CN113036189A - 质子交换膜燃料电池运行状态的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜燃料电池运行状态的检测方法及装置，该检测方法包括：将磁通门传感器设置在质子交换膜燃料电池的阴极面一侧，且与所述阴极面上待测点相对的位置；在所述质子交换膜燃料电池运行时，利用所述磁通门传感器连续测量所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息；根据所述磁场变化信息与质子交换膜燃料电池运行状态的对应关系确定所述质子交换膜燃料电池运行状态。本发明可对质子交换膜燃料电池运行状态进行实时、精确识别，并对质子交换膜燃料电池状态变化过程及对应机制进行分析，以对质子交换膜燃料电池(PEMFC)故障进行实时、精确地预测，便于商业化推广。

Description

质子交换膜燃料电池运行状态的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池状态识别技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池运行状态的检测方法及装置。

背景技术

随着化石燃料的消耗以及长久以来因为使用化石燃料引起的环境恶化问题，使得清洁能源研究受到越来越多的关注。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其零污染、能源利用率高、工作温度低、噪声小等优点，使燃料电池在汽车、航空、分布式电站、便携式设备等领域得到了应用。

典型燃料电池主要由双极板4、膜电极组体(MEA)和密封元件等组成，MEA主要由质子交换膜1、阳极3和阴极2组成。当燃料电池工作时，氢气和氧气(空气)分别注入阳极和阴极侧。在催化剂的作用下，阳极的氢气分子被分解为氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜到达阴极并与氧气分子反应生成水，电子通过外电路形成完整的回路(如图1a所示)。

虽然质子交换膜燃料电池已具有很多成功应用案例，但其耐久性和可靠性是限制其得到广泛应用主要壁垒。目前主流的可靠性维护措施是采用故障诊断技术实时评估燃料电池的运行状态，进而采取控制维护措施保障其运行可靠性和耐久性。

目前，大部分诊断技术都是基于燃料电池电压信号，对PEMFC的运行状态进行评估。但是仅通过电压变化无法对燃料电池内部材料/结构的改变进行评估，从而无法有效区分不同的燃料电池故障类型，进而给后续的控制和维护策略带来极大挑战。因此，采用可表征PEMFC内部状态变化的数据信息，如磁场信号，可对燃料电池状态的变化及对应机理进行实时识别。

现有的通过电磁场数据对燃料电池进行故障诊断的方法主要分为两类：

一种是利用嵌入式微型电流采集卡，通过采集的燃料电池MEA中电流密度分布来对电池的状态进行评估。但是此方法需要将硬件嵌入燃料电池内部，这一定程度上会影响PEMFC的状态和工况，进而对分析结果产生影响。

另一种是围绕燃料电池MEA一周布置磁通门(如图4a所示)，通过采集的磁场分布数据，或者利用磁场数据反推电流密度来对燃料电池的状态进行评估。该方法虽然是非侵入型的，但是该方法采集的为燃料电池MEA周围磁场数据，需要通过数学模型推导MEA表面磁场分布，不仅增加的状态识别过程的复杂性，而且会带来额外误差，导致识别结果的不精确。

综上所述，目前利用电磁数据来对PEMFC进行故障诊断的方法中都存在相应的不足，从而影响燃料电池状态识别的实时性和精确性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种质子交换膜燃料电池运行状态的检测方法及装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少一种。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供了一种质子交换膜燃料电池运行状态的检测方法，包括：将磁通门传感器设置在质子交换膜燃料电池的阴极面一侧，且与所述阴极面上待测点相对的位置；在所述质子交换膜燃料电池运行时，利用所述磁通门传感器连续测量所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息；根据所述磁场变化信息与质子交换膜燃料电池运行状态的对应关系确定所述质子交换膜燃料电池运行状态。

作为本发明的另一个方面，提供了一种质子交换膜燃料电池运行状态的检测装置，包括：磁通门传感器，设置于质子交换膜燃料电池的阴极面一侧，且与所述阴极面上待测点相对的位置；其中在所述质子交换膜燃料电池运行时，所述磁通门传感器能够连续测量所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息，以根据所述磁场变化信息确定所述质子交换膜燃料电池运行状态。

