CN115188998B - 一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法 - Google Patents

一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，步骤包括燃料电池空气系统收到启动指令后，空气入口阀、空气出口阀和背压阀处于关闭状态，开启旁通阀至设定开度，启动空压机并以固定转速运转，并使空压机出口维持限定压力，记录空压机入口的空气流量Q1；打开背压阀至最大开度后，记录此时空压机入口的空气流量Q2；计算空气流量增量ΔQ=Q2‑Q1，若ΔQ大于增量阈值，则判定加湿器内部漏气；如果ΔQ小于等于增量阈值，则判定加湿器正常。本发明在不增加额外检测设备的情况下，准确检测加湿器是否漏气，降低了检测成本，提高了燃料电池空气系统的运行稳定性和安全性。

Description

一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法。
背景技术
燃料电池系统系统包括氢气子系统（阳极）和空气子系统（阴极），对于空气子系统来说，为了提高空气在电堆阴极的电化学反应效率，在空气进入电堆前，需要对空气进行加湿。其中，电堆由若干片单片电池堆叠而成。
现有技术中，燃料电池系统一般采用加湿器对电堆空气入口的空气进行加湿，加湿器的原理是利用电堆空气出口的湿空气来加湿电堆空气入口的干侧，在加湿器的内部，湿空气与干侧被纤维管或薄膜隔开，湿空气中的水气在浓度差的作用下透过纤维管壁或薄膜传递到干侧侧，于是干侧湿度增加。正常情况下，纤维管或薄膜只允许水气通过，而在纤维管或薄膜破损的情况下，干湿两侧的空气会发生窜气现象，影响燃料电池系统稳定运行，因此需要通过诊断手段来判别加湿器内部是否产生漏气。
而目前缺乏可靠的加湿器内部漏气诊断手段，不能有效识别加湿器的内部漏气现象。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，在不增加额外检测设备的情况下，准确检测加湿器是否漏气，降低了检测成本，提高了燃料电池空气系统的运行稳定性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，所述燃料电池空气系统包括电堆、空压机、加湿器、空气入口阀、空气出口阀、旁通阀和背压阀，所述电堆包括空气入口和空气出口，所述加湿器包括干侧入口A、干侧出口B、湿侧入口C和湿侧出口D，空压机连接干侧入口A，干侧出口B连接空气入口，空气出口连接湿侧入口C，湿侧出口D连接背压阀，旁通阀连接背压阀和干侧入口；所述一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，包括以下步骤：
燃料电池空气系统收到启动指令后，空气入口阀、空气出口阀和背压阀处于关闭状态，开启旁通阀至设定开度，启动空压机并以固定转速运转，并使空压机出口维持限定压力，记录空压机入口的空气流量Q1；
打开背压阀至最大开度后，记录此时空压机入口的空气流量Q2；
计算空气流量增量ΔQ=Q2-Q1，若ΔQ大于增量阈值，则判定加湿器内部漏气；如果ΔQ小于等增量阈值，则判定加湿器正常。
进一步的，所述的一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，还包括如下步骤：
当燃料电池空气系统处于发电运行过程中，开启空气入口阀和空气出口阀至最大开度，关闭旁通阀，开启背压阀；实时监测电堆单片电压并计算平均单片电压Uave；
判断电堆的平均单片电池电压Uave是否小于平均单片电压阈值；若平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值，则不进行加湿器漏气诊断；若电堆的平均单片电池电压Uave小于平均单片电压阈值，则进行加湿器漏气诊断；
保持电堆电流恒定，增加空压机转速，提高空气流量，同时调整背压阀，维持电堆空气入口压力不变；
再次判断电堆的平均单片电池电压Uave是否小于平均单片电压阈值；若电堆的平均单片电池电压Uave仍小于平均单片电压阈值，则判定加湿器正常，停止加湿器漏气诊断；若平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值，则保持空气流量不变，减小空气出口阀的开度，同时调整背压阀，用以维持电堆空气入口压力不变；
