CN113363540B - 增湿器泄漏诊断方法及燃料电池系统 - Google Patents

增湿器泄漏诊断方法及燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种增湿器泄漏诊断方法及燃料电池系统，诊断方法包括如下步骤：S1、燃料电池系统关机；S2、通过向燃料电池系统持续通入空气，实现对燃料电池系统进行吹扫操作，同时，燃料电池系统的尾端节气门保持设定开度；且在吹扫过程中对燃料电池系统的空气路单元进行检测；S3、根据检测结果得出空气路单元的实际等效节流流量；并根据实际等效节流流量判断出燃料电池系统中的增湿器的泄漏程度。本增湿器泄漏诊断方法及燃料电池系统，能更准确地诊断出增湿器的泄漏程度。

Description

增湿器泄漏诊断方法及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种增湿器泄漏诊断方法及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池中用到增湿器，有时增湿器会产生内部泄漏问题，其干侧气流有一部分直接泄漏到湿侧，而未流经电堆，导致流经电堆的空气量较少。当泄漏严重到一定程度后，会对燃料电池的运行产生较大的负面影响；具体地，将影响电堆空气路实际的过量系数和湿度，进而影响电堆的性能和寿命。实际的燃料电池系统中，难以在电堆入口安装流量传感器用于实际测量进入电堆的真实空气量。如果发生了增湿器内漏，系统将难以及时发现。且现有技术中也难以准确地诊断出增湿器的泄漏情况，进而难以准确地对流经电堆的空气量进行补偿。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种诊断准确性更高的增湿器泄漏诊断方法。
为实现上述目的，本发明提供一种增湿器泄漏诊断方法，包括如下步骤：
S1、燃料电池系统关机；
S2、通过向燃料电池系统持续通入空气，实现对燃料电池系统进行吹扫操作，同时，燃料电池系统的尾端节气门保持设定开度；且在吹扫过程中对燃料电池系统的空气路单元进行检测；
S3、根据检测结果得出空气路单元的实际等效节流流量；并根据实际等效节流流量判断出燃料电池系统中的增湿器的泄漏程度。
进一步地，所述步骤S2中，在吹扫过程中，需待空气路单元中的气压变化量小于或等于设定值后，再对空气路单元进行检测。
进一步地，所述空气路单元包括中冷空气路，所述增湿器的干入口通过中冷空气路与中冷器的出口相连通，所述步骤S2中，需待中冷空气路的气压变化量小于或等于设定值后，再对空气路单元进行检测。
进一步地，所述空气路单元包括干空气路，所述增湿器的干出口通过干空气路与电堆的入口相连通，所述步骤S2，需待干空气路的气压变化量小于或等于设定值后，再对空气路单元进行检测。
进一步地，所述步骤S2中，在吹扫过程中，需对流入燃料电池系统的空气流量进行检测，并记录为吹扫流量dM1；且需对流向燃料电池系统的电堆的空气压力进行检测，并记录为吹扫压力P1；还需对由燃料电池系统的中冷器流出、并流向电堆的空气温度进行检测，并记录为进气温度T1。
进一步地，所述步骤S2中，在完成吹扫过程中对燃料电池系统的空气路单元进行检测后，停止吹扫，直至停止吹扫时长达到设定时间后，再次对流向电堆的空气的压力进行检测，并记录为环境压力P2。
进一步地，所述步骤S3中，根据吹扫流量dM1、吹扫压力P1、环境压力P2、及进气温度T1计算出空气路单元的实际等效节流流量dM0，且实际等效节流流量dM0的计算公式如下：
dM0＝dM1*(P0/P1)*SQRT(T1/T0)/K(P2/P1)
其中，P0为基准压力，T0为基准温度，SQRT为开平方，K为和P2与P1的比值相关的节流系数。
进一步地，所述步骤S3中，将得到的实际等效节流流量dM0与基准等效节流流量dMst进行比较，判断增湿器的泄漏程度；基准等效节流流量dMst为增湿器处于正常运行状态下获得的等效节流流量值。
进一步地，所述步骤S3中，根据实际等效节流流量dM0与基准等效节流流量dMst计算出泄漏比例D，且泄漏比例D的计算公式如下：
D＝(dM0-dMst)/dM0
当泄漏比例D超过设定的故障阀值时，报警装置进行报警。
如上所述，本发明涉及的增湿器泄漏诊断方法，具有以下有益效果：
