CN111584904B - 燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统，包括有氢气流量计、电流表、数值分析和运算部分、逻辑判断和控制部分、氢气泄漏报警器和氢气阀开关控制器。本发明是对燃料电池堆的输出电流进行实时测量，并根据燃料电池相应的化学反应原理，把测得的输出电流换算成相对应的燃料气体的反应量。同时对燃料储气罐的供气流量也进行实时测量，然后通过对比实际测得的燃料气体的消耗量和参加相对应的化学反应的气体反应量，来判断整个系统是否有燃料气体泄漏。因此本系统操作简单，准确可靠。

Description

燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统。
背景技术
随着全球范围内的能源危机和环境污染等的日益加重，很多国家都在不断地探索和使用清洁能源，尤其是清洁能源在汽车等交通领域上的应用越来越广泛。为此，电动汽车近年来得到大力推广。然而电动汽车目前由于其电池技术的局限性所造成的续航能力相对短以及充电时间较长等原因，和传统的燃油车相比目前仍然无法满足用户的要求。因此很多先进的国家近年来都在加紧燃料电池汽车的技术研发。
氢燃料电池是通过氢气和氧气的化学反应，其生成物是电能和纯净水，没有任何有害物质。因此是真正意义上的清洁能源。氢燃料电池具有很多潜在的优势。例如，氢气的能量密度高于汽油三倍，其能量转换效率也高于内燃机效率；氢燃料充气时间以及燃料电池汽车的续航能力完全可以和传统的汽油车相媲美。因此从能源的利用和环境保护方面来说，燃料电池汽车是理想的日常交通工具。
近年来，无论是燃料电池技术本身还是燃料电池在汽车应用上都已经取得了重大进展。日本的丰田汽车公司已经开始把燃料电池汽车商业化，并投放到市场了。然而，燃料电池汽车目前仍然存在着不少技术性挑战，例如燃料电池堆的使用寿命相对较短、制造成本也比较高等等。而作为燃料的氢气在运输储存和安全使用等方面也需要进一步提高和完善。由于氢气本身具有易燃易爆性，而且车载氢气燃料罐的压力高至近90MPa，因此车载氢气储气罐具有一定的危险性。另一方面，燃料电池汽车中的燃料电池堆和氢气储气罐的安装一般来说相对分开，供气管路较长。同时，由于汽车在运行过程中经常颠簸和震动，可能会导致氢气供气管路以及燃料电池堆的密封等处松动或破损而导致氢气泄漏，这样既浪费氢气燃料又产生安全隐患。因此必须对整个燃料电池及其氢燃料供气系统实施氢气泄漏自动监测。一旦发现氢气泄漏，就应该立即启动车载氢气泄漏自动报警系统，并及时维修，以防止任何燃料泄漏而造成的危险事故。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统。本系统是对燃料电池堆的输出电流进行实时测量，并根据燃料电池相应的化学反应原理，把测得的输出电流换算成相对应的燃料气体的反应量。同时对燃料储气罐的供气流量也进行实时测量，然后通过对比实际测得的燃料气体的消耗量和参加相对应的化学反应的气体反应量，来判断整个系统是否有燃料气体泄漏。因此本系统操作简单，准确可靠。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统，包括有：
氢气流量计，安装在燃料电池系统中的氢气储气罐的出口端，测量氢气储气罐出口端的氢气实际流量NH2_M；
电流表，安装在燃料电池堆的负极输出端，测量燃料电池堆输出电流Ifc；
数值分析和运算部分，根据下面公式(1)或公式(2)把实际测得的燃料电池堆的输出电流Ifc换算成相应的氢气在化学反应过程中的反应量NH2_C，然后将氢气实际流量NH2_M和反应量NH2_C两个量进行比较，并根据公式(3)计算出整个燃料系统中的氢气泄漏量ΔNH2；
所述的公式(1)为：
Figure BDA0002508749930000021
所述的公式(2)为：
