、无污染等优点，非常适用于便携式电源以及运输工具，是汽车和备用电源的首选。

目前，燃料电池寿命普遍偏短，汽车应用燃料电池寿命仅为3000小时左右，固定站燃料电池寿命仅为10000小时左右，距离商业化运行标准汽车应用电池寿命10000小时，固定站应用50000小时仍有较大的差距，因此提升燃料电池寿命的研究是十分重要的。

随着燃料电池使用时间的增加，燃料电池性能以及电堆节电压呈现出下降的趋势。燃料电池电堆节电压具有与燃料电池寿命关联程度高，检测手段简单且检测时不会影响电堆正常运行的优点，所以一般作为燃料电池电堆寿命的评估指标。燃料电池寿命评估曲线如图1所示，根据在既定工况下的电压变化来判断电堆寿命。在寿命终止前，电堆电压变化相当缓慢，此时电压变化斜率绝对值|K|较小，当电堆达到使用寿命后，电堆电压会在短时间内大幅降低，此时|K|较大，所以根据电压曲线的|K|值大小来评估燃料电池寿命的终止。

然而燃料电池的电压衰减受多种因素的影响，这些因素可分为两大类。

第一类因素包括膜电极性能衰减、催化剂活性降低、气体扩散层排水透气以及导电性能的降低等。这几种情况下，材料性能的永久性下降导致燃料电池电压衰减且不可恢复，该电压衰减可表征电堆寿命衰减。

第二类因素包括电堆运行时发生的水淹、干燥、缺气、局部过热等故障，这些故障能短时间内大幅降低电堆电压。其中水淹是由于质子交换膜内的水过量导致气道堵塞，致使电池性能下降；干燥是质子交换膜中水含量过少引起质子交换膜的质子传导率下降，导致电池性能下降；缺气是燃料电池的燃料或氧化剂处于亚化学计量数时的工作状态，导致燃料电池性能下降；局部过热是燃料电池需要经过比较长的时间(秒级)才能建立新的稳态，在稳态建立的过程中，电池内部可能会出现温度过高的情况，导致燃料电池性能下降。若在故障发生时，采取适当措施，可及时排除故障，让电堆工作恢复正常，因此该类因素又被称作可恢复性因素。但如果燃料电池长时间工作在这几类故障状态下，电堆电压波动加大且不会自主恢复，测得的电压数据出现偏差，如图2所示，|K|值会出现较大的波动，影响燃料电池寿命评估的精准性，最终会导致电堆性能出现第一类不可恢复性衰减，缩短燃料电池使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法，能够判断出燃料电池电堆出现缺气、水淹等故障，并快速排除该类故障对电堆性能的影响，改善燃料电池寿命评估方法，从而提高评估精准度。

为实现上述发明目的，本发明一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采集初始时刻空气进堆流量Q_air0、氢气进堆流量

电堆温度T₀，以及电堆在稳定功率下，第j个时刻的空气进堆流量Q_airj、氢气进堆流量

电堆温度T_j、电堆电流I_j和电堆节电压u_(1,j),u_(2,j),…,u_(n,j)，n为电堆节数；

(2)、计算前后两个时刻单节电池电压变化量Δu_(i,j)＝u_(i,j)-u_(i,j-1)；

计算电堆平均节电压

计算电堆节电压方差

(3)、确定电堆处于的故障状态并排障

(3.1)、若满足

为电堆平均电压安全阈值，则判定电堆处于缺气状态，并按照缺气状态策略进行排障；

(3.2)、若满足

且(Δu_(i,j)||Δu_(i,j+1)||Δu_(i,j+2))＞Δu_sf，

为电堆正常状态与水淹状态的临界方差值，Δu_sf为单节电池节电压安全下降阈值，则判定电堆处于水淹状态，并按照水淹状态策略进行排障。

进一步的，所述步骤(3.1)中，按照水淹状态策略进行排障的步骤为：

(3.1.1)、计算判定缺气状态的前一时刻的电堆平均节电压

(3.1.2)、将负载电流降低ΔI_down，再观察电堆平均节电压是否回升到

若没有，则继续降低负载电流ΔI_down，直到电堆平均节电压恢复到

否则，直接进入步骤(3.1.3)；

(3.1.3)、比较Q_air0与Q_airj的大小，若Q_airj≥Q_air0，则表示电堆电压下降不是由阴极缺气造成，进行停机，并做其他故障检查；若Q_airj＜Q_air0，则表示电堆电压下降是由阴极缺气造成，需增大进气量，使进气量恢复至Q_air0；

