CN114792828A - 一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法 - Google Patents

一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法。燃料电池对氢气纯度要求高，氢气纯度不达标将导致燃料电池电堆的单片电压低。但是，用于检测气体纯度的传感器体积大、成本高，并不适用于燃料电池的实际工作场景。通过本发明提供的监测方法，可以在不配备氢气纯度传感器的情况下监测氢纯度是否低于标准值，从而使燃料电池系统能够快速排查故障原因，提高燃料电池系统的可靠性和实用性。

Description

一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法。
背景技术
燃料电池发动机因其效率高、环境污染小、比能量高、噪音低等优点，正广泛的应用于乘用车和卡车等大型车辆。
燃料电池对氢气纯度要求高，当氢系统供应的氢气纯度不满足燃料电池系统要求时，容易导致燃料电池系统出现单片电压低的故障。但是，导致燃料电池系统单片电压低的原因较多，氢气纯度低只是其中之一，在不能有效监测氢气纯度的情况下难以锁定故障原因，需耗费大量人力物力进行故障排查。
通过在燃料电池系统中引入氢气纯度传感器，可以准确的检测出氢气的实际纯度。然而，用于检测气体纯度的传感器不同于其他理化参数的传感器，此类传感器体积大、成本高，并不适用于燃料电池的实际工作场景。因此，亟需提供一种能够在不配备氢气纯度传感器的情况下监测氢纯度是否低于标准值的监测方法，从而使燃料电池系统能够快速排查故障原因，提高燃料电池系统的可靠性和实用性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法。所述燃料电池氢系统具有氢气回流管路和氢气供应管路，所述氢气回流管路用于将燃料电池阳极尾气中残余的氢气回流利用，所述氢气供应管路用于将氢气源提供的氢气和所述氢气回流管路提供的回流氢气混合并供应至燃料电池电堆的阳极，所述监测方法包括以下步骤：
S1：采集所述氢气供应管路中的入堆氢气压力，并采集所述氢气回流管路中的回流氢气压力；
S2：计算所述入堆氢气压力和所述回流氢气压力的差值，并和预设阈值比较，得到监测结果。
作为燃料电池氢系统的一般构成，所述氢气供应管路上设置有氢喷射器、引射器和入堆氢气压力传感器；所述氢气回流管路上设置有气液分离器、回流氢气压力传感器和尾排阀。
步骤S2中的预设阈值对于本发明监测方法的准确性是是至关重要的。所述预设阈值通过以下步骤确定：
S21：将燃料电池电堆运行在低电密状态，并依次在多个不同的入堆氢气浓度下分别运行一定的时间，同步记录燃料电池电堆的平均单片电压或标准差，并且同步记录所述入堆氢气压力和所述回流氢气压力；
S22：确定所述平均单片电压或标准差随时间变化曲线中切线斜率的最大点，并将该点对应的入堆氢气压力和回流氢气压力的差值确定为所述预设阈值。
其中，步骤S21中所述的多个不同的入堆氢气浓度按照特定的顺序依次执行，例如从高到低或者从低到高，优选为从高到低。由于在实际工作场景下燃料电池氢系统并不具备氢气纯度传感器，为了获得所需的氢气浓度，可以通过控制氢气回流管路上尾排阀的开启周期和开启时间，从而得到不同的入堆氢气浓度。
具体的，在执行下一个入堆氢气浓度之前，燃料电池电堆需要在当前氢气浓度下运行一定的时间，优选为20分钟以上。
步骤S21中的“低电密状态”指燃料电池电堆运行在低于正常水平的电流密度状态。发明人发现，相对于正常的电流密度状态或者高电流密度状态，燃料电池电堆在低电流密度状态时如果氢纯度发生异常，所述入堆氢气压力和回流氢气压力的数据关系将相对于预设阈值发生更大的偏离，从而能够实现更准确的监测识别。因此，优选在燃料电池电堆运行在低电流密度状态时实施上述监测方法。更优选的，在燃料电池电堆运行在最低电密点时实施上述监测方法，与之相对应的，在确定所述预设阈值时，即步骤S21中燃料电池电堆同样运行在最低电密点。
本发明提供的燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法通过监测入堆氢气压力和回流氢气压力的差值和预设阈值的关系，实现了在不设置氢气纯度传感器的情况下对氢纯度的有效监测，从而使燃料电池系统能够快速排查故障原因，提高了燃料电池系统的可靠性和实用性。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例中的一种燃料电池氢系统；
图2示出了实施例中的一种氢气纯度监测方法的流程图。
附图标记：1-氢气供应管路；2-氢气回流管路；3-数据处理单元；4-燃料电池电堆；11-氢喷射器；12-引射器；13-入堆氢气压力传感器；14-安全阀；21-气液分离器；22-回流氢气压力传感器；23-排气阀。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些例举性的实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“连接”、“连通”表示直接或通过其他组件间接的连接或连通。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象，但并不直接表示先后顺序或重要程度的不同。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
如图1所例示的，本发明所述的燃料电池氢系统包括氢气供应管路1、氢气回流管路2。氢气供应管路1的主要作用是向燃料电池电堆4的阳极提供氢气。所述燃料电池电堆4是燃料电池系统的核心组件，是氢气和空气（氧气）发生电化学反应的主要场所。对于燃料电池电堆4的具体类型，本实施例不作特殊的限制，可以是质子交换膜燃料电池电堆，也可以是固体氧化物燃料电池电堆或者熔融盐燃料电池电堆。