继续判断平均单片电压Uave是否小于平均单片电压阈值；若平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值则判定加湿器正常，停止加湿器漏气诊断；若平均单片电压Uave再次小于平均单片电压阈值，则判定加湿器内部漏气。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过现有的燃料电池空气系统，在不增加额外检测设备的情况下，分别通过在燃料电池空气系统开机运行前和燃料电池空气系统运行过程中对加湿器进行漏气检测，方便简单，并且检测效果更加准确，大大降低了检测成本，提高了燃料电池空气系统的运行稳定性和安全性。
附图说明
图1为本发明燃料电池空气系统的结构示意图。
图2为实施例1中加湿器漏气诊断方法的步骤流程图。
图3为实施例2中加湿器漏气诊断方法的步骤流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本实施例公开一种燃料电池空气系统，如图1所示，包括电堆1、空压机2、加湿器3、空气入口阀4、空气出口阀5、旁通阀6、背压阀7、空气流量传感器8和压力传感器9，所述电堆1包括空气入口和空气出口，所述加湿器3包括干侧入口A、干侧出口B、湿侧入口C和湿侧出口D，空压机2连接干侧入口A，干侧出口B连接空气入口，空气出口连接湿侧入口C，湿侧出口D连接背压阀7，旁通阀6连接背压阀7和干侧入口A，空气流量传感器8连接空压机2，压力传感器9连接空气入口。
燃料电池系统运行时，空压机2用于给电堆1供应干空气，干空气从加湿器3的干侧入口A进入加湿器3后被加湿，被加湿的空气从加湿器3的干侧出口B输出至电堆1阴极；空气在电堆1阴极内部发生电化学反应后，未反应的空气会夹带水分从电堆1的空气出口输出，然后通过加湿器3的湿侧入口C进入加湿器3，加湿器3将夹带水分的空气进行水分提取，提取的水分用于加湿干侧入口A进来的干空气，然后将空气从湿侧出口D输出至背压阀7，背压阀7排放空气尾气；空气入口阀4用于控制空气进出电堆1的空气入口，空气出口阀5用于控制空气进出电堆1的空气出口；旁通阀6用于旁通空气入口A的空气，背压阀7用于调节电堆1空气入口压力；优选的，空压机2为离心式空压机。
其中，加湿器3的AB侧为加湿器干侧，CD侧为加湿器湿侧；
实施例2
本实施例公开一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，其运行于实施例1所述的燃料电池空气系统，当燃料电池系统处于启动过程时，利用离心式空压机特性诊断加湿器是否泄漏：即当空压机以固定转速运转时，如果出口管路流阻降低，空压机流量会增加。一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、燃料电池空气系统收到启动指令后，空气入口阀4、空气出口阀5和背压阀7处于关闭状态，开启旁通阀6至设定开度，启动空压机2并以固定转速运转，并使空压机2出口维持限定压力，记录此时空气流量传感器8的读数，即记录此时空压机2入口的空气流量Q1；
S2、打开背压阀7至最大开度后，记录此时空气流量传感器8的读数，即记录此时空压机2入口的空气流量Q2；
S3、计算空气流量增量ΔQ=Q2-Q1，若ΔQ大于增量阈值，说明在背压阀7完全开启后，有一定量空气从加湿器干侧泄漏至加湿器湿侧，并且从湿侧出口D流出，造成空压机2空气流量增加，因此判定加湿器3内部漏气，燃料电池空气系统停止启动；如果ΔQ小于等增量阈值，则判定加湿器正常，燃料电池空气系统可继续启动。
本实施例通过现有的燃料电池空气系统，在不增加额外检测设备的情况下，通过在燃料电池空气系统开机运行前对加湿器进行漏气检测，方便简单，并且检测效果更加准确，大大降低了检测成本，提高了燃料电池空气系统的运行稳定性和安全性。
实施例3
本发明是在实施例2基础上，公开一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，实施例2是燃料电池空气系统在电堆1发电前对加湿器是否漏气进行诊断，而本实施例燃料电池空气系统在电堆1发电过程中对加湿器是否漏气进行诊断，利用电堆电压特性诊断加湿器是否泄漏：即在燃料电池发电过程中，电流不变，如果通过电堆的空气流量降低，则电堆电压降低。
一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，如图3所示，包括以下步骤：
S4、当燃料电池空气系统处于发电运行过程中，开启空气入口阀4和空气出口阀5至最大开度，关闭旁通阀6，开启背压阀7，背压阀7用于控制电堆1空气入口的空气压力，空压机以设定转速运转，确定燃料电池空气系统各运行参数正常（包括空压机2的空气流量、电堆1入口的空气压力和电堆1的温度等）；实时监测电堆1单片电压（电堆是由若干片单片电池堆叠而成，单片电压即为单片电池的电压）并计算平均单片电压Uave；判断电堆1的平均单片电池电压Uave是否小于平均单片电压阈值（平均单片电压阈值的设定基于电堆电流），若平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值，则不进行加湿器漏气诊断；若电堆1的平均单片电池电压Uave小于平均单片电压阈值（平均单片电压阈值的设定基于电堆电流），则进行加湿器漏气诊断；