(3.1.4)、将负载电流提升ΔI_up，若此时电堆平均节电压回升，则继续增加负载电流ΔI_up，直至恢复到电堆电流I_j，且电堆平均节电压恢复到

此时，故障排除；若提升负载电流后，电堆平均节电压仍未上升，则将停机做其他故障检查。

更进一步的，所述步骤(3.2)中，按照水淹状态策略进行排障的步骤为：

(3.2.1)、计算判定水淹状态的前一时刻单节电池的节电压u_(i,j-1)；

(3.2.2)、将空气加湿比例调节阀的流量比例由p₀减小到p₁，空气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₁，将空气进堆流量Q_airj增加到Q_airb，维持该状态t₁时间；

(3.2.3)、将空气加湿比例调节阀的流量比例由p₁增加到p₀，空气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₀，将空气进堆流量Q_airb降低到Q_airj，维持该状态t₂时间，且t₂＞t₁；

(3.2.4)、计算电堆节电压方差

和水淹单电池节电压

k₀表示空气流量调节次数；

若

或

则水淹现象解除；否则，令k₀＝k₀+1，再返回步骤(3.2.2)；

当k₀累加到k₀＝m₀时，m₀为空气流量调节次数上限值，仍未解除水淹现象，则跳转至步骤(3.2.5)；

(3.2.5)、将氢气加湿比例调节阀的流量比例由p₀减小到p₁，氢气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₁，将空气进堆流量

增加到

维持该状态t₁时间；

(3.2.6)、将氢气加湿比例调节阀的流量比例由p₁增加到p₀，氢气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₀，将氢气进堆流量

降低到

维持该状态t₂时间，且t₂＞t₁；

(3.2.7)、计算电堆节电压方差

和水淹单电池节电压

k₁表示氢气流量调节次数；

若

或

则水淹现象解除；否则，令k₁＝k₁+1，再返回步骤(3.2.5)；

当k₁累加到k₁＝m₁时，m₁为氢气流量调节次数上限值，仍未解除水淹现象，则跳转至步骤(3.2.8)；

(3.2.8)、开启冷却水箱加热棒，关闭散热风扇，将电堆的温度升到T_h，维持该状态t₃时间；

(3.2.9)、关闭冷却水箱加热棒，开启散热风扇，将电堆的温度降至T₀，维持该状态t₄时间；

(3.3.10)、计算电堆节电压方差

和水淹单电池节电压

k₂表示温度调节次数；

若

或

则水淹现象解除；否则，令k₂＝k₂+1，再返回步骤(3.2.8)；

当k₂累加到k₂＝m₂时，m₂为温度调节次数上限值，仍未解除水淹现象，则判定电堆节电压下降与水淹无关，此时停机做其他故障排查。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法，先采集初始时刻和具体某一时刻燃料电池电堆的性能参数，再根据采集的性能参数分别计算计算前后两个时刻单节电池电压变化量、电堆平均节电压和电堆节电压方差，最后根据计算得到的变化量确定燃料电池电堆处于的故障状态，并按照对应策略进行排障。

同时，本发明一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法还具有以下有益效果：

(1)、通过在线排除的形式，本方法能让燃料电池长时间连续运行，解决了燃料电池电堆测试遇到任何故障都要暂停测试的问题，保证了测试的连续性与精准性。

(2)、水淹、缺气等虽为可恢复性影响因素，但长时间运行在该状态将会对电堆造成永久性损伤，本方法能及时判断出故障因素，根据判断结果及时自动排除故障，提升了测试的安全性与可靠性。

