CN111029624A - 在线监控和恢复燃料电池水状态的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，它的诊断分析单元计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差，并与单电池电压标准方差参考值进行比较；诊断分析单元计算电堆工作电流下的单电池平均电压，并与单电池平均电压参考值进行比较；诊断分析单元在t时刻增加空气流量和排氢量，并持续Δt时间，比较t‑Δt时间内的|ΔV1/ΔI1|和t+Δt时间内的|ΔV2/ΔI2|，燃料电池控制器根据诊断分析单元的以上比较结果进行对应的燃料电池水状态控制。本发明能够在线监控燃料电池的水状态，并能够通过控制系统采取措施，使得燃料电池水状态恢复正常。

Description

在线监控和恢复燃料电池水状态的系统及方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体涉及一种在线监控和恢复燃料电池水状态的系统及方法。
背景技术
氢燃料电池是通过电化学反应，将燃料(氢气)的化学能转变成电能的装置。由于其显著的清洁、高效、低噪音等特性，已经正在广泛应用于交通等领域。
质子交换膜燃料电池的性能和膜的质子传导率密切相关，膜润湿充分，意味着质子电导率高，欧姆过电势低，相同电流下的电池电压高；与之相反，膜干燥，质子电导率低，欧姆过电势高，相同电流下的电池电压低。同时、长期工作在水淹或者干燥的情况下，膜电极的电化学性能以及耐久性也会显著受到影响。因此，燃料电池的水管理是直接影响燃料电池性能的关键因素。
公开号为CN103490083A的中国专利《一种燃料电池防水淹控制方法》，通过检测氢气的压力降，来评估燃料电池水状态；由于燃料电池堆通常有几片至几百片单电池组成，其中，某片或者某些单电池的水状态无法通过电堆进出口氢气压力降来检测；而且动态加减载时，堆进出口压力也会随之波动，难以和水淹引起的压力变化区分。
公开号为专利CN201610472255.7的中国专利《一种缓解电池水淹的燃料电池电池系统》，在电堆出口设置冷凝箱，通过冷凝风扇对出口空气尾气进行强制冷凝，提高电堆内外水蒸气的浓度梯度，加速水从电堆内排除，从而缓解燃料电池水淹；此方法对缓解电堆水淹有效，但是无法检测电堆里面某片或者某些单电池的水状态，而且可能会导致燃料电池膜干燥。
公开号为CN201811413076.1的中国专利《一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统》，包括一个单电池选通单元、检测单元、控制单元以及故障诊断单元；对测量的单片电池电压信号进行小波变换，分解，诊断出某一时刻燃料电池的某一区域发生水淹。燃料电池水的生成和电流是密切相关的，仅仅检测电压的变化，可能无法精确检测动态输出时燃料电池的水状态。
公开号为CN201811520455.0的中国专利《一种基于阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断》，通过建立质子交换膜燃料电池的电化学等效电路模型，测量得到质子交换膜燃料电池的电化学阻抗谱，用电化学阻抗谱拟合求解电化学等效电路模型中的参数，然后通过故障诊断算法对质子交换膜燃料电池进行分类处理，得到膜干、水淹、空气饥饿等故障诊断。此专利方法，需要给燃料电池输入一个较小的交流电信号，诊断系统设备复杂，尤其是在车载使用时，此方法实现难度更高。
公开号为CN201811521690.X的中国专利《一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法》，通过采集初始时刻和具体时刻燃料电池电堆的性能参数，再根绝采集的性能参数分别计算前后两个时刻单节电池电压变化量，单电池均电压及其方差，最后根据计算得到燃料电池电堆处于的故障状态。引起燃料电池电压变化的因素较多，不仅仅水淹和缺气，膜干燥也会引起电压下降，难以通过单电池电压前后的变化，均电压及其方差，准确地检测电池缺气和水淹。
公开号为CN201710742977.4的中国专利《燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法》，通过检测电子负载两端的电压下降，来判断燃料电池内部是否发生了水淹。引起电子负载两端的电压下降因素较多，如膜干燥和水淹，两种相反的状态都会引起电压下降，在某些情况下，此专利方法可能不能准确反映膜的水含量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在线监控和恢复燃料电池水状态的系统及方法，本发明能够在线监控燃料电池的水状态，并能够通过控制系统采取措施，使得燃料电池水状态恢复正常，提高燃料电池输出能力，可靠性和耐久性。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于，它包括诊断分析单元和燃料电池控制器，其中，所述诊断分析单元用于计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差stdevV，并将该单电池电压标准方差stdevV与单电池电压标准方差参考值stdevVref进行比较；
诊断分析单元还用于计算电堆工作电流下的单电池平均电压AverV，并将该单电池平均电压AverV与单电池平均电压参考值AverVref进行比较；