本增湿器泄漏诊断方法，在燃料电池系统关机后再对其进行吹扫，这样，吹扫过程中电堆内部的湿度较低，不容易有液态水或较湿的空气对电堆实际节流带来影响的问题；此时进行节流特性识别，可以避免因为正常工作时，电堆内部湿度变化带来的节流差异变化，提高节流流量参数识别的准确性，使得本诊断方法所得出的实际等效节流流量准确性较高，进而保证本诊断方法能更加准确的诊断出增湿器的泄漏程度，即本诊断方法的诊断结果的准确性更高。且此种诊断方法不干扰燃料电池系统正常运行时的相关控制，可以及时发现增湿器内漏的程度，提醒用户及时维修更换，避免问题进一步扩大；进而能及时补偿因增湿器内漏带来的电堆内部空气量的不足，保证电堆的性能和寿命维持稳定。
本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种能更准确地诊断出增湿器泄漏情况的燃料电池系统。
为实现上述目的，本发明提供一种用于实现所述增湿器泄漏诊断方法的燃料电池系统，包括压气机、与压气机相连通的中冷器、与中冷器相连通的增湿器、与增湿器相连通的电堆、及与增湿器相连通的尾端节气门，还包括空气流量计、压力传感器及温度传感器，所述空气流量计用于检测流入压气机的空气流量，所述压力传感器用于检测流向电堆的空气的压力，所述温度传感器用于检测由中冷器流出且流向电堆的空气的温度。
如上所述，本发明涉及的燃料电池系统，具有以下有益效果：
本燃料电池系统，基于上述结构设计，能实现上述增湿器泄漏诊断方法，进而能更准确地诊断出增湿器的泄漏情况。
附图说明
图1为本发明实施例中燃料电池系统的结构示意图。图中六边形的图标示意为增湿器内部出现泄漏的位置。
图2为本发明实施例中系数K与x的关系曲线示意图。
元件标号说明
1 尾端节气门 6 压气机
2 增湿器 7 空气流量计
31 中冷空气路 8 压力传感器
32 干空气路 9 温度传感器
4 中冷器 10 空气滤清器
5 电堆 11 排气管
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本实施例提供一种增湿器泄漏诊断方法，包括如下步骤：
S1、燃料电池系统关机；
S2、通过向燃料电池系统持续通入空气，实现对燃料电池系统进行吹扫操作，同时，燃料电池系统的尾端节气门1保持设定开度；且在吹扫过程中对燃料电池系统的空气路单元进行检测；
S3、根据检测结果得出空气路单元的实际等效节流流量；并根据实际等效节流流量判断出燃料电池系统中的增湿器2的泄漏程度。
本增湿器泄漏诊断方法，在燃料电池系统关机后再对其进行吹扫，这样，吹扫过程中电堆5内部的湿度较低，不容易有液态水或较湿的空气对电堆5实际节流带来影响的问题；此时进行节流特性识别，可以避免因为正常工作时，电堆5内部湿度变化带来的节流差异变化，提高节流流量参数识别的准确性，使得本诊断方法所得出的实际等效节流流量准确性较高，进而保证本诊断方法能更加准确的诊断出增湿器2的泄漏程度，即本诊断方法的诊断结果的准确性更高。且此种诊断方法不干扰燃料电池系统正常运行时的相关控制，可以及时发现增湿器2内漏的程度，提醒用户及时维修更换，避免问题进一步扩大；进而能及时补偿因增湿器2内漏带来的电堆5内部空气量的不足，保证电堆5的性能和寿命维持稳定。
同时，如图1所示，本实施例提供一种用于实现增湿器泄漏诊断方法的燃料电池系统，包括压气机6、与压气机6相连通的中冷器4、与中冷器4相连通的增湿器2、与增湿器2相连通的电堆5、及与增湿器2相连通的尾端节气门1，该燃料电池系统还包括空气流量计7、压力传感器8及温度传感器9，空气流量计7用于检测流入压气机6的空气流量，压力传感器8用于检测流向电堆5的空气的压力，温度传感器9用于检测由中冷器4流出且流向电堆5的空气的温度。
本实施例的步骤S2中，在吹扫过程中，利用空气流量计7检测流入压气机6的空气流量，该空气流量即为流入燃料电池系统的空气流量，并将其记录为吹扫流量dM1；且利用压力传感器8对流向电堆5的空气的压力进行检测，并将该检测结果记录为吹扫压力P1；还需利用温度传感器9对由中冷器4流出、并流向电堆5的空气的温度进行检测，并将该检测结果记录为进气温度T1；且在完成上述检测后，停止吹扫，直至停止吹扫时长达到设定时间后，再次利用压力传感器8对流向电堆5的空气的压力进行检测，并将该检测结果记录为环境压力P2。
进而在步骤S3中，根据吹扫流量dM1、吹扫压力P1、环境压力P2、及进气温度T1计算出空气路单元的实际等效节流流量dM0，且实际等效节流流量dM0的计算公式如下：