附图说明

图1是燃料电池电堆寿命正常衰减曲线图；

图2是燃料电池电堆寿命非正常衰减曲线图；

图3是单电池正常波动曲线；

图4是单电池电压波动过大曲线；

图5是电堆正常和缺气状态下的运行对比图；

图6是电堆正常和水淹状态下的运行对比图；

图7是燃料电池电堆的系统框图；

图8是本发明一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法流程图；

图9是空气进堆气量循环图；

图10是氢气进堆气量循环图；

图11是温度调节循环图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

在本实施例中，如图3所示，燃料电池电堆工作在额定功率时，单电池电池一般保持在0.7V左右，正常波动范围±0.5V。但是因为第二类影响因素的存在，测试过程中可能会出现电压波动过大的情况，如图4所示。每种不同的可恢复性故障对电堆电压的影响都不一样，且影响特征十分明显。

燃料电池电堆运行正常时，如图5(a)所示，当阴极缺气故障时，将会导致电堆内所有单电池电压下降，且随着空气缺气程度加深，电压下降程度也会加大，如图5(b)所示，此时电堆的平均电压将会出现明显的下降；

燃料电池电堆运行正常时，如图6(a)所示，当出现水淹故障时，将会导致电堆内部分电池出现电压下降，水淹严重时，电池电压可降至0V，如图6(b)所示，第2、5、9节发生水淹，此时电堆电压的均方差会明显增大。

在实际电堆测试中，缺气故障和水淹故障占总的可恢复性故障的90％，因此对两种故障进行判断和排查可基本保证电堆寿命评估的精准性。缺气可通过提高进气量来排除故障，水淹可通过多种方法排除故障：1.降低气体进堆湿度，通过较为干燥的气体将堆积在电堆内的水带出去；2.增加气体进堆流量，通过大气量的吹扫，让气体将堆积在电堆内的水带出去；3.增加电堆温度，提高饱和蒸气压，减少液态水的产生。

如图7所示，燃料电池电堆的整个系统中包含空气支路，氢气支路，冷却水支路，燃料电池电堆，节电压采集器以及电子负载。

其中，空气支路包含：空气泵，空气减压阀，空气流量计，空气干燥比例调节阀，空气加湿比例调节阀，空气加湿水箱，空气进堆压力传感器。

氢气支路包含：氢气泵，氢气减压阀，氢气流量计，氢气干燥比例调节阀，氢气加湿比例调节阀，氢气加湿水箱，氢气进堆压力传感器。

冷却水支路包含：冷却水出堆温度传感器，散热风扇，冷却水箱，冷却水箱加热棒，冷却水循环泵，冷却水进堆温度传感器。

下面我们结合图7，对本发明一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法进行详细说明，如图8所示，具体包括以下步骤：

S1、采集初始时刻空气进堆流量Q_air0、氢气进堆流量Q_h20、电堆温度T₀，以及电堆在稳定功率下，第j个时刻的空气进堆流量Q_airj、氢气进堆流量Q_h2j、电堆温度T_j、电堆电流I_j和电堆节电压u_(1,j),u_(2,j),…,u_(n,j)，n为电堆节数；

S2、计算前后两个时刻单节电池电压变化量Δu_(i,j)＝u_(i,j)-u_(i,j-1)；

计算电堆平均节电压

计算电堆节电压方差

S3、确定电堆处于的故障状态并排障

S3.1、若满足

为电堆平均电压安全阈值，则判定电堆处于缺气状态，并按照缺气状态策略进行排障，具体过程为：

S3.1.1、计算判定缺气状态的前一时刻的电堆平均节电压

S3.1.2、将负载电流降低ΔI_down，再观察电堆平均节电压是否回升到

若没有，则继续降低负载电流ΔI_down，直到电堆平均节电压恢复到

否则，直接进入步骤S3.1.3；

S3.1.3、比较Q_air0与Q_airj的大小，若Q_airj≥Q_air0，则表示电堆电压下降不是由阴极缺气造成，进行停机，并做其他故障检查；若Q_airj＜Q_air0，则表示电堆电压下降是由阴极缺气造成，需增大进气量，使进气量恢复至Q_air0；