诊断分析单元还用于在t时刻增加空气流量ΔQair和排氢量ΔQhydrogen，并持续Δt时间，比较t-Δt时间内的|ΔV1/ΔI1|和t+Δt时间内的|ΔV2/ΔI2|，ΔV1表示t-Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI1表示t-Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量，ΔV2表示t+Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI2表示t+Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量；
所述燃料电池控制器用于根据诊断分析单元的以上比较结果进行对应的燃料电池水状态控制。
本发明能够在线监测燃料电池的水状态，使得控制系统及时采取措施，让燃料电池系统恢复至正常，减少了燃料电池系统的故障，提高了输出性能，并能提高燃料电池系统的可靠性和耐久性。
相比前述专利，本发明：1)设备简单，无需额外的设备；2)能够监测到单电池的水状态；3)能够区分膜干、膜正常和水淹三种状态；4)不仅适应于恒定负载输出的情况，也适应于动态负载工况；5)监控到水状态后，能够通过控制系统采取措施，使得燃料电池水状态恢复正常。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的逻辑框图。
其中，1—数据采集单元、2—诊断分析单元、3—燃料电池控制器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的一种在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，如图1和2所示，它包括诊断分析单元2和燃料电池控制器3，其中，所述诊断分析单元2用于计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差stdevV，并将该单电池电压标准方差stdevV与单电池电压标准方差参考值stdevVref(范围在0～50mV)进行比较；
诊断分析单元2还用于计算电堆工作电流下的单电池平均电压AverV，并将该单电池平均电压AverV与单电池平均电压参考值AverVref(范围在500～1000mV)进行比较；
诊断分析单元2还用于在t时刻增加空气流量ΔQair和排氢量ΔQhydrogen(空气流量ΔQair和排氢量ΔQhydrogen均增加1-5％)，并持续Δt(0.5～5S)时间，比较t-Δt时间内的|ΔV1/ΔI1|和t+Δt时间内的|ΔV2/ΔI2|，ΔV1表示t-Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI1表示t-Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量，ΔV2表示t+Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI2表示t+Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量；
所述燃料电池控制器3用于根据诊断分析单元2的以上比较结果进行对应的燃料电池水状态控制使燃料电池系统恢复正常工作状态，水状态包括正常，膜干燥和水淹。
上述技术方案中，增加空气流量ΔQair和排氢量ΔQhydrogen能导致电压和电流的波动，从而产生一个斜率|ΔV2/ΔI2|，即引入一个扰动，通过这种斜率的波动来判断膜的水状态。
上述技术方案中，它还包括数据采集单元1，所述数据采集单元1用于实时采集燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流。
上述技术方案中，所述诊断分析单元2用于根据数据采集单元1得到的燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差stdevV；诊断分析单元2用于根据数据采集单元1得到的燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流计算电堆工作电流下的单电池平均电压AverV。
上述技术方案中，所述诊断分析单元2用于根据数据采集单元1得到的燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流计算t-Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量ΔV1，t-Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量ΔI1，t+Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量ΔV2，t+Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量ΔI2。
上述技术方案中，如果相同电流下，stdevV＜stdevVref且AverV＞AverVref，诊断分析单元2判断为此时燃料电池水状态正常，此时相同电流下，体现在性能变好，水优化，正常时，控制器不采取特别的措施。
上述技术方案中，如果stdevV＞stdevVref且AverV＜AverVref且|ΔV2/ΔI2|＞|ΔV1/ΔI1|，诊断分析单元2判断为燃料电池质子交换膜干燥，此时，性能变差，内阻增加，燃料电池控制器3控制增湿系统提高空气湿度，并控制排氢阀减少排氢量，直到参考水状态正常。
