CN113782789A - 一种燃料电池系统阳极压力保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种燃料电池系统阳极压力保护方法，包括供氢模块开度保护、故障保护，通过控制手段，及时响应阳极期望压力，保障电堆及系统的正常工作；当出现故障时，及时判断并处理，避免阳极压力异常，保护电堆安全，采用档位最大开度或最小开度限制供氢模块在燃料电池运行状态下的开度，及时响应阳极期望压力，保障电堆及系统的正常工作；采用阳极反馈压力判断运行状态的阳极压力及阴阳极压差，若其过高或过低，则进行紧急停机，避免电堆损坏；对供氢模块异常进行判断，避免其造成电堆损坏；对阳极压力传感器失效状态进行判断，避免其造成电堆损坏；采用机械结构的压力开关判断阳极压力，避免阳极压力异常导致的电堆损坏。

Description

一种燃料电池系统阳极压力保护方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，特别涉及一种燃料电池系统阳极压力保护方法。
背景技术
燃料电池系统的持续运行需要向燃料电池的阴阳极持续提供反应气体，供气通过燃料电池的阳极回路和阴极回路实现。
通常的燃料电池系统具备多个工作档位，高档位具有更高输出，需求更高的阴阳极压力，该档位下的供氢模块开度、空压机转速等控制参数较大；低档位输出较低，需求的阴阳极压力较低，该档位下的供氢模块开度、空压机转速等控制参数也较小。
燃料电池的阳极通过消耗氢气满足燃料电池的运行需求，合理控制燃料电池的阳极压力与氢气供给，保障燃料电池的用氢安全是避免安全事故发生的关键。
燃料电池的阳极回路是向燃料电池提供氢气的结构，参阅图1，是一般阳极回路配置的示意图，包含减压阀、供氢模块、氢气循环模块、排水排气模块、阳极压力传感器等部分，入口氢气由氢罐内的高压氢气经过减压阀减压，减压后的氢气经由供氢模块入堆，阳极压力传感器获取入堆氢气压力并反馈给燃料电池控制器，燃料电池控制器通过控制供氢模块的开度，使阳极压力维持稳定；出堆氢气经过排水排气模块排出液态水及杂质气体，然后经由氢气循环模块与入堆气体混合后再次进入电堆，以提升氢气利用率。通常的，供氢模块开度越大，入堆氢气流量越大，同档位下阳极压力越高，然而，在一般的燃料电池系统中，可能会遇到下列问题：1、由于阳极压力响应慢，造成阳极压力或阴阳极压差过高/过低，导致电堆损坏；2、由于故障发生未及时处理或识别，造成阳极压力或阴阳极压差过高/过低，导致电堆损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统阳极压力保护方法，通过控制手段，及时响应阳极期望压力，保障电堆及系统的正常工作；当出现故障时，及时判断并处理，避免阳极压力异常，保护电堆安全。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种燃料电池系统阳极压力保护方法，包括供氢模块开度保护、故障保护，所述供氢模块开度保护具体包括如下步骤：
S1、采集阳极压力传感器上的阳极反馈压力P和供氢模块开度，设置燃料电池当前运行档位下限制的供氢模块的最大开度Dmax；
S2、判断阳极反馈压力P与期望压力的大小；
S3、若阳极反馈压力P小于期望压力，则增大供氢模块开度；若阳极反馈压力P大于期望压力，则减小供氢模块开度；若阳极反馈压力P等于期望压力，则供氢模块开度不变；
S4、判断供氢模块开度与最大开度Dmax的大小；
S5、若供氢模块开度大于最大开度Dmax，则将供氢模块开度调整为最大开度Dmax，若供氢模块开度小于等于最大开度Dmax，则保持供氢模块开度；
所述故障保护具体操作如下：
A1、采集阳极压力传感器上的阳极反馈压力，依据阳极反馈压力计算得到阴阳极压差；获取当前档位的电堆的最大运行压力、最低运行压力及当前档位的正常运行压差最大值；
A2、判断是否故障，包括如下操作：若阳极反馈压力位于当前档位的电堆最大运行压力与最低运行压力之间且阴阳极压差不大于当前档位的正常运行压差最大值，则判定为正常；反之，则判定为故障；
A3、当判断为故障，则关闭供氢模块并切断供电；关闭空压机并切断供电；
A4、打开排水排气模块快速降低阳极压力，打开节气门快速降低阴极压力，关闭循环泵并切断供电；
A5、待阳极压力和阴极压力将至大气压后，关闭其他用电设备。
作为优选，所述步骤S1中还包括设置燃料电池当前运行档位下限制的供氢模块的最小开度Dmin，所述步骤S4中还包括判断供氢模块开度与最小开度Dmin的大小；所述步骤S5中当供氢模块开度小于最小开度Dmin，则供氢模块开度调整为最小开度Dmin。
作为优选，所述步骤A3中还包括如下子步骤：
A31：关闭供氢模块并切断供电；判断供氢模块是否工作，判断阳极反馈压力是否上升；若供氢模块未工作且阳极反馈压力上升，则判定为供氢模块故障；反之，判定为供氢模块正常；
A32、若供氢模块故障，打开排水排气模块快速降低阳极压力，关闭减压阀并切断供电，并发出供氢模块故障的警报信息。