作为本发明的又一个方面，提供了一种用于质子交换膜燃料电池运行状态检测的模拟实验方法，包括：将磁通门传感器设置在质子交换膜燃料电池的阴极面一侧，且与所述阴极面上待测点相对的位置；对所述质子交换膜燃料电池的不同运行状态分别进行模拟实验；针对每个运行状态的模拟实验，利用所述磁通门传感器连续测量所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息，以确定质子交换膜燃料电池运行状态与磁场变化信息之间的对应关系。

基于上述技术方案，本发明的质子交换膜燃料电池运行状态的检测方法及装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

1、诊断精度高：本发明基于磁通门传感器以非侵入型的测量形式直接检测膜电流在MEA表面产生的磁场变化信息，一方面不会如现有技术中的嵌入式传感器对PEMFC工作状态产生干扰，可以实现无损检测，另一方面，检测信息更为全面，不会造成重要故障信息的遗漏，确保检测结果的鲁棒性。

2、有利于电池状态监测：现有技术主要局限于分析两种状态：故障发生前、故障发生后，而无法对故障形成过程及对应机制进行监测。而本发明可对PEMFC不同位置的磁场进行监测，根据磁场数据变化及时预测PEMFC不同故障的产生，因此可实现实时、精确的PEMFC故障预测，为后续控制维护策略的指定提供依据，有利于提升PEMFC运行可靠性和寿命。

3、有利于商业化推广：现有的磁场检测传感器需要固定于电池周围，实际商业化应用不方便，并且布置大量传感器，布线繁杂，设备成本高。而本发明采用磁通门传感器在阴极面扫描检测，不仅可用单探头采集多点磁场数据，避免布置大量磁场传感器带来的数据采集、布线设置和设备成本问题，而且活动式检测装置在实际应用场合使用更方便，便于商业化推广。

附图说明

图1a是PEMFC工作示意图；

图1b是PEMFC内部的主电流及其激发磁场的示意图；

图1c是PEMFC内部的膜电流及其激发磁场的示意图；

图2a是PEMFC仿真模型的主电流及其磁场分布图；

图2b是PEMFC仿真模型的膜电流及其磁场分布图；

图3a是PEMFC仿真模型在无故障状态下膜电流分布图；

图3b是PEMFC仿真模型在无故障状态下膜电流产生的磁场分布图；

图3c是PEMFC仿真模型在故障状态下膜电流分布图；

图3d是PEMFC仿真模型在故障状态下膜电流产生的磁场分布图；

图4a是现有PEMFC运行状态检测装置示意图；

图4b是本发明PEMFC运行状态检测装置的结构示意图；

图5是本发明PEMFC运行状态检测方法的流程图；

图6是本发明PEMFC运行状态检测的模拟实验方法流程图；

图7是本发明实施例中阴极磁场待测点位置示意图；

图8a是本发明实施例中对应于图7所示待测点在水淹故障状态下的磁场变化信息；

图8b是本发明实施例中对应于图7所示待测点在脱水故障状态下的磁场变化信息。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

在实现本发明的过程中，发现可以直接利用质子交换膜阴极面附近区域的磁场信息对PEMFC运行状态进行检测，不仅解决了嵌入式硬件对电池状态的影响，而且提供可表征整个MEA表面的磁场分布数据，从而对燃料电池运行状态变化进行实时监测与分析。

以下首先通过对PEMFC的感应磁场产生机理来解释本发明的发明构思及基于该发明构思所提出的检测方法的合理性。

如图1a所示，在PEMFC运行时，阳极3氢气被氧化而产生的氢离子穿过质子交换膜1，到达阴极2与氧气反应生成水。运动的氢离子就会产生电流，此电流有两种方向的运动：垂直于质子交换膜1(主电流)和平行于质子交换膜1(膜电流)，如下图1b和图1c所示。但是，由于PEMFC中电流仅集中在MEA区域内，因此主电流激发的磁场(图1b中所示磁场)仅可通过安装在MEA附近的磁通门进行测量，而膜电流产生的磁场(图1c中所示磁场)，则可在PEMFC双极板外侧进行测量。