如果stdevV＞stdevVref且Aver V＜AverVref且|ΔV2/ΔI2|＜|ΔV1/ΔI1|，诊断分析单元2判断为燃料电池水淹，此时性能变差，内阻减小了，燃料电池控制器3控制空压机增加空气供应流量，并控制氢气循环泵提高氢气流速，同时控制排氢阀增加排氢量，直到参考水状态正常。
上述技术方案中，所述数据采集单元1通过燃料电池堆的单片电压采集系统(CVM)采集燃料电池堆单电池电压，通过燃料电池堆母线外加电流传感器或者燃料电池堆的DC/DC(Direct current-Direct current converter)内部的电流传感器采集燃料电池堆工作电流(对于燃料电池系统，DC/DC和燃料电池堆连接，电流传感器可以放置在DC/DC上来检测燃料电池堆电流)。
上述技术方案中，诊断分析单元2判断为燃料电池水淹时，燃料电池控制器3控制空压机，提高转速，或者同时增加背压阀开度，增加进入电堆的空气流量，带走阴极多余的水分；燃料电池控制器3控制电磁阀，使得经过中冷器后的干空气，不经过膜增湿器进入燃料电池堆，干空气直接进入燃料电池堆，稀释阴极水分；燃料电池控制器3控制氢气循环装置，提高转速，或者同时增加排氢频率或者排氢时长，增加进入电堆的氢气流量，带走阳极多余的水分，直到水状态正常。
一种在线监控燃料电池水状态的方法，它包括如下步骤：
步骤1：数据采集单元1实时采集燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流；
步骤2：诊断分析单元2计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差stdevV，并将该单电池电压标准方差stdevV与单电池电压标准方差参考值stdevVref进行比较；
诊断分析单元2计算电堆工作电流下的单电池平均电压AverV，并将该单电池平均电压AverV与单电池平均电压参考值AverVref进行比较；
诊断分析单元2在t时刻增加空气流量ΔQair和排氢量ΔQhydrogen，并持续Δt时间，比较t-Δt时间内的|ΔV1/ΔI1|和t+Δt时间内的|ΔV2/ΔI2|，ΔV1表示t-Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI1表示t-Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量，ΔV2表示t+Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI2表示t+Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量；
步骤3：如果stdevV＜stdevVref且AverV＞AverVref，诊断分析单元2判断为此时燃料电池水状态正常；
如果stdevV＞stdevVref且AverV＜AverVref且|ΔV2/ΔI2|＞|ΔV1/ΔI1|，诊断分析单元2判断为燃料电池质子交换膜干燥，此时，燃料电池控制器3控制增湿系统提高空气湿度，并控制排氢阀减少排氢量；
如果stdevV＞stdevVref且Aver V＜AverVref且|ΔV2/ΔI2|＜|ΔV1/ΔI1|，诊断分析单元2判断为燃料电池水淹，燃料电池控制器3控制空压机增加空气供应流量，并控制氢气循环泵提高氢气流速，同时控制排氢阀增加排氢量。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于，它包括诊断分析单元(2)和燃料电池控制器(3)，其中，所述诊断分析单元(2)用于计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差stdevV，并将该单电池电压标准方差stdevV与单电池电压标准方差参考值stdevVref进行比较；
诊断分析单元(2)还用于计算电堆工作电流下的单电池平均电压AverV，并将该单电池平均电压AverV与单电池平均电压参考值AverVref进行比较；
诊断分析单元(2)还用于在t时刻增加空气流量ΔQair和排氢量ΔQhydrogen，并持续Δt时间，比较t-Δt时间内的|ΔV1/ΔI1|和t+Δt时间内的|ΔV2/ΔI2|，ΔV1表示t-Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI1表示t-Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量，ΔV2表示t+Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI2表示t+Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量；
所述燃料电池控制器(3)用于根据诊断分析单元(2)的以上比较结果进行对应的燃料电池水状态控制。
2.根据权利要求1所述的在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于：它还包括数据采集单元(1)，所述数据采集单元(1)用于实时采集燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流。
3.根据权利要求2所述的在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于：所述诊断分析单元(2)用于根据数据采集单元(1)得到的燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差stdevV；诊断分析单元(2)用于根据数据采集单元(1)得到的燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流计算电堆工作电流下的单电池平均电压AverV。