作为优选，所述步骤A2中还包括如下子步骤：
A21、检测阳极压力传感器的状态，判断阳极压力传感器是否失效；若阳极压力传感器失效，则判定为传感器故障；反之，判定传感器正常；
A22、若传感器故障，关闭供氢模块并切断供电，打开排水排气模块快速降低阳极压力，关闭减压阀并切断供电并发出传感器故障的警报信息。
作为优选，所述步骤A2中判断是否故障还包括如下操作：判断压力开关设备是否断开，若断开，则表明阳极压力大于压力开关设备的设定值，判定为故障；反之，判定为正常；若判定为故障，则打开水排气模块快速降低阳极压力。
本发明的有益效果：
1、采用档位最大开度或最小开度限制供氢模块在燃料电池运行状态下的开度，及时响应阳极期望压力，保障电堆及系统的正常工作；
2、采用阳极反馈压力判断运行状态的阳极压力及阴阳极压差，若其过高或过低，则进行紧急停机，避免电堆损坏；
3、对供氢模块异常进行判断，避免其造成电堆损坏；
4、对阳极压力传感器失效状态进行判断，避免其造成电堆损坏；
5、采用机械结构的压力开关判断阳极压力，避免阳极压力异常导致的电堆损坏。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是一般阳极回路配置的示意图；
图2是本发明使用的阳极回路配置的示意图；
图3是本发明实施例一的供氢模块开度保护的流程图；
图4是本发明实施例二的供氢模块开度保护的流程图；
图5是本发明的故障保护的流程图；
图6是本发明的供氢模块故障的流程图；
图7是本发明的传感器故障的流程图；
图8是本发明的压力开关判断故障的流程图；
图中：1-电推、2-减压阀、3-供氢模块、4-阳极压力传感器、5-排水排气模块、6-氢气循环模块、7-压力开关。
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了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图2，本发明使用的阳极回路配置的示意图，包含以下零件：减压阀2、供氢模块3、压力开关7、氢气循环模块6、排水排气模块5、阳极压力传感器4等部分。其中，压力开关7为根据压力改变自身开关状态的装置，阳极压力通过控制器对设定的阳极期望压力与压力传感器反馈的阳极压力进行对比，控制供氢模块3的开度，从而使反馈的阳极压力与设定的阳极期望压力保持一致。供氢模块3可以是控制开启量的形式，如比例阀；也可以是控制开闭的形式，如电磁阀。
参阅图3，为避免供氢模块控制量过大，导致档位变化或期望压力降低时，控制量变化响应慢，从而造成实际压力过大的问题，采用限制供氢模块开度的方式，依据燃料电池各运行档位，设置供氢模块最大开度，在各个档位运行时，限制供氢模块开度仅能处于对应档位的最大开度以下，各档位的供氢模块最大开度可以相同也可以不同，具体包括如下步骤：
S1、采集阳极压力传感器上的阳极反馈压力P和供氢模块开度，设置燃料电池当前运行档位下限制的供氢模块的最大开度Dmax；
S2、判断阳极反馈压力P与期望压力的大小；
S3、若阳极反馈压力P小于期望压力，则增大供氢模块开度；若阳极反馈压力P大于期望压力，则减小供氢模块开度；若阳极反馈压力P等于期望压力，则供氢模块开度不变；
S4、判断供氢模块开度与最大开度Dmax的大小；
S5、若供氢模块开度大于最大开度Dmax，则将供氢模块开度调整为最大开度Dmax，若供氢模块开度小于等于最大开度Dmax，则保持供氢模块开度；
参阅图4，也可考虑限制供氢开度的最小值，依据燃料电池各运行档位，设置供氢模块最小开度，在各个档位运行时，限制供氢模块开度仅能处于对应档位的最小开度以上，各档位的供氢模块最小开度可以相同也可以不同，具体步骤为：所述步骤S1中还包括设置燃料电池当前运行档位下限制的供氢模块的最小开度Dmin，所述步骤S4中还包括判断供氢模块开度与最小开度Dmin的大小；所述步骤S5中当供氢模块开度小于最小开度Dmin，则供氢模块开度调整为最小开度Dmin。
参阅图5，当燃料电池处于运行状态，阳极压力传感器反馈阳极压力过高或过低，或者依据阳极反馈压力计算得到的阴阳极压差过大时，认为当前系统处于故障状态，燃料电池系统将执行急停关机操作；该操作有以下内容：关闭供氢模块，关闭空压机，打开排水排气模块，打开节气门，关闭氢气循环模块。上述操作可以快速排出系统内气体，使系统内压力快速降低，从而避免压力异常导致的电堆损坏。待压力降至大气压后，对其他用电器件进行断电操作，最终完成关机。
参阅图6，若供氢模块发生故障，如异物卡住、前端压力过大等，可能存在关闭供氢模块且断电后，仍有氢气持续进入系统，造成系统阳极压力过高的风险。采用检测供氢模块开度及阳极压力的方式对此类情况进行判断，该操作有以下内容：打开排水排气模块，关闭减压阀，并发出警报信息。上述操作可以切断氢气供给，并快速排出系统内气体，使系统内阳极压力快速降低，从而避免阳极压力异常导致的电堆损坏。发出警报信息可以提醒附近人员安全风险并及时检查维护供氢模块及减压阀。