根据毕奥-萨伐尔定律可知，电流元产生的磁感应强度大小与电流元的大小成正比。图2a和图2b通过PEMFC仿真模型分析了当燃料电池电压为0.4V时，MEA中不同方向电流及其磁场分布结果，其中仿真模型的右下侧为空气入口，左上侧为空气出口，箭头方向和长度分别表示磁场方向和大小。由图2可以看出，无论是主电流还是膜电流，其电流密度分布与对应磁场在幅值和分布上均存在对应关系，因此，可以利用检测PEMFC双极板外侧磁场对膜电流的幅值和分布进行评估。

并且，基于前述PEMFC仿真模型，通过进一步分析燃料电池状态变化导致的膜电流及其产生磁场在幅值和分布上的改变，可以看出本发明测量PEMFC双极板外侧磁场来检测燃料电池运行状态的合理性。如图3a和图3b示出了燃料电池在无故障状态下的膜电流及其磁场分布，如图3c和图3d示出了燃料电池在故障状态下的膜电流及其磁场分布，图中矩形部分是标示的故障区域。可以看出，在PEMFC故障状态下，其膜电流幅值和分布，以及对应磁场幅值及分布均呈现显著变化。因此，可以通过PEMFC双极板外侧磁场的检测和分析，对PEMFC的运行状态进行实时、精确识别。

基于上述内容，本发明提供了一种PEMFC运行状态的检测方法和装置。图4b为本发明PEMFC运行状态检测装置的结构示意图，如图4b所示，本发明的检测装置包括：磁通门传感器10，设置于PEMFC的阴极面一侧，且与阴极面上待测点34相对的位置。

在本发明的一些实施例中，磁通门传感器10可采用本领域的常规结构，只要能够测量待测点位置处的磁场强度即可，可以使用例如平行门磁通门传感器、正交门磁通门传感器或混合型磁通门传感器，优选为平行门磁通门传感器中的棒型磁通门。

如图4b中所示，磁通门传感器10的设置位置可以分别与3个待测点34相对，该三个待测点分别位于PEMFC 30上阴极面的空气入口31、空气出口32以及位于空气入口31与空气出口32之间的中间位置，然而待测点的位置、数量并不以此为限，还可以是更多个其他位置，例如位于氢气入口33等，以便更好地对阴极面表面不同位置的磁场变化进行监测。

在本发明的一些实施例中，磁通门传感器10被配置为能够在空间内三维移动，以便于调整磁通门相对于阴极面的位置，包括平行于阴极面方向上的位置以及距离阴极面的远近位置，以选择合适待测点进行磁场测量。

如图4b所示，检测装置还包括支架20，用于安装磁通门传感器10，以调节磁通门传感器10沿三轴方向移动。更具体地，支架20包括底座21、滑座22和升降杆23，其中滑座22设置于底座21上，能够相对于底座21沿第一方向和第二方向移动，升降杆23设置于滑座22上，能够相对于滑座22沿第三方向移动，升降杆23设置有磁通门传感器10；其中第一方向、第二方向和第三方向相互垂直。

基于上述检测装置，本发明提供了一种PEMFC运行状态的检测方法，图5为本发明PEMFC运行状态检测方法的流程图，如图4b和图5所示，本发明的检测方法包括步骤A～步骤C：

在步骤A中，将磁通门传感器10设置在PEMFC 30的阴极面一侧，且与阴极面上待测点34相对的位置；也即，通过布置检测装置和选择合适磁场待测点，从而利用磁通门传感器测量PEMFC阴极面不同位置的磁场数据。

在步骤B中，在PEMFC 30运行时，利用磁通门传感器10连续测量待测点34的磁场随时间变化的磁场变化信息。

需要说明的是，此时磁通门传感器10在待测点测得的是在稳态磁场及检测设备影响下的磁场结果，为了准确测量膜电流产生的磁场，本发明的检测方法还包括步骤B’：在PEMFC 30未运行时，利用磁通门传感器10测量待测点的稳态磁场强度。

此时步骤B具体包括子步骤B1至子步骤B2：在子步骤B1中，利用磁通门传感器10测量不同时间点对应于待测点的磁场强度；在子步骤B2中，基于不同时间点测量的磁场强度与稳态磁场强度的差值来确定待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息。由此，磁场变化信息仅表示由于PEMFC 30状态变化而导致的待测点磁场改变。

在步骤C中，根据磁场变化信息与PEMFC 30运行状态的对应关系确定PEMFC 30运行状态。该磁场变化信息与PEMFC 30运行状态的对应关系既可以由理论分析得到，也可以由模拟试验确定。