4.根据权利要求2所述的在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于：所述诊断分析单元(2)用于根据数据采集单元(1)得到的燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流计算t-Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量ΔV1，t-Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量ΔI1，t+Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量ΔV2，t+Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量ΔI2。
5.根据权利要求1所述的在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于：如果stdevV＜stdevVref且AverV＞AverVref，诊断分析单元(2)判断为此时燃料电池水状态正常。
6.根据权利要求1所述的在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于：如果stdevV＞stdevVref且AverV＜AverVref且|ΔV2/ΔI2|＞|ΔV1/ΔI1|，诊断分析单元(2)判断为燃料电池质子交换膜干燥，此时，燃料电池控制器(3)控制增湿系统提高空气湿度，并控制排氢阀减少排氢量。
7.根据权利要求1所述的在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于：如果stdevV＞stdevVref且Aver V＜AverVref且|ΔV2/ΔI2|＜|ΔV1/ΔI1|，诊断分析单元(2)判断为燃料电池水淹，燃料电池控制器(3)控制空压机增加空气供应流量，并控制氢气循环泵提高氢气流速，同时控制排氢阀增加排氢量。
8.根据权利要求2所述的在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于：所述数据采集单元(1)通过燃料电池堆的单片电压采集系统采集燃料电池堆单电池电压，通过燃料电池堆母线外加电流传感器或者燃料电池堆的DC/DC内部的电流传感器采集燃料电池堆工作电流。
9.根据权利要求7所述的在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，其特征在于：诊断分析单元(2)判断为燃料电池水淹时，燃料电池控制器(3)控制空压机，提高转速，或者同时增加背压阀开度，增加进入电堆的空气流量，带走阴极多余的水分；燃料电池控制器(3)控制电磁阀，使得经过中冷器后的干空气，不经过膜增湿器进入燃料电池堆，干空气直接进入燃料电池堆，稀释阴极水分；燃料电池控制器(3)控制氢气循环装置，提高转速，或者同时增加排氢频率或者排氢时长，增加进入电堆的氢气流量，带走阳极多余的水分。
10.一种在线监控和恢复燃料电池水状态的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：数据采集单元(1)实时采集燃料电池堆单电池的电压和燃料电池堆工作电流；
步骤2：诊断分析单元(2)计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差stdevV，并将该单电池电压标准方差stdevV与单电池电压标准方差参考值stdevVref进行比较；
诊断分析单元(2)计算电堆工作电流下的单电池平均电压AverV，并将该单电池平均电压AverV与单电池平均电压参考值AverVref进行比较；
诊断分析单元(2)在t时刻增加空气流量ΔQair和排氢量ΔQhydrogen，并持续Δt时间，比较t-Δt时间内的|ΔV1/ΔI1|和t+Δt时间内的|ΔV2/ΔI2|，ΔV1表示t-Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI1表示t-Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量，ΔV2表示t+Δt时间内燃料电池堆单电池的电压变化量，ΔI2表示t+Δt时间内燃料电池堆的工作电流变化量；
步骤3：如果stdevV＜stdevVref且AverV＞AverVref，诊断分析单元(2)判断为此时燃料电池水状态正常；
如果stdevV＞stdevVref且AverV＜AverVref且|ΔV2/ΔI2|＞|ΔV1/ΔI1|，诊断分析单元(2)判断为燃料电池质子交换膜干燥，此时，燃料电池控制器(3)控制增湿系统提高空气湿度，并控制排氢阀减少排氢量；
如果stdevV＞stdevVref且Aver V＜AverVref且|ΔV2/ΔI2|＜|ΔV1/ΔI1|，诊断分析单元(2)判断为燃料电池水淹，燃料电池控制器(3)控制空压机增加空气供应流量，并控制氢气循环泵提高氢气流速，同时控制排氢阀增加排氢量。
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