NH2_C＝n x Ifc x 3.2 x 10-5 (2)
所述的公式(3)为：
ΔNH2＝NH2_M-NH2_C (3)
上述公式中，n是燃料电池堆中串联在一起的燃料电池单元的总数；F是法拉第常数，F＝96485库伦；Ifc是实际测得的燃料电池堆的输出电流；
逻辑判断和控制部分，根据整个燃料系统中的氢气的实际消耗量和参加化学反应的计算值之间的差值ΔNH2来判断氢气是否泄露，若判断氢气泄露，则分别发送控制信号给氢气泄漏报警器和氢气阀开关控制器；
氢气泄漏报警器，接收到控制信号后，发出报警；
氢气阀开关控制器，接收到控制信号后，控制氢气储气罐出口端的氢气控制阀关闭。
所述的逻辑判断和控制部分的具体判断方法如下：
将公式(3)转换成公式(4)，如下：
Figure BDA0002508749930000031
为了避免因燃料电池的不同的规格和容量对其误差值设定的影响，用公式(4)计算ΔNH2相对值；
在没有任何测量误差的情况下，ΔNH2总是大于或等于零，在理想状态下，当ΔNH2＝0的时候，进入燃料电池堆的氢气全部参加化学反应，因此整个燃料电池系统没有任何氢气泄漏；
当计算差值ΔNH2>0的时候，燃料电池系统是否出现氢气泄漏现象，需要进一步对ΔNH2的值分析和判断：
设定触发不同报警方式的门限值Nα和Nβ，Nα和Nβ的数值反映燃料电池系统的氢气泄漏的严重程度，而且Nβ>Nα，Nβ表示系统氢气泄漏更严重；首先在空载运转的情况下，即燃料电池的输出电流Ifc为零的情况下，对燃料电池系统进行测试和分析，尤其测试燃料电池堆的质子交换膜内部的氢气分子和电子的渗透情况，并根据实验测试的结果来设定Nα值；Nα值表示整个燃料电池堆内部直接从负极渗透过质子交换膜到正极的氢气分子和渗透到正极的电子所对应的氢气反应量以及整个控制系统的测量误差等总和；而Nβ的数值是由燃料电池以及氢气燃料的相关使用标准中所规定的氢气燃料泄漏的最大允许值来确定；
当0<ΔNH2≤Nα的时候，表明燃料电池系统没有氢气燃料对外泄漏的问题；
当ΔNH2>Nα的时候，说明系统有轻微的氢气泄漏，发出报警信号，启动氢气泄漏报警器报警；
当ΔNH2≥Nβ的时候，说明燃料电池系统出现相对严重的氢气泄漏现象，发出控制信号给氢气阀开关控制器，立即关闭氢气控制阀，停止对燃料电池堆供给氢气燃料。
还包括有燃料电池操作系统主控制器，当ΔNH2≥Nβ，燃料电池系统出现相对严重的氢气泄漏现象，立即自动关闭氢气控制阀，同时发出控制信号给燃料电池操作系统的主控制器，启动燃料电池系统的紧急安全关闭程序，自动关闭整个燃料电池系统。
在燃料电池堆负极(氢气燃料一侧)的杂质气体排放口安装有杂质尾气排气控制阀，为了防止由氢气尾气杂质排放时所引起的误动作，必须实时监控杂质尾气排气控制阀的状态；为了防止杂质尾气排气阀在打开期间所排放的氢气而引起燃料气体泄漏探测系统的误动作，尾气排气阀控制器输出该排气阀门的状态信号0或者1，0表示杂质尾气排气阀门处于关闭状态，1则表示杂质尾气排气控制阀处于打开状态，所述状态信号是一个数字信号，即当杂质尾气排气控制阀处于打开状态、释放尾气杂质的时候，其状态信号为“1”，经过一个逻辑控制“非门”之后，该信号变成“0”，并输送到逻辑判断与控制部分的2个逻辑“与门”A1和A2，这时这2个“与门”的输出信号也均为“0”，逻辑“与门”A1是控制氢气泄漏报警器，而逻辑“与门”A2是控制氢气阀开关控制器和燃料电池操作系统的主控制器；当这个杂质尾气排气阀处于打开状态排放尾气的时候，无论ΔNH2的数值大小，这2个“与门”A1和A2的输出信号皆为“0”，因此既不触发任何报警系统，也不关闭氢气控制阀。只有当杂质尾气排气控制阀处于关闭状态的时候，即该状态信号为“0”，经过相同的逻辑“非门”之后，该状态信号变成“1”，这样，当燃料电池系统出现轻微的氢气泄漏的时候，即ΔNH2≥Nα的时候，逻辑“与门”A1输出逻辑控制信号“1”给氢气泄漏报警器，触发报警；这时候的逻辑“与门”A2输出逻辑控制信号仍然为“0”，不触发氢气阀开关控制器；只有当燃料电池系统出现比较严重的氢气泄漏，即ΔNH2值增大到满足ΔNH2≥Nβ的时候，逻辑“与门”A2输出逻辑控制信号“1”给氢气阀开关控制器，立即关闭氢气控制阀，停止对燃料电池堆供给氢气燃料；同时逻辑“与门”A2也输出控制逻辑信号“1”给燃料电池操作系统的主控制器，启动燃料电池系统的紧急安全关闭程序，自动关闭整个燃料电池系统。
