CN111613816A - 氢燃料电池状态诊断方法、装置及氢燃料电池 - Google Patents

氢燃料电池状态诊断方法、装置及氢燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氢燃料电池状态诊断方法、装置及氢燃料电池，该方法包括：获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差和理论压力差；根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，所述状态包括氢燃料电池发生氢气泄露或氢燃料电池电堆性能下降。本发明能够有效判断氢燃料电池是否发生氢气泄露或者电堆性能下降，从而避免发生安全事故或者及时地对电堆进行更换。

Description

氢燃料电池状态诊断方法、装置及氢燃料电池
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其是涉及一种氢燃料电池状态诊断方法、装置及氢燃料电池。
背景技术
近年来氢能源动力广受关注，电力系统方面也开始趋向于用氢能源代替柴油发电以减少能源消耗、降低环境污染率。在应急发电中需要采用氢燃料电池向负载端供电，在氢燃料电池长期使用过程中，可能会发生氢气泄露或者电堆性能下降，氢气泄露会造成一定的安全隐患，电堆性能下降会导致氢燃料电池发电量减少，因此需要一种能够有效判断氢燃料电池是否发生氢气泄露或者电堆性能下降的方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种氢燃料电池状态诊断方法、装置及氢燃料电池，能够对氢燃料电池的状态作出判断，从而方便判断是否发生氢气泄露或者电堆性能下降。
在本发明的第一方面，提供了一种氢燃料电池状态诊断方法，包括：获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差和理论压力差；根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，所述状态包括氢燃料电池发生氢气泄露或氢燃料电池电堆性能下降。
通过采用以上技术方案，能够有效判断氢燃料电池是否发生氢气泄露或者电堆性能下降，从而避免发生安全事故或者及时地对电堆进行更换
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为，所述状态为氢燃料电池发生氢气泄露，所述根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，包括：判断所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值是否超过预设范围；若是，则氢燃料电池发生氢气泄露。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为，所述状态为氢燃料电池电堆性能下降，所述根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，包括：确定在预设时间段内所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值的变化趋势；若所述差值的变化趋势逐渐增大，则氢燃料电池电堆性能下降。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为，所述状态为氢燃料电池电堆性能下降，所述根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，包括：确定在预设时间段内所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值的波动幅度；若所述波动幅度超出预设幅度，则氢燃料电池电堆性能下降。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为，所述获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差，包括：采用下式计算所述实际压力差：
M＝M1-M2
其中，M为实际压力差，M1为第一时刻氢燃料电池中储氢系统的第一氢气压力，M2为第二时刻氢燃料电池中储氢系统的第二氢气压力。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为，所述获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的理论压力差，包括：采用下式计算所述理论压力差：
M3＝Q/(X1·N·V)
其中，M3为理论压力差，Q为氢燃料电池的总发电量，X1为氢气的发电系数，N为氢燃料电池的储氢系统中氢气瓶的数量，V为氢燃料电池的储氢系统中每个氢气瓶的体积。
在本发明的第二方面，提供了一种氢燃料电池状态诊断装置，包括：压力获取模块，用于获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差和理论压力差；状态确定模块，用于根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，所述状态包括氢燃料电池发生氢气泄露或氢燃料电池电堆性能下降。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为，所述状态为氢燃料电池发生氢气泄露，所述状态确定模块具体用于，判断所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值是否超过预设范围；若是，则氢燃料电池发生氢气泄露。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为，所述状态为氢燃料电池电堆性能下降，所述状态确定模块具体用于，确定在预设时间段内所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值的变化趋势；若所述差值的变化趋势逐渐增大，则氢燃料电池电堆性能下降；或者，所述状态确定模块具体用于，确定在预设时间段内所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值的波动幅度；若所述波动幅度超出预设幅度，则氢燃料电池电堆性能下降。
在本发明的第三方面，提供了一种包括如第二方面中任一项所述的氢燃料电池状态诊断装置的氢燃料电池。
在本发明实施例提供的氢燃料电池状态诊断方法、装置及氢燃料电池中，通过获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差和理论压力差，并根实际压力差和理论压力差确定氢燃料电池的状态，从而能够有效判断氢燃料电池是否发生氢气泄露或者电堆性能下降，进而避免发生安全事故或者及时地对电堆进行更换。