S3.1.4、将负载电流提升ΔI_up，若此时电堆平均节电压回升，则继续增加负载电流ΔI_up，直至恢复到电堆电流I_j，且电堆平均节电压恢复到

此时，故障排除；若提升负载电流后，电堆平均节电压仍未上升，则将停机做其他故障检查；

S3.2、若满足

且(Δu_(i,j)||Δu_(i,j+1)||Δu_(i,j+2))＞Δu_sf，

为电堆正常状态与水淹状态的临界方差值，Δu_sf为单节电池节电压安全下降阈值，则判定电堆处于水淹状态，并按照水淹状态策略进行排障，具体过程为：

S3.2.1、计算判定水淹状态的前一时刻单节电池的节电压u_(i,j-1)；

S3.2.2、将空气加湿比例调节阀的流量比例由p₀减小到p₁，空气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₁，将空气进堆流量Q_airj增加到Q_airb，维持该状态t₁时间；

S3.2.3、将空气加湿比例调节阀的流量比例由p₁增加到p₀，空气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₀，将空气进堆流量Q_airb降低到Q_airj，维持该状态t₂时间，且t₂＞t₁；

S3.2.4、计算电堆节电压方差

和水淹单电池节电压

k₀表示空气流量调节次数；

若

或

则水淹现象解除；否则，令k₀＝k₀+1，再返回步骤(3.2.2)；

当k₀累加到k₀＝m₀时，m₀为空气流量调节次数上限值，仍未解除水淹现象，则跳转至步骤S3.2.5；在本实施例中，空气进堆气量循环图如图9所示，当k₀＝3时，水淹现象解除；

S3.2.5、将氢气加湿比例调节阀的流量比例由p₀减小到p₁，氢气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₁，将空气进堆流量

增加到

维持该状态t₁时间；

S3.2.6、将氢气加湿比例调节阀的流量比例由p₁增加到p₀，氢气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₀，将氢气进堆流量

降低到

维持该状态t₂时间，且t₂＞t₁；

S3.2.7、计算电堆节电压方差

和水淹单电池节电压

k₁表示氢气流量调节次数；

若

或

则水淹现象解除；否则，令k₁＝k₁+1，再返回步骤S3.2.5；

当k₁累加到k₁＝m₁时，m₁为氢气流量调节次数上限值，仍未解除水淹现象，则跳转至步骤S3.2.8；在本实施例中，氢气进堆气量循环图如图10所示，当k₁＝3时，水淹现象解除；

S3.2.8、开启冷却水箱加热棒，关闭散热风扇，将电堆的温度升到T_h，维持该状态t₃时间；

S3.2.9、关闭冷却水箱加热棒，开启散热风扇，将电堆的温度降至T₀，维持该状态t₄时间；

S3.3.10、计算电堆节电压方差

和水淹单电池节电压

k₂表示温度调节次数；

若

或

则水淹现象解除；否则，令k₂＝k₂+1，再返回步骤S3.2.8；

当k₂累加到k₂＝m₂时，m₂为温度调节次数上限值，仍未解除水淹现象，则判定电堆节电压下降与水淹无关，此时停机做其他故障排查。在本实施例中，温度调节循环图如图11所示，当k₂＝2时，水淹现象解除。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采集初始时刻空气进堆流量Q_air0、氢气进堆流量

