CN112414633A - 燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法及系统 - Google Patents

燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法及系统，该方法包括如下步骤：S1、启动燃料电池车辆中的燃料电池电堆进入运行状态并监测各节单电池电压，控制燃料电池电堆的电流密度至设定值；S2、燃料电池电堆各节单电池电压稳定后，提高燃料腔和氧化剂腔通入气体的压力，且保持燃料腔压力恒大于氧化剂腔压力；S3、保持氧化剂腔压力恒定，增加燃料腔压力，记录各节单电池电压变化情况；S4、筛选在步骤S3过程中电压下降的单电池，筛选出的单电池对应的膜电极发生串漏。与现有技术相比，本发明具有安全、简单、可靠等优点。

Description

燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池检测技术领域，尤其是涉及一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法及系统。
背景技术
燃料电池是一种可以把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转换为电能的电能转换装置，是一种继火电、水电、核电之后的新型发电方式。膜电极作为燃料电池进行氧化还原反应的场所，主要由质子交换膜、阳极和阴极催化层、阳极和阴极气体扩散层、密封材料构成。质子交换膜的主要功能包括隔离阳极侧的氢气和阴极侧的氧气或空气、传递质子、阻断电子的作用。随着燃料电池车辆的常规运行，膜电极在长期使用过程中质子交换膜的功能也将逐渐退化，并最终导致气体串漏，氢气和空气直接反应放热，不但会降低燃料电池的使用功率、加速膜的老化进程、缩短电池寿命、还有可能会引起爆炸，带来安全隐患。因此在燃料电池车辆运行过程中定期、及时地对膜电极的氢空串漏进行检测是至关重要的。
目前对于燃料电池车辆在运行中膜电极的串漏检测鲜有报道，现有技术多采用压差法、热成像仪单纯对膜电极单个部件进行检测，还有技术只能检测出燃料电池电堆氧化剂腔和燃料腔之间总的串气量。中国专利CN100504331C通过改变膜电极两侧的压差检测其是否存在串漏，但该方法对检测装置的密封性要求较高，且检测过程易造成膜电极的损伤。中国专利CN111103100A提供了一种基于开路电压法进行膜电极泄漏方法及装置，中国专利CN101697005B提供了一种基于开路状态对燃料电池电堆氢氧串气快速检测方法，通过检测在阴极侧和阳极侧的不同压力差时膜电极的开路电压随时间的变化，以此判断膜电极是否存在串漏现象，该方法针对膜电极和燃料电池电堆的串漏检测是有效的，但是在开路状态膜电极或电堆单片电压处于0.9V以上。行业规定燃料电池车辆在实际运行中，一般应避免燃料电池电堆在0.8V以上工作，当电压超过0.8V时，膜电极中碳材料会发生氧化腐蚀，会使得催化剂的活性衰退，直接影响膜电极的性能。
因此有必要开发一种安全、简单可靠的反映燃料电池车辆在运行中对膜电极串漏情况进行检测的方法，以克服现有技术的局限性。
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安全、简单、可靠的燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，该方法包括如下步骤：
S1、启动燃料电池车辆中的燃料电池电堆进入运行状态并监测各节单电池电压，控制燃料电池电堆的电流密度至设定值；
S2、燃料电池电堆各节单电池电压稳定后，提高燃料腔和氧化剂腔通入气体的压力，且保持燃料腔压力恒大于氧化剂腔压力；
S3、保持氧化剂腔压力恒定，增加燃料腔压力，记录各节单电池电压变化情况；
S4、筛选在步骤S3过程中电压下降的单电池，筛选出的单电池对应的膜电极发生串漏。
优选地，步骤S1具体为：
S11、启动燃料电池车辆的燃料电池电堆，进入开机启动状态；
S12、向燃料电池电堆通入燃料气体和氧化气体，控制燃料电池电堆进入发电状态；
S13、监测各节单电池电压；
S14、待各节单电池开路电压稳定后，接入燃料电池电堆的负载，控制燃料电池电堆的电流密度至设定值。
优选地，步骤S12向燃料电池电堆通入燃料气体和氧化气体时保持燃料腔与氧化剂腔无背压。
优选地，步骤S14中各节单电池开路状态控制在10秒以内。
优选地，步骤S14中通过改变燃料电池电堆的负载大小控制燃料电池电堆的电流密度至设定值。
优选地，燃料电池电堆的电流密度的设定值为50～500mA/cm2。
优选地，步骤S2燃料腔通入的燃料气体压力控制为30～80kPa。
优选地，步骤S2氧化剂腔通入的氧化气体压力控制为10～70kPa。
优选地，步骤S3中增加燃料腔压力过程中，燃料腔和氧化剂腔的压差范围控制为5～50kPa。