本发明的优点是：
1)本系统检测准确、性能可靠
本系统是对燃料电池堆的输出电流进行实时测量，并根据燃料电池的相应的化学反应原理，把测得的输出电流换算成相对应的氢气燃料的反应量。同时对燃料储气罐由控制阀释放的氢气实际消耗量也进行实时测量，然后通过对比这些测得的实际氢气消耗量和参加化学反应的氢气反应量，来判断整个系统是否有氢气燃料泄漏。因此本系统检测准确、性能可靠。
2)本系统操作简单、实用性强。
一般来说，燃料电池汽车中的燃料电池堆和氢气储气罐的安装相对分开，供气管路较长。因此如果使用传统的氢气探测传感器的话，需要在多处安装多个氢气探测传感器。另外，氢气又极易在空气中散发，使用传统的氢气探测传感器的时候，对于轻微的氢气泄漏不易探测。而本系统是通过对比测得的实际氢气消耗量和参加化学反应的氢气反应量来判断整个系统是否漏气。因此能够准确地探测整个燃料电池系统中任何地方的微量的氢气泄漏，同时又避免了多处安装传统的氢气探测器，使得整个氢气漏气探测系统结构简单、实用可靠。
3)本系统适用性广泛
本系统的工作原理虽然是从质子交换膜燃料电池(氢燃料电池)的化学反应原理中推导出来的，同样适用于其他气体作为燃料的燃料电池系统中的气体燃料泄漏的自动探测和报警。对于其他气体作为燃料的燃料电池系统，只需要根据相应的燃料电池内部的化学反应原理，得出该燃料气体在其化学反应过程中每个气体分子所释放的电子数量，并用下列公式(5)计算出该气体参加化学反应的反应量和燃料电池堆输出电流之间的比例关系，然后运用本系统的所有相关原理，便可对相应的气体燃料泄漏进行自动检测。
Figure BDA0002508749930000051
在上述公式(5)中，NG是参加与该种燃料电池相应的化学反应的燃料气体G的反应量的计算值，单位是摩尔/秒(mol/s)；Ifc是该种燃料电池堆所产生的电流(安培)；n是该种燃料电池堆中串联在一起的燃料电池单元的总数，由燃料电池的制造厂家根据其燃料电池堆的产品规格要求所确定；m是该种燃料电池所使用的燃料气体的每个分子在其化学反应过程中所释放的电子数量。对于氢燃料电池来说，m＝2,公式(5)就变成了公式(1)；F是法拉第常数。因此，本系统适用性十分广泛，适用于所有类型的气体燃料的燃料电池系统中的燃料泄漏自动检测。
4)本系统灵活性高
本系统对于不同的燃料电池的制造厂家所生产的不同品牌以及不同规格的燃料电池，只需要该燃料电池的生产厂家根据所生产的燃料电池而测出的氢分子和电子在其质子交换膜内部的渗透程度，调整下述系统构成中所解释的相应的参数Nα和Nβ，便可以使用本系统对其燃料电池系统中的气体燃料的泄漏进行准确检测。这里的参数Nα和Nβ的具体数值应该由燃料电池制造厂根据相关的燃料电池中的电解质的材料性能和质量以及气体燃料的使用标准来设定。对于其它类型的燃料电池，需要测量其导电离子以及电子在相对应的电解质中的渗透程度，以便确定相应的Nα和Nβ的参数值。
另外，如果燃料电池反应堆内部的质子交换膜(或其它材料的电解质)在使用过程中破损的话，也会导致氢气在燃料电池堆内部直接通过质子交换膜从负极泄漏到正极，并在正极和压缩空气中的氧气进行化学反应产生水，或者随着剩余的压缩空气一起由正极的空气排放口排放出去。而这种通过燃料电池内部破损的电解质(质子交换膜)泄漏的氢气，由于在正极和氧气反应生成水，或者混杂在压缩空气的尾气中，很难被传统的氢气浓度传感器准确地探测出来。但是，本系统是根据燃料氢气的实际消耗量和参加化学反应的反应量之间的差值来判断是否有氢气燃料泄漏。因此本系统既可以准确地探测燃料电池系统的气体燃料对外部泄漏，同时也可以准确地探测燃料电池内部的质子交换膜(电解质)的局部破损而导致的这种燃料气体的内部泄漏。这也是本系统最显著的优势之一。