附图说明
图1示出了本发明实施例提供的氢燃料电池监测电路的示意图。
图2示出了本发明实施例提供的氢燃料电池状态诊断方法的流程图。
图3示出了本发明实施例提供的氢燃料电池状态诊断装置的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
图1示出了本发明实施例提供的氢燃料电池监测电路的示意图。如图1所示，氢燃料电池监测电路包括储氢系统101、氢燃料电池102、UPS 103、负载端104。
储氢系统101包括多个氢气瓶，在储氢系统101和氢燃料电池102连接的管道上设置有压力传感器和第一计时器，在负载端104上设置有电流传感器、第二计时器和电压传感器。
UPS即不间断电源(Uninterruptible Power System)，是一种含有储能装置的不间断电源。主要用于给部分对电源稳定性要求较高的设备，提供不间断的电源。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流式电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断(事故停电)时，UPS立即将电池的直流电能，通过逆变器切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。
在本发明实施例中，压力传感器还可以是一个，设置在储氢系统101和氢燃料电池102连接的总管道上，检测储氢系统101和氢燃料电池102连接的总管道处的压力。压力传感器还可以是多个，分别设置在储氢系统101的每个氢气瓶的出气口处，检测每个氢气瓶内的压力。在本发明实施例中，电流传感器和电压传感器分别实时检测负载端的电流和电压。
图2示出了本发明实施例提供的氢燃料电池状态诊断方法的流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤201，获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差和理论压力差。
在一示例中，获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差可以采用下式计算该实际压力差：
M＝M1-M2
其中，M为实际压力差，M1为第一时刻氢燃料电池中储氢系统的第一氢气压力，M2为第二时刻氢燃料电池中储氢系统的第二氢气压力。
第一时刻氢燃料电池中储氢系统的第一氢气压力可以由如图1所示的监测电路中的压力传感器在第一时刻采集，第二时刻氢燃料电池中储氢系统的第二氢气压力可以由如图1所示的监测电路中的压力传感器在第二时刻采集。
在另一示例中，获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的理论压力差可以采用下式计算该理论压力差：
M3＝Q/(X1·N·V)
其中，M3为理论压力差，Q为氢燃料电池的总发电量，X1为氢气的发电系数，N为氢燃料电池的储氢系统中氢气瓶的数量，V为第一时刻至第二时刻的时间段内消耗氢气的体积。
氢燃料电池的总发电量可以采用下式进行计算：
Q＝X1·N·V1·M
其中，Q为氢燃料电池的总发电量，X1为氢气的发电系数，N为氢燃料电池的储氢系统中氢气瓶的数量，V1为氢燃料电池的储氢系统中每个氢气瓶的体积，M为氢燃料电池的储氢系统中每个氢气瓶的压力。
氢燃料电池的储氢系统中每个氢气瓶的压力M可以由如图1所示的监测电路中的压力传感器进行采集。
步骤202，根据实际压力差和理论压力差确定氢燃料电池的状态。氢燃料电池的状态包括氢燃料电池发生氢气泄露或氢燃料电池电堆性能下降。
在一些实施例中，例如氢燃料电池的状态为氢燃料电池发生氢气泄露，则根据实际压力差和理论压力差确定氢燃料电池的状态可以包括：
判断实际压力差和理论压力差之间的差值是否超过预设范围；
若是，则氢燃料电池发生氢气泄露。
当实际压力差和理论压力差之间的差值超过预设范围，则说明实际上用于发电的氢气量小于理论上用于发电的氢气量，即说明氢气发生泄露，有部分氢气泄露到外界环境中，未用于发电。当然，还可能是氢燃料电池的储氢系统中的部分氢气瓶未打开，这种情况也会导致实际压力差和理论压力差之间的差值超过预设范围。
需要说明的是，预设范围可以由本领域技术人员来根据实际情况来灵活地设定，此处不作限定。还需要说明的是，若实际压力差和理论压力差之间的差值未超过预设范围，则说明氢气未泄露或者氢气瓶都已被打开。
在一些实施例中，例如氢燃料电池的状态为氢燃料电池电堆性能下降，则根据实际压力差和理论压力差确定氢燃料电池的状态可以包括：
确定实际压力差和理论压力差之间的差值的变化趋势；
若差值的变化趋势逐渐增大，则氢燃料电池电堆性能下降。
在一示例中，可以在一个坐标系中以时间为横坐标，以实际压力差和理论压力差之间的差值为纵坐标绘制曲线，从而能够观察到实际压力差和理论压力差之间的差值随时间的变化趋势。在另一示例中，还可以以表格的形式，例如横向表头为实际压力差和理论压力差之间的差值，纵向表头为时间，也能够观察到实际压力差和理论压力差之间的差值随时间的变化趋势。
在本实施例中，氢燃料电池电堆用于将氢气具备的化学能转换为电能，电堆的性能好坏，可以由其将化学能转化为电能的转换率来表征。若电堆的性能下降，则其将化学能转换成电能的转换率会降低。
第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的理论压力差表示第一时刻至第二时刻产生的一定的电能所消耗的化学能对应的第一氢气量；第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差表示第一时刻至第二时刻产生的与上述相同的电能所消耗的化学能所对应的第二氢气量。
因此，第一氢气量和第二氢气量之间的差值的变化趋势增大，则说明电堆将化学能转化为同样的电能所消耗氢气量增加，即电堆的性能下降。
在另一些实施例中，例如氢燃料电池的状态为氢燃料电池电堆性能下降，则根据实际压力差和理论压力差确定氢燃料电池的状态可以包括：
确定实际压力差和理论压力差之间的差值的波动幅度；
若波动幅度超出预设幅度，则氢燃料电池电堆性能下降。
需要说明的是，在本实施例中可以以曲线或者表格的形式表示实际压力差和理论压力差之间的差值的波动幅度，采用的方式与上述的方式相同，此处不再赘述。
因此，第一氢气量和第二氢气量之间的差值的波动幅度超出预设幅度，则说明电堆将化学能转化为电能所消耗氢气量增加，即电堆的性能下降。
根据本发明的实施例，通过获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差和理论压力差，并根实际压力差和理论压力差确定氢燃料电池的状态，从而能够有效判断氢燃料电池是否发生氢气泄露或者电堆性能下降，进而避免发生安全事故或者及时地对电堆进行更换。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本公开并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本公开，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。