dM0＝dM1*(P0/P1)*SQRT(T1/T0)/K(P2/P1)
其中，P0为基准压力，T0为基准温度，SQRT为开平方，K为和P2与P1的比值相关的节流系数；
再将得到的实际等效节流流量dM0与基准等效节流流量dMst进行比较，判断增湿器2的泄漏程度；基准等效节流流量dMst为增湿器2处于正常运行状态下获得的等效节流流量值；具体地，根据实际等效节流流量dM0与基准等效节流流量dMst计算出泄漏比例D，且泄漏比例D的计算公式如下：
D＝(dM0-dMst)/dM0
当泄漏比例D超过设定的故障阀值时，燃料电池系统的报警装置进行报警；同时也可以根据该泄露比例，对空气路单元的控制进行修正补偿，通过提供更多的空气量来满足电堆5实际的流量需求。
另外，本实施例的步骤S2中，在吹扫过程中，需待空气路单元中的气压变化量小于或等于设定值后，即相应空气路的气压基本不再减小，较为稳定后，再对空气路单元进行检测。具体地，本实施例中空气路单元包括中冷空气路31和干空气路32，增湿器2的干入口通过中冷空气路31与中冷器4的出口相连通，增湿器2的干出口通过干空气路32与电堆5的入口相连通。本实施例的中冷空气路31上安装有上述压力传感器8和温度传感器9。在步骤S2中，需利用压力传感器8检测中冷空气路31的气压，待中冷空气路31的气压变化量小于或等于设定值后，再对空气路单元进行检测，以获取上述dM1、P1及T1；或是待干空气路32的气压变化量小于或等于设定值后，再对空气路单元进行检测，以获取上述dM1、P1及T1。且在空气路单元中气压基本稳定后，利用压力传感器8检测中冷空气路31的气压，该气压作为上述吹扫压力P1，并利用温度传感器9检测中冷空气路31中空气的温度，该温度作为上述进气温度T1。本实施例中空气流量计7安装在与压气机6的入口相连通的空气路上，这样空气流量计7将能检测进入压气机6的空气流量。本燃料电池系统还包括通过空气路与压气机6的入口相连通的空气滤清器10，空气流量计7位于空气滤清器10和压气机6之间。另外，在其它实施例中压力传感器8和温度传感器9还可以安装在干空气路32。
如图1所示，本实施例中尾端节气门1的出口与排气管11相连通。增湿器2的湿入口和湿出口分别与电堆5的出口和尾端节气门1的入口相连通。增湿器2的内漏发生在增湿器2内部，从干侧回路直接泄漏到湿侧，这部分泄漏的空气未正常进入电堆5。
在关机吹扫过程中，电堆5小电流运行。步骤S2中，利用压气机6向整个燃料电池系统中通入较大量的空气流量，并保持尾端节气门1维持全开或者指定开度；此过程中，因为电堆5产水较少，且过量系数较大，电堆5内部的湿度将逐渐下降并趋于稳定；在工作一定时间后，待测量到中冷空气路31或干空气路32的压力基本不再减小，较为稳定后，记录此时的中冷空气路31的压力，该压力也是压气机6增压后的压力，并将其记录为吹扫压力P1；且记录压气机6入口处空气流量，并将该流量记录为吹扫流量dM1；另外还需记录中冷空气路31的空气温度、或是记录干空气路32的空气温度，并将该空气温度记录为进气温度T1；之后压气机6按正常步骤停机，在压气机6停止并延时一段时间后，再次记录此时的压力信号，将其作为此时的环境压力P2。进而在步骤S3中通过识别空气路单元的等效节流流量，而估算出增湿器2内漏的泄漏程度，具体地，根据上述记录的吹扫流量dM1、吹扫压力P1、环境压力P2及进气温度T1建立节流模型，dM0＝dM1*(P0/P1)*SQRT(T1/T0)/K(P2/P1)，从而得出整个空气路单元的实际等效节流流量dM0，P0可以为101.3kpa，T0可以为273k，P2/P1为节流的低压侧压力与高压侧压力的比值x，该比值x的大小在0至1之间；K为与该比值x相关的节流系数，大小也是在0至1之间。且K与x的关系曲线如图2所示。
本实施例的步骤S1中，可进行多次关机或者运行时长达到一定间隔后，再执行步骤S2，以进行一次特殊的吹扫操作，可以通过提高压气机6的吹扫转速，这样可以增大吹扫时的压力和流量，提高压力传感器8和空气流量计7信号的辨识度，减少因为传感器而带来的误差；可以通过调节压气机6的转速，使中冷后的空气压力与环境压力的比值维持在某个基准值上，这样测试的结果具有更好的一致性和可重复性。