电堆温度T₀，以及电堆在稳定功率下，第j个时刻的空气进堆流量Q_airj、氢气进堆流量

电堆温度T_j、电堆电流I_j和电堆节电压u_(1,j),u_(2,j),…,u_(n,j)，n为电堆节数；

(2)、计算前后两个时刻单节电池电压变化量Δu_(i,j)＝u_(i,j)-u_(i,j-1)；

计算电堆平均节电压

计算电堆节电压方差

(3)、确定电堆处于的故障状态并排障

(3.1)、若满足

为电堆平均电压安全阈值，则判定电堆处于缺气状态，并按照缺气状态策略进行排障；

(3.2)、若满足

且(Δu_(i,j)||Δu_(i,j+1)||Δu_(i,j+2))＞Δu_sf，

为电堆正常状态与水淹状态的临界方差值，Δu_sf为单节电池节电压安全下降阈值，则判定电堆处于水淹状态，并按照水淹状态策略进行排障。

2.根据权利要求1所述的一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法，其特征在于，所述步骤(3.1)中，按照缺气状态策略进行排障的步骤为：

(3.1.1)、计算判定缺气状态的前一时刻的电堆平均节电压

(3.1.2)、将负载电流降低ΔI_down，再观察电堆平均节电压是否回升到

若没有，则继续降低负载电流ΔI_down，直到电堆平均节电压恢复到

否则，直接进入步骤(3.1.3)；

(3.1.3)、比较Q_air0与Q_airj的大小，若Q_airj≥Q_air0，则表示电堆电压下降不是由阴极缺气造成，进行停机，并做其他故障检查；若Q_airj＜Q_air0，则表示电堆电压下降是由阴极缺气造成，需增大进气量，使进气量恢复至Q_air0；

(3.1.4)、将负载电流提升ΔI_up，若此时电堆平均节电压回升，则继续增加负载电流ΔI_up，直至恢复到电堆电流I_j，且电堆平均节电压恢复到

此时，故障排除；若提升负载电流后，电堆平均节电压仍未上升，则将停机做其他故障检查。

3.根据权利要求1所述的一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，按照水淹状态策略进行排障的步骤为：

(3.2.1)、计算判定水淹状态的前一时刻单节电池的节电压u_(i,j-1)；

(3.2.2)、将空气加湿比例调节阀的流量比例由p₀减小到p₁，空气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₁，将空气进堆流量Q_airj增加到Q_airb，维持该状态t₁时间；

(3.2.3)、将空气加湿比例调节阀的流量比例由p₁增加到p₀，空气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₀，将空气进堆流量Q_airb降低到Q_airj，维持该状态t₂时间，且t₂＞t₁；

(3.2.4)、计算电堆节电压方差

和水淹单电池节电压

k₀表示空气流量调节次数；

若

或

则水淹现象解除；否则，令k₀＝k₀+1，再返回步骤(3.2.2)；

当k₀累加到k₀＝m₀时，m₀为空气流量调节次数上限值，仍未解除水淹现象，则跳转至步骤(3.2.5)；

(3.2.5)、将氢气加湿比例调节阀的流量比例由p₀减小到p₁，氢气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₁，将空气进堆流量

增加到

维持该状态t₁时间；

(3.2.6)、将氢气加湿比例调节阀的流量比例由p₁增加到p₀，氢气干燥比例调节阀的流量比例设置为1-p₀，将氢气进堆流量

降低到

维持该状态t₂时间，且t₂＞t₁；

(3.2.7)、计算电堆节电压方差

和水淹单电池节电压

k₁表示氢气流量调节次数；

若

或

则水淹现象解除；否则，令k₁＝k₁+1，再返回步骤(3.2.5)；

当k₁累加到k₁＝m₁时，m₁为氢气流量调节次数上限值，仍未解除水淹现象，则跳转至步骤(3.2.8)；

(3.2.8)、开启冷却水箱加热棒，关闭散热风扇，将电堆的温度升到T_h，维持该状态t₃时间；

(3.2.9)、关闭冷却水箱加热棒，开启散热风扇，将电堆的温度降至T₀，维持该状态t₄时间；

(3.3.10)、计算电堆节电压方差

和水淹单电池节电压

k₂表示温度调节次数；

若

或

则水淹现象解除；否则，令k₂＝k₂+1，再返回步骤(3.2.8)；

当k₂累加到k₂＝m₂时，m₂为温度调节次数上限值，仍未解除水淹现象，则判定电堆节电压下降与水淹无关，此时停机做其他故障排查。

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