举例而言，通过下文的理论分析和模拟试验可以得知，该对应关系包括：在空气入口处的磁场强度随时间减小，空气出口处的磁场强度随时间增加的情况下，PEMFC运行状态为水淹故障状态；在空气入口处的磁场强度随时间增加，空气出口处的磁场强度随时间减小的情况下，PEMFC运行状态为脱水故障状态。

基于前述检测方法，为了确定磁场变化信息与PEMFC 30运行状态的对应关系，本发明还提供了一种用于质子交换膜燃料电池运行状态检测的模拟实验方法。图6是本发明PEMFC运行状态检测的模拟实验方法流程图，如图4b和图6所示，该模拟实验方法包括步骤D至步骤G：

在步骤D中，将磁通门传感器10设置在PEMFC 30的阴极面一侧，且与阴极面上待测点相对的位置。

在步骤E中，对PEMFC 30的不同运行状态分别进行模拟实验。在本发明的一些实施例中，PEMFC 30的运行状态包括水淹故障状态和脱水故障状态；可通过降低阴极化学计量比来模拟水淹故障状态，以及通过降低输入气体的相对湿度来模拟脱水故障状态。

在步骤F中，针对每个运行状态的模拟实验，利用磁通门传感器10连续测量待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息。

在本发明的一些实施例中，与步骤B类似，该磁场变化信息是基于不同时间点测量的磁场强度与稳态磁场强度的差值而确定的。

在步骤G中，基于模拟实验结果确定PEMFC 30运行状态与磁场变化信息之间的对应关系。基于该对应关系即可根据不同待测点的磁场变化确定PEMFC 30运行状态。

以下以PEMFC在工作时常易出现的水管理问题如水淹故障状态和脱水故障状态为例，通过模拟实验对本发明的技术方案作详细说明，一方面验证本发明在PEMFC运行状态中的检测效果，另一方面对本发明的精确性进行阐述。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。

本实施例所使用的检测装置如图4b所示，其中PEMFC 30及磁通门传感器10的技术参数如表1和表2所示。

表1.PEMFC系统技术参数

表2.三轴磁通门技术参数

在模拟实验中，通过降低阴极化学计量比和降低输入气体的相对湿度，来分别模拟PEMFC 30的水淹和脱水故障。对PEMFC 30的不同待测点的磁场进行检测，检测位置如图7所示，具体有9个待测点。利用磁通门传感器10分别在水淹和脱水故障状态下对9个待测点的磁场进行测量，得到的磁场变化信息如图8a和图8b所示。

由图8a和图8b可以看到，PEMFC相同位置在不同状态下的磁场呈现出显著不同。具体而言，待测点③、⑤、⑦处(分别表示空气入口、中间位置、以及空气出口)，在水淹故障时，空气入口处的磁场强度随时间减小，空气出口处的磁场强度随时间增加；在脱水故障时，空气入口处的磁场强度随时间增加，空气出口处的磁场强度随时间减小；可见水淹和脱水故障会产生相反的磁场变化。因此可以通过检测磁场的变化，对PEMFC运行状态及故障进行精确识别。

此外，由图8a和图8b可以看到，在PEMFC故障初期(电压微弱变化时)，磁场即刻产生显著变化，因此采用本发明的检测方法，可以对PEMFC的早期故障进行精确评估，从而为后续控制和维护措施的制定、以及PEMFC可靠性提升和延寿提供技术保障。

基于文献调研，本发明的如图8a和图8b所示的检测结果可与现有理论保持一致(注：虚线表示电压，实线表示磁感应强度)。在PEMFC水淹故障下，由于氧气浓度是随着流道逐渐降低，主电流密度从空气入口至出口也逐渐减小，并在空气出口处形成积水，引发水淹故障。而膜电流密度作为表征PEMFC异常状态的指标，在空气出口附近达到最大值，这与图8a中的结果一致(空气入口处磁场强度减小，而空气出口附近磁场强度增加，表示出口附近造成水淹故障)；在PEMFC脱水故障下，空气出口处由于液态水的产生，脱水程度会得到有效缓解，而在空气入口处，脱水程度达到最大值，这与图8b中的结果一致(空气入口处磁场强度增加，而空气出口附近磁场强度减小，表示出口附近造成脱水故障)。