本实施例中诊断方法，还可以在新安装增湿器2后，通过相关输入设备触发利用上述获取dM0的方法，获取到新的增湿器2的初始实际等效节流流量，并将该初始实际等效节流流量作为上述dMst；同时，为了降低偏差，可以在多次运行上述方法后，寻求较为稳定的平均值来作为基准等效节流流量dMst；并在后续运行中，对比初始实际等效节流流量，当dM0超出一定范围时，识别为异常；另外，还可以通过一段时间的多次结果的平均值来作为当前状态的等效节流流量用于故障识别。本诊断方法，通过上述步骤，可以解决不同的部件特性差异带来的偏差问题，进而能更好的进行特性参数识别和诊断。本诊断方法可以避免系统因增湿器2内漏而带来的长期运行风险，简便易行，检测准确度较高。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种增湿器泄漏诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、燃料电池系统关机；
S2、通过向燃料电池系统持续通入空气，实现对燃料电池系统进行吹扫操作，同时，燃料电池系统的尾端节气门（1）保持设定开度；且在吹扫过程中对燃料电池系统的空气路单元进行检测；
S3、根据检测结果得出空气路单元的实际等效节流流量；并根据实际等效节流流量判断出燃料电池系统中的增湿器（2）的泄漏程度；
所述步骤S2中，在吹扫过程中，需对流入燃料电池系统的空气流量进行检测，并记录为吹扫流量dM1；且需对流向燃料电池系统的电堆（5）的空气压力进行检测，并记录为吹扫压力P1；还需对由燃料电池系统的中冷器（4）流出、并流向电堆（5）的空气温度进行检测，并记录为进气温度T1；所述步骤S2中，在完成吹扫过程中对燃料电池系统的空气路单元进行检测后，停止吹扫，直至停止吹扫时长达到设定时间后，再次对流向电堆（5）的空气的压力进行检测，并记录为环境压力P2；
所述步骤S3中，根据吹扫流量dM1、吹扫压力P1、环境压力P2、及进气温度T1计算出空气路单元的实际等效节流流量dM0，且实际等效节流流量dM0的计算公式如下：
dM0 = dM1*(P0/P1)*SQRT(T1/T0) /K(P2/P1)
其中，P0为基准压力，T0为基准温度，SQRT为开平方，K为和P2与P1的比值相关的节流系数；
所述步骤S3中，将得到的实际等效节流流量dM0与基准等效节流流量dMst进行比较，判断增湿器（2）的泄漏程度；基准等效节流流量dMst为增湿器（2）处于正常运行状态下获得的等效节流流量值。
2.根据权利要求1所述增湿器泄漏诊断方法，其特征在于，所述步骤S2中，在吹扫过程中，需待空气路单元中的气压变化量小于或等于设定值后，再对空气路单元进行检测。
3.根据权利要求2所述增湿器泄漏诊断方法，其特征在于，所述空气路单元包括中冷空气路（31），所述增湿器（2）的干入口通过中冷空气路（31）与中冷器（4）的出口相连通，所述步骤S2中，需待中冷空气路（31）的气压变化量小于或等于设定值后，再对空气路单元进行检测。
4.根据权利要求2所述增湿器泄漏诊断方法，其特征在于，所述空气路单元包括干空气路（32），所述增湿器（2）的干出口通过干空气路（32）与电堆（5）的入口相连通，所述步骤S2，需待干空气路（32）的气压变化量小于或等于设定值后，再对空气路单元进行检测。
5.根据权利要求1所述增湿器泄漏诊断方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据实际等效节流流量dM0与基准等效节流流量dMst计算出泄漏比例D，且泄漏比例D的计算公式如下：
D=(dM0-dMst)/dM0
当泄漏比例D超过设定的故障阀值时，报警装置进行报警。
6.一种用于实现如权利要求1至5任一项所述增湿器泄漏诊断方法的燃料电池系统，包括压气机（6）、与压气机（6）相连通的中冷器（4）、与中冷器（4）相连通的增湿器（2）、与增湿器（2）相连通的电堆（5）、及与增湿器（2）相连通的尾端节气门（1），其特征在于，还包括空气流量计（7）、压力传感器（8）及温度传感器（9），所述空气流量计（7）用于检测流入压气机（6）的空气流量，所述压力传感器（8）用于检测流向电堆（5）的空气的压力，所述温度传感器（9）用于检测由中冷器（4）流出且流向电堆（5）的空气的温度。
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