保持电堆电流恒定，增加空压机转速，提高空气流量，同时调整背压阀7，维持电堆1空气入口压力不变；监测电堆1电压是否恢复正常，即判断电堆1的平均单片电池电压Uave是否恢复正常，即判断平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值；
若电堆1的平均单片电池电压Uave仍小于平均单片电压阈值，则判定加湿器正常，停止加湿器漏气诊断；若平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值，即电压异常恢复，说明电堆1电压异常是由于进入电堆1的空气流量低于正常范围，空气流量正常后，电堆电压即恢复正常，继续加湿器漏气诊断；
保持空压机2空气流量不变，减小空气出口阀5的开度，同时调整背压阀7，用以维持电堆1空气入口压力不变；继续判断平均单片电压Uave是否再次小于平均单片电压阈值；
若平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值，则判定加湿器正常，停止加湿器漏气诊断；若平均单片电压Uave小于平均单片电压阈值，则说明进入电堆的空气流量降低，当空气出口阀5的开度减小后，加湿器3干湿侧压差变大，空气由干侧向湿侧的泄漏量增加，导致进入电堆1的空气流量降低，判定加湿器3内部漏气，燃料电池空气系统应停机检修。
本实施例对运行过程中的燃料电池空气系统进行加湿器的漏气检测，能够及时发现加湿器发生漏气的状况，避免电池空气系统出现发电不稳定状况，提高电池空气系统运行稳定性和安全性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (1)

1.一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，所述燃料电池空气系统包括电堆、空压机、加湿器、空气入口阀、空气出口阀、旁通阀和背压阀，所述电堆包括空气入口和空气出口，所述加湿器包括干侧入口A、干侧出口B、湿侧入口C和湿侧出口D，空压机连接干侧入口A，干侧出口B连接空气入口，空气出口连接湿侧入口C，湿侧出口D连接背压阀，旁通阀连接背压阀和干侧入口A；其特征在于，所述一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，包括以下步骤：
燃料电池空气系统收到启动指令后，空气入口阀、空气出口阀和背压阀处于关闭状态，开启旁通阀至设定开度，启动空压机并以固定转速运转，并使空压机出口维持限定压力，记录空压机入口的空气流量Q1；
打开背压阀至最大开度后，记录此时空压机入口的空气流量Q2；
计算空气流量增量ΔQ=Q2-Q1，若ΔQ大于增量阈值，则判定加湿器内部漏气；如果ΔQ小于等增量阈值，则判定加湿器正常；
所述的一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法，还包括如下步骤：
当燃料电池空气系统处于发电运行过程中，开启空气入口阀和空气出口阀至最大开度，关闭旁通阀，开启背压阀；实时监测电堆单片电压并计算平均单片电压Uave；
判断电堆的平均单片电池电压Uave是否小于平均单片电压阈值；若平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值，则不进行加湿器漏气诊断；若电堆的平均单片电池电压Uave小于平均单片电压阈值，则进行加湿器漏气诊断；
保持电堆电流恒定，增加空压机转速，提高空气流量，同时调整背压阀，维持电堆空气入口压力不变；
再次判断电堆的平均单片电池电压Uave是否小于平均单片电压阈值；若电堆的平均单片电池电压Uave仍小于平均单片电压阈值，则判定加湿器正常，停止加湿器漏气诊断；若平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值，则保持空气流量不变，减小出口阀的开度，同时调整背压阀，用以维持电堆空气入口压力不变；
继续判断平均单片电压Uave是否小于平均单片电压阈值；若平均单片电压Uave大于等于平均单片电压阈值则判定加湿器正常，停止加湿器漏气诊断；若平均单片电压Uave再次小于平均单片电压阈值，则判定加湿器内部漏气；
所述空压机为离心式空压机。
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