综上所示，本发明不仅可对PEMFC运行状态进行实时、精确识别，而且可以通过检测结果对PEMFC状态变化过程及对应机制进行分析，具有检测精度高的优势，能够实现对PEMFC故障进行实时、精确地预测，便于商业化推广。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池运行状态的检测方法，包括：

将磁通门传感器设置在质子交换膜燃料电池的阴极面一侧，且与所述阴极面上待测点相对的位置；

在所述质子交换膜燃料电池运行时，利用所述磁通门传感器连续测量所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息；

根据所述磁场变化信息与质子交换膜燃料电池运行状态的对应关系确定所述质子交换膜燃料电池运行状态。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其中，所述磁通门传感器被配置为能够在空间内三维移动，以分别测量对应于所述阴极面上不同待测点处的磁场变化信息。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其中，所述磁通门传感器设置于一支架上，所述支架包括：

底座；

滑座，设置于所述底座上，能够相对于所述底座沿第一方向和第二方向移动；

升降杆，设置于所述滑座上，能够相对于所述滑座沿第三方向移动，所述升降杆上设置有所述磁通门传感器；

其中所述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直。

4.根据权利要求2所述的检测方法，其中，所述检测方法还包括：

在所述质子交换膜燃料电池未运行时，利用所述磁通门传感器测量所述待测点的稳态磁场强度；

其中，所述利用所述磁通门传感器连续测量所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息包括：

利用所述磁通门传感器测量不同时间点对应于所述待测点的磁场强度；

基于不同时间点测量的所述磁场强度与稳态磁场强度的差值来确定所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其中，所述质子交换燃料电池运行状态包括水淹故障状态和脱水故障状态，所述待测点包括空气入口、空气出口和位于空气入口与空气出口之间的中间位置；

其中所述磁场变化信息与质子交换膜燃料电池运行状态的对应关系包括：

在空气入口处的磁场强度随时间减小，空气出口处的磁场强度随时间增加的情况下，所述质子交换膜燃料电池运行状态为水淹故障状态；

在空气入口处的磁场强度随时间增加，空气出口处的磁场强度随时间减小的情况下，所述质子交换膜燃料电池运行状态为脱水故障状态。

6.一种质子交换膜燃料电池运行状态的检测装置，包括：

磁通门传感器，设置于质子交换膜燃料电池的阴极面一侧，且与所述阴极面上待测点相对的位置；

其中在所述质子交换膜燃料电池运行时，所述磁通门传感器能够连续测量所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息，以根据所述磁场变化信息确定所述质子交换膜燃料电池运行状态。

7.根据权利要求6所述的检测装置，其中，所述检测装置还包括支架，所述支架包括：

底座；

滑座，设置于所述底座上，能够相对于所述底座沿第一方向和第二方向移动；

升降杆，设置于所述滑座上，能够相对于所述滑座沿第三方向移动，所述升降杆上设置有所述磁通门传感器；其中所述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直。

8.一种用于质子交换膜燃料电池运行状态检测的模拟实验方法，包括：

将磁通门传感器设置在质子交换膜燃料电池的阴极面一侧，且与所述阴极面上待测点相对的位置；

对所述质子交换膜燃料电池的不同运行状态分别进行模拟实验；

针对每个运行状态的模拟实验，利用所述磁通门传感器连续测量所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息，以确定质子交换膜燃料电池运行状态与磁场变化信息之间的对应关系。

9.根据权利要求8所述的模拟实验方法，其特征在于，所述不同运行状态包括水淹故障状态和脱水故障状态；

其中，所述对所述质子交换膜燃料电池的不同运行状态进行模拟实验包括：

通过降低阴极化学计量比来模拟水淹故障状态，以及通过降低输入气体的相对湿度来模拟脱水故障状态。

10.根据权利要求8所述的模拟实验方法，其特征在于，所述模拟实验方法还包括：

在所述质子交换膜燃料电池未运行时，利用所述磁通门传感器测量所述待测点的稳态磁场强度；

其中，所述利用所述磁通门传感器连续测量所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息包括：

利用所述磁通门传感器测量不同时间点对应于所述待测点的磁场强度；

基于不同时间点测量的所述磁场强度与稳态磁场强度的差值来确定所述待测点的磁场随时间变化的磁场变化信息。

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