一种料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测系统，该系统包括：
电堆启停控制模块：用于燃料电池车辆中的燃料电池电堆的启停控制；
电压采集模块：用于监测燃料电池电堆运行过程中各节单电池电压；
负载控制模块：用于调整燃料电池电堆的负载，控制燃料电池电堆的电流密度；
气压控制模块：用于调整燃料腔和氧化剂腔通入气体的压力；
以及控制分析模块；
所述的控制分析模块与电堆启停控制模块、电压采集模块、负载控制模块和气压控制模块进行信息交互，所述的控制分析模块基于上述检测方法实现膜电极串漏检测。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过控制燃料电池电堆的电流密度，改变燃料腔和氧化剂腔的气体供气压差，检测电堆各单片电压随阳极和阴极气体压差的变化规律，判断燃料电池电堆中各单片膜电极的串漏情况，提供一种安全、简单可靠的燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，解决现有技术中存在的膜电极串漏检测过程中高电位腐蚀问题，以及燃料电池车辆在膜电极串漏检测过程中电堆拆卸困难问题，从而能够在燃料电池车辆运行状态下安全、快速地测定燃料电池电堆膜电极串漏的具体位置，及时的消除电堆氢空串漏发现不及时产生的安全隐患；
(2)本发明测试方法和系统简单，无需搭建额外检测装置，在测试台或者燃料电池车辆上均可采用。
附图说明
图1为本发明燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法的流程框图；
图2为本发明实施例1中串漏检测过程中各节单电池电压变化曲线；
图3为本发明料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测系统的结构框图。
图中，1为电堆启停控制模块，2为电压采集模块，3为负载控制模块，4为气压控制模块，5为控制分析模块，6为燃料电池电堆。
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1
如图1所示，本实施例提供一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，该方法包括如下步骤：
S1、启动燃料电池车辆中的燃料电池电堆进入运行状态并监测各节单电池电压，控制燃料电池电堆的电流密度至设定值，具体地：
S11、启动燃料电池车辆的燃料电池电堆，进入开机启动状态；
S12、向燃料电池电堆通入燃料气体(氢气)和氧化气体(空气)，控制燃料电池电堆进入发电状态，此步骤中向燃料电池电堆通入燃料气体和氧化气体时保持燃料腔与氧化剂腔无背压；
S13、监测各节单电池电压；
S14、待各节单电池开路电压稳定后(各节单电池开路状态控制在10秒以内)，接入燃料电池电堆的负载，通过改变燃料电池电堆的负载大小控制燃料电池电堆的电流密度至设定值，燃料电池电堆的电流密度的设定值为50～500mA/cm2。
S2、燃料电池电堆各节单电池电压稳定后，提高燃料腔和氧化剂腔通入气体的压力，且保持燃料腔压力恒大于氧化剂腔压力，其中，燃料气体压力控制为30～80kPa，氧化剂腔通入的氧化气体压力控制为10～70kPa。
S3、保持氧化剂腔压力恒定，增加燃料腔压力，记录各节单电池电压变化情况，此步骤中增加燃料腔压力过程中，燃料腔和氧化剂腔的压差范围控制为5～50kPa。
S4、筛选在步骤S3过程中电压下降的单电池，筛选出的单电池对应的膜电极发生串漏。
本发明实现串漏检测的工作原理：
燃料电池中质子交换膜是处在阳极和阴极催化剂之间，在传递质子的同时又保证电子不能通过，而且还可以分割阳极(氢气)和阴极(空气或氧气)反应气体，避免其直接接触。如果质子交换膜出现穿孔将导致膜电极氧化剂腔向燃料腔串漏或者燃料腔向氧化剂腔串漏，在阴极侧或阳极侧形成混合电势，造成该片膜电极的输出电压下降。当逐步增加燃料腔和氧化剂腔的气体压差时，氢气将更多的扩散至氧化剂腔，使得串漏膜电极对应的单节电压随燃料腔和氧化剂腔的气体压差增加而下降，而正常膜电极因氢气压力增加，单节电压会有一定程度增加。
在50-500mA/cm2的电流密度下操作是因为在0.9V以上的开路电压检测膜电极串漏时，碳材料在高电位下暴露时间过长会对膜电极造成高电位腐蚀，降低催化剂性能，如缩短开路电压时间，对于一些漏量较小的膜电极难以检测出来。不选用更大的电流密度是因为在大电流密度运行时燃料腔和氧化剂腔的气体快速流动，串漏的气体将很快被排出电堆，难以监测到串漏膜电极对单片电压的影响。因此通过在小电流密度下对燃料电池电堆各单片膜电极形成检测，既可以准确定位膜电极串漏的位置，也可以避免膜电极串漏检测过程中的高电位腐蚀问题。