附图说明
图1为质子交换膜燃料电池基本结构示意图。
图2为本发明原理示意图。
图3为本发明基本结构示意图。
具体实施方式
燃料电池根据其工作原理和结构以及使用的燃料等不同，主要分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、融碳燃料电池、以及固态氧化物燃料电池等不同类型。但是它们的基本结构相似，都是由正极(Cathode)、负极(Anode)以及夹在正负电极之间的电解质(Electrolyte)所构成。其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell)由于其功率密度相对大、反应时间快、工作温度相对低、以及电解质为固态质子膜等特点，目前被广泛用作汽车等交通工具的动力。一般来说，单个的燃料电池单元的输出电压在1V左右甚至更低。因此，需要把相同的燃料电池单元串联在一起，形成燃料电池堆，增加其输出电压以满足实际应用的要求。
质子交换膜燃料电池是以氢气作为燃料，因此有时也被称作氢燃料电池。质子交换膜燃料电池的基本结构如图1所示。这种燃料电池的正负电极的表面目前都需要镀上金属铂(Pt)作为催化剂，在正负电极之间的电解质使用质子交换膜这种材料，故而被称作质子交换膜燃料电池。这种质子交换膜的材料特点是只允许质子(H+)自由通过，而阻断电子和氢气分子通过。当氢气进入燃料电池的负极(Anode)之后，在负极表面上镀有的金属铂的催化作用下，氢分子被分解成质子和电子。其质子通过质子交换膜渗透到正极(Cathode)，而电子由其负极输出到外部电路，形成电流，对外部负载做功。另一方面，氧气一般由压缩空气供给。当氧气进入到燃料电池的正极(Cathode)之后，在正极表面上镀有的金属铂的催化作用下，氧气分子和由质子交换膜渗透过来的质子以及由外部电路导入的电子重新结合，生成纯水和热量。
质子交换膜燃料电池的总体化学反应方程式如下：
Figure BDA0002508749930000071
上述化学反应方程式(6)所表示的化学反应过程中，每个氢气分子释放出2个电子之后变成2个质子。所释放出来的电子通过其负极流向外部电路形成电流。同理，每摩尔(Mole)氢气在上述的化学反应过程中就会释放2NA个电子，其相应的电荷总量由下列公式(7)所得出：
-2NAe-＝-2F (7)
在上述公式(7)中，e-是每个电子所带的电荷量，e-＝1.60217662 x 10-19库伦(Coulombs)；NA是阿伏伽德罗常数(Avogadro Constant)，NA＝6.022140857 x 1023；F是法拉第常数(Faraday Constant)，F＝96485库伦(Coulombs)。因此在没有任何损耗的理想状态下，根据公式(7)推导出参加该化学反应所消耗的氢气量直接和燃料电池堆所产生的电流成正比关系，这种比例关系如公式(1)所示。
Figure BDA0002508749930000081
在上述公式(1)中，NH2_C是参加上述化学反应的氢气使用量的计算值，单位是摩尔/秒(mol/s)；Ifc是燃料电池堆所产生的电流(安培)；n是燃料电池堆中串联在一起的燃料电池单元的总数，由燃料电池的制造厂家根据燃料电池堆的产品规格要求所确定；F是公式(7)所示的法拉第常数。如果用其它计量单位来表示氢气的使用量的话，例如用标准状况下的立方米/小时(m3/h)的话，并把F＝96485代入上述公式(1)，便得到：
NH2_C＝n×Ifc×3.2×10-5 (2)
氢气使用量的计量单位可以根据实际应用需要，使用其它任何计量单位，但是上述公式(1)和公式(2)需要进行相应的计量单位之间的换算。