参阅图7，若阳极压力传感器失效，则存在阳极反馈压力异常，造成供氢模块开度异常，导致实际阳极压力异常的问题。采用检测阳极压力传感器状态的方式对此类情况进行判断，该操作有以下内容：关闭供氢模块，打开排水排气模块，关闭减压阀，并发出警报信息。上述操作可以切断氢气供给，并快速排出系统内气体，使系统内阳极压力快速降低，从而避免阳极压力异常导致的电堆损坏。发出警报信息可以提醒附近人员安全风险并及时维护更换阳极压力传感器。
参阅图8，有压力开关设备，该设备为物理开关装置，采用机械结构识别系统内压力，当压力超过设定值时，开关将起跳并对供氢模块及减压阀进行物理断电处理，从而避免压力过大而系统对供氢模块操作慢导致的阳极压力过高。同时，采用检测压力开关信号的方式，判断是否进行快速排气降低阳极压力，该操作有以下内容：打开排水排气模块。由于压力开关断开可以保证切断氢气供给，因此上述操作可以快速排出系统内气体，使系统内阳极压力快速降低，从而避免阳极压力异常导致的电堆损坏。
对于供氢模块故障、阳极压力传感器失效和压力开关设备，在快速降低阳极压力的同时，为保证阴阳极压差处于合适范围，也可考虑通过关闭空压机、打开节气门的方式，快速降低阴极压力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统阳极压力保护方法，其特征在于，包括供氢模块开度保护、故障保护，所述供氢模块开度保护具体包括如下步骤：
S1、采集阳极压力传感器上的阳极反馈压力P和供氢模块开度，设置燃料电池当前运行档位下限制的供氢模块的最大开度Dmax；
S2、判断阳极反馈压力P与期望压力的大小；
S3、若阳极反馈压力P小于期望压力，则增大供氢模块开度；若阳极反馈压力P大于期望压力，则减小供氢模块开度；若阳极反馈压力P等于期望压力，则供氢模块开度不变；
S4、判断供氢模块开度与最大开度Dmax的大小；
S5、若供氢模块开度大于最大开度Dmax，则将供氢模块开度调整为最大开度Dmax，若供氢模块开度小于等于最大开度Dmax，则保持供氢模块开度；
所述故障保护具体操作如下：
A1、采集阳极压力传感器上的阳极反馈压力，依据阳极反馈压力计算得到阴阳极压差；获取当前档位的电堆的最大运行压力、最低运行压力及当前档位的正常运行压差最大值；
A2、判断是否故障，包括如下操作：若阳极反馈压力位于当前档位的电堆最大运行压力与最低运行压力之间且阴阳极压差不大于当前档位的正常运行压差最大值，则判定为正常；反之，则判定为故障；
A3、当判断为故障，则关闭供氢模块并切断供电；关闭空压机并切断供电；
A4、打开排水排气模块快速降低阳极压力，打开节气门快速降低阴极压力，关闭循环泵并切断供电；
A5、待阳极压力和阴极压力将至大气压后，关闭其他用电设备。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池系统阳极压力保护方法，其特征在于：所述步骤S1中还包括设置燃料电池当前运行档位下限制的供氢模块的最小开度Dmin，所述步骤S4中还包括判断供氢模块开度与最小开度Dmin的大小；所述步骤S5中当供氢模块开度小于最小开度Dmin，则供氢模块开度调整为最小开度Dmin。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池系统阳极压力保护方法，其特征在于，所述步骤A3中还包括如下子步骤：
A31：关闭供氢模块并切断供电；判断供氢模块是否工作，判断阳极反馈压力是否上升；若供氢模块未工作且阳极反馈压力上升，则判定为供氢模块故障；反之，判定为供氢模块正常；
A32、若供氢模块故障，打开排水排气模块快速降低阳极压力，关闭减压阀并切断供电，并发出供氢模块故障的警报信息。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池系统阳极压力保护方法，其特征在于，所述步骤A2中还包括如下子步骤：
A21、检测阳极压力传感器的状态，判断阳极压力传感器是否失效；若阳极压力传感器失效，则判定为传感器故障；反之，判定传感器正常；
A22、若传感器故障，关闭供氢模块并切断供电，打开排水排气模块快速降低阳极压力，关闭减压阀并切断供电并发出传感器故障的警报信息。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池系统阳极压力保护方法，其特征在于：所述步骤A2中判断是否故障还包括如下操作：判断压力开关设备是否断开，若断开，则表明阳极压力大于压力开关设备的设定值，判定为故障；反之，判定为正常；若判定为故障，则打开水排气模块快速降低阳极压力。
6.如权利要求3至6任一项所述的一种燃料电池系统阳极压力保护方法，其特征在于：还包括如下步骤：关闭空压机并切断供电，打开节气门快速降低阴极压力。
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