在本实施例在燃料电池电堆的电流密度达到500mA/cm2时进行串漏检测，将燃料腔和氧化剂腔的气体压差逐步增加，气体压差分别为5kPa、10kPa、20kPa，得到如图2所示的检测结果，图2中可见，第2节单电池(cell2)的电压随压差增大而下降，表明第2节单电池对应的膜电极存在氢空串漏。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测系统，该系统包括：
电堆启停控制模块1：用于燃料电池车辆中的燃料电池电堆6的启停控制；
电压采集模块2：用于监测燃料电池电堆6运行过程中各节单电池电压；
负载控制模块3：用于调整燃料电池电堆6的负载，控制燃料电池电堆6的电流密度；
气压控制模块4：用于调整燃料腔和氧化剂腔通入气体的压力；
以及控制分析模块5；
控制分析模块5与电堆启停控制模块1、电压采集模块2、负载控制模块3和气压控制模块4进行信息交互，控制分析模块5基于上述实施例1中的膜电极串漏的检测方法实现膜电极串漏检测，这里对于膜电极串漏的检测方法不再赘述。该串漏检测系统无需搭建额外检测装置，在测试台或者燃料电池车辆上均可进行串漏检测。
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 (10)

1.一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、启动燃料电池车辆中的燃料电池电堆进入运行状态并监测各节单电池电压，控制燃料电池电堆的电流密度至设定值；
S2、燃料电池电堆各节单电池电压稳定后，提高燃料腔和氧化剂腔通入气体的压力，且保持燃料腔压力恒大于氧化剂腔压力；
S3、保持氧化剂腔压力恒定，增加燃料腔压力，记录各节单电池电压变化情况；
S4、筛选在步骤S3过程中电压下降的单电池，筛选出的单电池对应的膜电极发生串漏。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，其特征在于，步骤S1具体为：
S11、启动燃料电池车辆的燃料电池电堆，进入开机启动状态；
S12、向燃料电池电堆通入燃料气体和氧化气体，控制燃料电池电堆进入发电状态；
S13、监测各节单电池电压；
S14、待各节单电池开路电压稳定后，接入燃料电池电堆的负载，控制燃料电池电堆的电流密度至设定值。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，其特征在于，步骤S12向燃料电池电堆通入燃料气体和氧化气体时保持燃料腔与氧化剂腔无背压。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，其特征在于，步骤S14中各节单电池开路状态控制在10秒以内。
5.根据权利要求2所述的一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，其特征在于，步骤S14中通过改变燃料电池电堆的负载大小控制燃料电池电堆的电流密度至设定值。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，其特征在于，燃料电池电堆的电流密度的设定值为50～500mA/cm2。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，其特征在于，步骤S2燃料腔通入的燃料气体压力控制为30～80kPa。
8.根据权利要求1所述的一种料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，其特征在于，步骤S2氧化剂腔通入的氧化气体压力控制为10～70kPa。
9.根据权利要求1所述的一种料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法，其特征在于，步骤S3中增加燃料腔压力过程中，燃料腔和氧化剂腔的压差范围控制为5～50kPa。
10.一种料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测系统，其特征在于，该系统包括：
电堆启停控制模块(1)：用于燃料电池车辆中的燃料电池电堆(6)的启停控制；
电压采集模块(2)：用于监测燃料电池电堆(6)运行过程中各节单电池电压；
负载控制模块(3)：用于调整燃料电池电堆(6)的负载，控制燃料电池电堆(6)的电流密度；
气压控制模块(4)：用于调整燃料腔和氧化剂腔通入气体的压力；
以及控制分析模块(5)；
所述的控制分析模块(5)与电堆启停控制模块(1)、电压采集模块(2)、负载控制模块(3)和气压控制模块(4)进行信息交互，所述的控制分析模块(5)基于权利要求1～9所述的检测方法实现膜电极串漏检测。
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