上述的公式(1)和(2)清楚地表明，在没有任何损耗的理想状态下，氢气在化学反应过程中的使用量和燃料电池堆的输出电流成正比关系。因此通过测量燃料电池堆的输出电流，就可以算出相应的氢气燃料的使用量。这就是本系统的理论依据。
本系统的基本原理结构如图2所示。在高压氢气燃料储气罐1的氢气控制阀2的出口附近安装一个数字式氢气流量计3，用于测量和监控氢气的实际使用量(NH2_M)。同时在燃料电池堆4的输出电路中(负极的输出端附近)安装一个数字式电流表5，测量燃料电池的实际输出电流(Ifc)。这个实际测得的电流值根据上述公式(1)或公式(2)的比例关系，转换成相应的氢气反应量的计算值(NH2_C)。在没有任何氢气泄漏以及没有任何氢气分子或电子通过质子膜渗透到正电极等的理想状况下，实际测量的氢气使用量(NH2_M)应该等于氢气化学反应量的计算值(NH2_C)，即下列公式(8)成立。
NH2_M＝NH2_C (8)
然而，在实际使用的燃料电池堆4里，进入负极反应腔里的氢气往往不是全部都参加化学反应。例如，正负电极之间的质子交换膜(电解质)，理论上来说只允许氢质子从其中通过由负极渗透到达正极，而阻隔氢气分子和电子从其中渗透。但是由于质子交换膜的材料本身的制造工艺和质量等原因，往往不能完全阻断氢气分子和电子的渗透，因此仍然有微量的氢气分子没有参加化学反应而直接渗透过质子交换膜到正极表面。这样的氢气分子的渗透量(NH2_P)虽然很小，但是由于没有参加化学反应，也没有释放任何电子，而直接渗透到正极，并且在多数情况下和正极里的氧气结合生成水，因而造成氢燃料浪费。另外，氢气分子在燃料电池负极的化学反应过程中所释放出来的电子理论上说应该全部通过外部电路流向正极，形成工作电流。但是实际的燃料电池堆4中，仍然有微量的电子从负极的表面直接渗透过质子交换膜，到达正极。这部分直接通过质子交换膜内部渗透到正极的电子所形成的内部漏电流(I_lk)，虽然很微量，也影响了燃料电池整体效率。
考虑到这些氢气分子和电子在燃料电池内部的质子交换膜中的渗透因素、以及整个燃料电池和氢气供气系统等的氢气泄漏因素，结合上述的公式(2)和公式(8)，得出下列公式(9)。
NH2_M-NH2_lk-HH2_P＝NH2_C+NH2_Ilk (9)
在上述公式(9)中，NH2_M是测得的氢气的实际使用量，NH2_lk是整个燃料电池系统中的由氢气管路以及燃料电池堆4密封等处的松动或破损等原因直接向燃料电池系统外面泄漏的氢气的总量；NH2_P是通过质子交换膜内部直接从负极渗透到正极的氢气的总量；NH2_C是根据燃料电池堆的输出电流Ifc计算出的相应的氢气反应量的计算值；I_lk是氢气分子在负极上释放出来的电子没有通过外部电路而直接通过质子交换膜内部由负极渗透到正极时所形成的内部漏电流；NH2_Ilk是与内部漏电流(I_lk)相对应的氢气反应量的计算值，根据公式(2)算出，并表示如下：
NH2_Ilk＝n×I_lk×3.2×1O-5 (10)
在上述公式(9)中，直接通过质子交换膜内部从负极渗透到正极的氢气的总量(NH2_P)以及渗透的电子所对应的氢气反应量(NH2_Ilk)等这些内部渗透损耗，可以通过对燃料电池堆4的质子交换膜的质量分析并由实验测得。对于高质量的质子交换膜来说，这些渗透量很小，有时可以忽略。因此公式(9)将变成公式(11)。
NH2_M-NH2_lk＝WH2_C (II)
将公式(11)稍加整理，即可得到整个燃料系统中的氢气泄漏量：
NH2_lk＝NH2_M-NH2_C＝ΔNH2 (12)
公式(12)表示，在忽略质子交换膜内部渗透的氢分子和电子等情况下，如果实际测得的氢气使用量(NH2_M)大于根据燃料电池堆4输出电流所计算出的氢气反应量(NH2_C)的话，即NH2_lk＝ΔNH2>0，说明系统中有氢气泄漏。这就是本系统的工作原理。公式(12)适用于所有以氢气作为燃料的燃料电池系统。