作为氢气供应管路1的主要构成，包括氢喷射器11，引射器12，入堆氢气压力传感器13和安全阀14。其中，氢喷射器11和引射器12是实现燃料电池电堆4阳极尾气回流利用的重要元件：燃料电池电堆4排出的阳极尾气中的主要成分是水蒸气，但同时也包括残留的氢气，通过氢喷射器11向引射器12中喷入氢气的高速射流，引射器12和氢气回流管路3将产生压差，在压差的驱动下氢气回流管路3中的残余氢气进入引射器12与氢气的高速射流混合，重新进入燃料电池电堆4参与反应。
氢气回流管路2的主要作用是将阳极尾气中残留的氢气输送到引射器12的回流气体入口，重新进入燃料电池电堆进行反应。作为氢气回流管路2的主要构成，所述氢气回流管路2上设置有气液分离器21、回流氢气压力传感器22。所述氢气回流管路2上还连接有排气支路，所述排气支路上设置有排气阀23。
在没有设置氢气纯度监测传感器的情况下，对进入燃料电池电堆4的氢气纯度进行监测通常认为是难以实现的。本发明提供的燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法主要通过数据处理单元3实现，该数据处理单元3与所述入堆氢气压力传感器13和回流氢气压力传感器采集22数据连接，能够接收所述入堆氢气压力传感器13采集的入堆氢气压力和回流氢气压力传感器采集22的回流氢气压力，并通过计算处理所述入堆氢气压力和回流氢气压力得到监测结果。
如图2所例示的，本发明的监测方法包括以下步骤：
S1：采集所述氢气供应管路1中的入堆氢气压力，并采集所述氢气回流管路2中的回流氢气压力；
S2：计算所述入堆氢气压力和所述回流氢气压力的差值，并和预设阈值比较，得到监测结果。当差值低于预设阈值时，认定氢气纯度低于标准值，此时氢气纯度问题是导致燃料电池电堆单片电压低的主要原因。
步骤S2中的预设阈值通过以下步骤确定：
S21：将燃料电池电堆运行在低电密状态，并依次在多个不同的入堆氢气浓度C1~Cn下分别运行时间t，同步记录燃料电池电堆的平均单片电压或标准差，并且同步记录所述入堆氢气压力和所述回流氢气压力；其中运行时间t≥20分钟，从而能够确保在执行下一个氢气浓度之前系统达到稳定状态。
通过步骤S21，可以获得平均单片电压或标准差随时间的变化曲线。具体的，氢气浓度C1~Cn可以按照特定的间隔规律（例如以等差数列的方式）由低到高排列，或者由高到低排列。在本实施例中以由高到低的方式排列，因此平均单片电压或标准差随时间逐渐下降。其中，为了在不具备氢浓度传感器的情况下获得特定的氢气浓度，在实施上述步骤之前可以在实验场景下，在相同的低电密运行条件下调整氢气回流管路上尾排阀的开启周期和开启时间并记录相应的氢气浓度，从而建立尾排阀的开启周期和开启时间与氢气浓度的对应关系。
S22：确定所述平均单片电压或标准差随时间变化曲线中切线斜率的最大点，并将该点对应的入堆氢气压力和回流氢气压力的差值确定为所述预设阈值。
以上已经描述了本公开的各实施例，本领域技术人员应当理解上述说明仅仅是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法，其特征在于，所述燃料电池氢系统具有氢气回流管路和氢气供应管路，所述氢气回流管路用于将燃料电池阳极尾气中残余的氢气回流利用，所述氢气供应管路用于将氢气源提供的氢气和所述氢气回流管路提供的回流氢气混合并供应至燃料电池电堆的阳极；所述监测方法包括以下步骤：
S1：采集所述氢气供应管路中的入堆氢气压力，并采集所述氢气回流管路中的回流氢气压力；
S2：计算所述入堆氢气压力和所述回流氢气压力的差值，并和预设阈值比较，得到监测结果；
其中，所述预设阈值通过以下步骤确定：
S21：将燃料电池电堆运行在低电密状态，并依次在多个不同的入堆氢气浓度下分别运行一定的时间，同步记录燃料电池电堆的平均单片电压或标准差，并且同步记录所述入堆氢气压力和所述回流氢气压力；
S22：确定所述平均单片电压或标准差随时间变化曲线中切线斜率的最大点，并将该点对应的入堆氢气压力和回流氢气压力的差值确定为所述预设阈值。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法，其特征在于，所述氢气供应管路上设置有氢喷射器、引射器和入堆氢气压力传感器；所述氢气回流管路上设置有气液分离器、回流氢气压力传感器和尾排阀；所述监测方法通过所述入堆氢气压力传感器和所述回流氢气压力传感器采集入堆氢气压力和回流氢气压力。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法，其特征在于，所述步骤S21中通过控制所述尾排阀的开启周期和开启时间，得到不同的入堆氢气浓度。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法，其特征在于，所述步骤S21中在多个不同的入堆氢气浓度下分别运行20分钟以上的时间。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法，其特征在于，在燃料电池电堆运行在低电密状态时实施所述监测方法。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法，其特征在于，所述步骤S21中依次在由高到低的多个不同的入堆氢气浓度下分别运行。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法，其特征在于，所述步骤S21中依次在由低到高的多个不同的入堆氢气浓度下分别运行。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢系统氢气纯度的监测方法，所述燃料电池选自资质交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池中的任意一种。
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