以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本公开所述方案进行进一步说明。
图3示出了本发明实施例提供的氢燃料电池状态诊断装置的流程图。如图3所示，该装置包括：
压力获取模块301，用于获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差和理论压力差。
状态确定模块302，用于根据实际压力差和理论压力差确定氢燃料电池的状态，该状态包括氢燃料电池发生氢气泄露或氢燃料电池电堆性能下降。
在一些实施例中，氢燃料电池的状态为氢燃料电池发生氢气泄露，则状态确定模块302具体用于判断实际压力差和理论压力差之间的差值是否超过预设范围；若是，则氢燃料电池发生氢气泄露。
在另一些实施例中，氢燃料电池的状态为氢燃料电池电堆性能下降，则状态确定模块302具体还用于确定在预设时间段内实际压力差和理论压力差之间的差值的变化趋势；若差值的变化趋势逐渐增大，则氢燃料电池电堆性能下降；或者，状态确定模块302具体还用于确定在预设时间段内实际压力差和理论压力差之间的差值的波动幅度；若波动幅度超出预设幅度，则氢燃料电池电堆性能下降。
在一些实施例中，压力获取模块301具体用于根据下式计算实际压力差：
M＝M1-M2
其中，M为实际压力差，M1为第一时刻氢燃料电池中储氢系统的第一氢气压力，M2为第二时刻氢燃料电池中储氢系统的第二氢气压力。
在一些实施例中，压力获取模块301具体用于根据下式计算理论压力差：
M3＝Q/(X1·N·V)
其中，M3为理论压力差，Q为氢燃料电池的总发电量，X1为氢气的发电系数，N为氢燃料电池的储氢系统中氢气瓶的数量，V为氢燃料电池的储氢系统中每个氢气瓶的体积。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明的实施例还提供了一种包括上述氢燃料电池状态诊断装置的氢燃料电池，该电池相比于传统的电池，能够在其使用过程中，实时地监测氢气是否泄露以及电堆性能是否下降，能够有效得避免安全事故的发生，同时也能提醒维修人员及时地对性能下降的电堆进行更换。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离前述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池状态诊断方法，其特征在于，包括：
获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差和理论压力差；
根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，所述状态包括氢燃料电池发生氢气泄露或氢燃料电池电堆性能下降。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态为氢燃料电池发生氢气泄露，所述根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，包括：
判断所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值是否超过预设范围；
若是，则氢燃料电池发生氢气泄露。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态为氢燃料电池电堆性能下降，所述根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，包括：
确定所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值的变化趋势；
若所述差值的变化趋势逐渐增大，则氢燃料电池电堆性能下降。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态为氢燃料电池电堆性能下降，所述根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，包括：
确定所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值的波动幅度；
若所述波动幅度超出预设幅度，则氢燃料电池电堆性能下降。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差，包括：
采用下式计算所述实际压力差：
M＝M1-M2
其中，M为实际压力差，M1为第一时刻氢燃料电池中储氢系统的第一氢气压力，M2为第二时刻氢燃料电池中储氢系统的第二氢气压力。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的理论压力差，包括：
采用下式计算所述理论压力差：
M3＝Q/(X1·N·V)
其中，M3为理论压力差，Q为氢燃料电池的总发电量，X1为氢气的发电系数，N为氢燃料电池的储氢系统中氢气瓶的数量，V为氢燃料电池的储氢系统中每个氢气瓶的体积。
7.一种氢燃料电池状态诊断装置，其特征在于，包括：
压力获取模块，用于获取第一时刻至第二时刻的时间段内氢燃料电池中消耗氢气的实际压力差和理论压力差；
状态确定模块，用于根据所述实际压力差和所述理论压力差确定氢燃料电池的状态，所述状态包括氢燃料电池发生氢气泄露或氢燃料电池电堆性能下降。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述状态为氢燃料电池发生氢气泄露，所述状态确定模块具体用于，
判断所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值是否超过预设范围；
若是，则氢燃料电池发生氢气泄露。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述状态为氢燃料电池电堆性能下降，所述状态确定模块具体用于，
确定在预设时间段内所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值的变化趋势；
若所述差值的变化趋势逐渐增大，则氢燃料电池电堆性能下降；
或者，
所述状态确定模块具体用于，
确定在预设时间段内所述实际压力差和所述理论压力差之间的差值的波动幅度；
若所述波动幅度超出预设幅度，则氢燃料电池电堆性能下降。
10.一种包括如权利要求7至9中任一项所述的氢燃料电池状态诊断装置的氢燃料电池。
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