本系统的基本构成如图3所示，由数字式氢气流量计3和数字式电流表5所构成的测量部分、氢气泄露报警和控制系统8、氢气泄漏报警器7、以及氢气阀开关控制器6等各部分所组成。氢气泄露报警和控制系统8包括有数值分析、运算部分、逻辑判断和控制部分。
首先，用数字式氢气流量计3测量氢气控制阀2的氢气实际流量(NH2_M)，同时用数字式电流表5测量燃料电池的外部输出电流(Ifc)，然后根据公式(1)或公式(2)换算成相应的氢气在化学反应过程中的反应量(NH2_C)。最后将这两个量进行比较，并根据公式(12)计算出差值ΔNH2。为了避免因燃料电池的不同的规格和容量对其误差值设定的影响，一般用下列公式(4)计算ΔNH2相对值。
Figure BDA0002508749930000111
在没有任何测量误差的情况下，ΔNH2总是大于或等于零。在理想状态下，当ΔNH2＝0的时候，进入燃料电池堆4的氢气全部参加方程(6)所表示的化学反应，因此整个燃料电池系统没有任何氢气泄漏。
当计算差值ΔNH2>0的时候，燃料电池系统是否出现氢气泄漏现象，需要进一步对ΔNH2的值分析和判断。
这里需要设定触发不同报警方式的门限值Nα和Nβ。Nα和Nβ的数值也反映燃料电池系统的氢气泄漏的严重程度，而且Nβ>Nα。Nβ表示系统氢气泄漏更严重。一般来说，燃料电池制造厂首先应该在空载运转的情况下，即燃料电池的输出电流Ifc为零的情况下，对燃料电池系统进行测试和分析，尤其需要测试燃料电池堆4的质子交换膜内部的氢气分子和电子的渗透情况，并根据实验测试的结果来设定Nα值。也就是说，Nα值表示整个燃料电池堆4内部直接从负极渗透过质子交换膜到正极的氢气分子和渗透到正极的电子所对应的氢气的反应量以及整个控制系统的测量误差等总和。而Nβ的数值是由燃料电池以及氢气燃料的相关使用标准中所规定的氢气燃料泄漏的最大允许值来确定。
当0<ΔNH2≤Nα的时候，表明燃料电池系统没有氢气燃料对外泄漏的问题。
当ΔNH2>Nα的时候，说明系统由轻微的氢气泄漏，应该发出报警信号，启动氢气泄漏报警灯或声音报警器，通知燃料电池系统的操作和维修人员，应该尽快安全关闭燃料电池系统，并及时对燃料电池及其供气系统进行燃料气体泄漏的确认和维修。
当ΔNH2≥Nβ的时候，说明燃料电池系统出现相对严重的氢气泄漏现象，这时候的逻辑判断电路输出一个高电位的数字逻辑控制信号给氢气阀开关控制器6，并由该控制器直接关闭氢气控制阀2门，停止对燃料电池堆供给氢气燃料。这里的Nβ是紧急关闭氢气控制阀2门的门限最小值，当整个燃料电池系统的氢气的总泄漏量达到Nβ值的时候，应该立即自动关闭氢气控制阀2，同时启动燃料电池系统的主控制器9中的系统紧急安全关闭程序，自动关闭整个燃料电池系统，以防止因氢气泄漏而引起的任何事故。
为了防止由氢气尾气杂质排放时所引起的氢气泄漏检测和报警系统的误动作，该控制系统必须实时监控其氢气尾气杂质控制阀的状态。氢燃料电池一般都是使用99.9％以上纯度的氢气作为燃料。但是氢气中仍然含有微量的氮气和其他惰性杂质气体。因此，在氢燃料电池反应堆的的负极氢气反应腔的另一端一般需要安装一个杂质尾气排放阀门10，如图2所示。这个阀门通常情况下是关闭状态，以确保氢气在反应腔内充分参加化学反应。这些杂质和惰性气体的浓度随着氢气参加化学反应而逐渐在氢气反应腔内不断地积累，导致氢气反应腔里的氢气的相对浓度和纯度下降。当氢气的相对浓度下降到一定程度的时候，氢气尾气排气阀控制器将自动开打排气口的尾气排气阀门10，排放这些残存在氢气反应腔内的杂质气体，同时也相应地排放了一部分氢气。为了尽量减少氢气排放而浪费燃料，这个排放阀门每次打开的时间都非常短，一般在几秒以内，就立即自动关闭。该排气阀门每次打开时间的长短应该根据燃料电池堆4的容量以及燃料电池系统的实际工作要求等决定。
综上所述，为了防止该尾气排气阀在打开期间所排放的氢气而引起燃料气体泄漏探测系统的误动作，需要该尾气排气阀控制器输出该排气阀门的状态信号0或者1。0表示该排气阀门处于关闭状态，1则表示该阀门处于打开状态，如图3所示。这个状态信号是一个数字信号，即当该排气阀处于打开状态、释放尾气杂质的时候，其状态信号为“1”，经过一个逻辑控制“非门”之后，该信号变成“0”，并输送到控制器里相应的2个逻辑“与门”A1和A2，这样，这2个“与门”的输出信号也均为“0”。逻辑“与门”A1是控制氢气泄漏报警器，而逻辑“与门”A2是控制氢气阀门控制器和燃料电池系统的主控制器。当这个杂质尾气排气阀处于打开状态排放尾气的时候，无论ΔNH2的数值大小，这2个“与门”A1和A2的输出信号皆为“0”，因此既不触发任何报警系统，也不关闭氢气控制阀2。只有当该尾气排放阀处于关闭状态的时候，即该状态信号为“0”，经过相同的逻辑“非门”之后，该状态信号变成“1”。这样，当燃料电池系统出现轻微的氢气泄漏的时候，即当ΔNH2>Nα时，逻辑“与门”A1输出逻辑控制信号“1”给氢气泄漏报警器，触发该报警器。这时候的逻辑“与门”A2输出逻辑控制信号仍然为“0”，不触发氢气控制阀2的控制器6。只有当燃料电池系统出现比较严重的氢气泄漏，即ΔNH2值增大到满足ΔNH2≥Nβ的时候，逻辑“与门”A2输出逻辑控制信号“1”给氢气控制阀2的控制器6，并由该控制器立即关闭氢气控制阀2，停止对燃料电池堆供给氢气燃料。同时逻辑“与门”A2也输出控制逻辑信号“1”给燃料电池操作系统的主控制器9，启动燃料电池系统的紧急安全关闭程序，自动关闭整个燃料电池系统，以避免因氢燃料泄漏而引起的燃烧或爆炸事故。如果本系统因燃料电池系统中出现燃料气体泄漏而自动启动之后，应由具备相关资质的人员对整个燃料电池系统的气体燃料的泄漏进行彻底检查和相应的维修、并确认安全之后，才可以恢复燃料电池系统正常工作。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统，其特征在于：包括有：
氢气流量计，安装在燃料电池系统中的氢气储气罐的出口端，测量氢气储气罐出口端的氢气实际流量N H2_M ；
电流表，安装在燃料电池堆的负极输出端，测量燃料电池堆输出电流I fc ；
数值分析和运算部分，根据下面公式(1)或公式(2)把实际测得的燃料电池堆的输出电流I fc 换算成相应的氢气在化学反应过程中的反应量N H2_C ，然后将氢气实际流量N H2_M 和反应量N H2_C 两个量进行比较，并根据公式(3)计算出整个燃料系统中的氢气泄漏量ΔN H2 ；
所述的公式（1）为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
所述的公式（2）为：
N H2_C = n x I fc x 3.2 x 10-5 （2）
所述的公式（3）为：
Figure 485270DEST_PATH_IMAGE002
(3)
上述公式中，n是燃料电池堆中串联在一起的燃料电池单元的总数；F是法拉第常数，F= 96485 库伦；I fc 是实际测得的燃料电池堆的输出电流；
逻辑判断和控制部分，根据整个燃料系统中的氢气的实际消耗量和参加化学反应的计算值之间的差值ΔN H2 来判断氢气是否泄露，若判断氢气泄露，则分别发送控制信号给氢气泄漏报警器和氢气阀开关控制器；
氢气泄漏报警器，接收到控制信号后，发出报警；
氢气阀开关控制器，接收到控制信号后，控制氢气储气罐出口端的氢气控制阀关闭。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统，其特征在于：所述的逻辑判断和控制部分的具体判断方法如下：
将公式（3）转换成公式（4），如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(4)
为了避免因燃料电池的不同的规格和容量对其误差值设定的影响，用公式(4)计算Δ N H2 相对值；
在没有任何测量误差的情况下，ΔN H2 总是大于或等于零，在理想状态下，当ΔN H2 = 0的时候，进入燃料电池堆的氢气全部参加化学反应，因此整个燃料电池系统没有任何氢气泄漏；
当计算差值ΔN H2 > 0的时候，燃料电池系统是否出现氢气泄漏现象，需要进一步对Δ N H2 的值分析和判断：
设定触发不同报警方式的门限值N α 和N β ，N α 和N β 的数值反映燃料电池系统的氢气泄漏的严重程度，而且N β > N α ，N β 表示系统氢气泄漏更严重；首先在空载运转的情况下，即燃料电池的输出电流I fc 为零的情况下，对燃料电池系统进行测试和分析，测试燃料电池堆的质子交换膜内部的氢气分子和电子的渗透情况，并根据实验测试的结果来设定N α 值；N α 值表示整个燃料电池堆内部直接从负极渗透过质子交换膜到正极的氢气分子和渗透到正极的电子所对应的氢气反应量以及整个控制系统的测量误差等总和；而N β 的数值是由燃料电池以及氢气燃料的相关使用标准中所规定的氢气燃料泄漏的最大允许值来确定；
当0 < ΔN H2 ≤ N α 的时候，表明燃料电池系统没有氢气燃料对外泄漏的问题；
当ΔN H2 > N α 的时候，说明系统有轻微的氢气泄漏，发出报警信号，启动氢气泄漏报警器报警；
当ΔN H2 ≥ N β 的时候，说明燃料电池系统出现相对严重的氢气泄漏现象，发出控制信号给氢气阀开关控制器，立即关闭氢气控制阀，停止对燃料电池堆供给氢气燃料。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统，其特征在于：还包括有燃料电池操作系统主控制器，当ΔN H2 ≥ N β ，燃料电池系统出现相对严重的氢气泄漏现象，立即自动关闭氢气控制阀，停止对燃料电池堆供给氢气燃料，同时发出控制信号给燃料电池操作系统的主控制器，启动燃料电池系统的紧急安全关闭程序，自动关闭整个燃料电池系统。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统中的气体燃料泄漏自动检测和安全报警系统，其特征在于：在燃料电池堆负极的杂质气体排放口安装有杂质尾气排气控制阀，为了防止由氢气尾气杂质排放时所引起的误动作，必须实时监控杂质尾气排气控制阀的状态；为了防止杂质尾气排气控制阀在打开期间所排放的氢气而引起燃料气体泄漏探测系统的误动作，杂质尾气排气阀控制器输出杂质尾气排气控制阀的状态信号0或者1，0表示杂质尾气排气控制阀处于关闭状态，1则表示杂质尾气排气控制阀处于打开状态，所述状态信号是一个数字信号，即当杂质尾气排气控制阀处于打开状态、释放尾气杂质的时候，其状态信号为1，经过一个逻辑控制非门之后，该信号变成0，并输送到逻辑判断与控制部分的2个逻辑与门A1和A2，这时这 2个与门的输出信号也均为0，逻辑与门A1是控制氢气泄漏报警器，而逻辑与门A2是控制氢气阀开关控制器和燃料电池操作系统的主控制器；当杂质尾气排气控制阀处于打开状态排放尾气的时候，无论ΔN H2 的数值大小，这2个与门A1和A2的输出信号皆为0，因此既不触发任何报警系统，也不关闭氢气控制阀；只有当杂质尾气排气控制阀处于关闭状态的时候，即该状态信号为0，经过相同的逻辑非门之后，该状态信号变成1，这样，当燃料电池系统出现轻微的氢气泄漏的时候，即ΔNH2 ≥ N α 的时候，逻辑与门A1输出逻辑控制信号1给氢气泄漏报警器，触发报警；这时候的逻辑与门A2输出逻辑控制信号仍然为0，不触发氢气阀开关控制器；只有当燃料电池系统出现比较严重的氢气泄漏，即ΔN H2 值增大到满足ΔNH2 ≥ N β 的时候，逻辑与门A2输出逻辑控制信号1给氢气阀开关控制器，立即关闭氢气控制阀，停止对燃料电池堆供给氢气燃料；同时逻辑与门A2也输出控制逻辑信号1给燃料电池操作系统的主控制器，启动燃料电池系统的紧急安全关闭程序，自动关闭整个燃料电池系统。
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