CN115663241B - 一种燃料电池电堆寿命的监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆寿命的监测方法，步骤包括：燃料电池系统在停机后，对电堆进行放电并检测电堆的单电池最低电压，当单电池最低电压小于等于规定电压阈值时，停止电堆放电；对电堆阳极进行补氢，当电堆阳极的氢气压力达到设定压力阈值后停止补氢；在设定时间段内，使得电堆维持于低电压状态；在设定时间段内，获取T1时刻的电堆阳极氢气压力P1以及获取T2时刻的电堆阳极氢气压力P2，计算氢腔泄漏量；判断氢腔泄漏量是否大于泄漏量目标值，若氢腔泄漏量大于等于泄漏量目标值，则判定电堆寿命终了。本发明快速判定燃料电池电堆寿命是否终了，无需额外的检测设备，既节约成本又具备更为准确的寿命判断数据。

Description

一种燃料电池电堆寿命的监测方法
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电堆寿命的监测方法。
背景技术
燃料电池系统主要由电堆及零部件组成，电堆的性能直接影响燃料电池的性能，因此，无论是在燃料电池系统开机过程中、运行过程中还是停机过程中都应该对燃料电池系统进行安全性能的监测。
质子交换膜的窜漏量是衡量电堆寿命的重要指标，膜的窜漏量一旦出现明显升高，其增大速率将会越来越快，将导致电堆寿命衰减越来越快；膜的窜漏量用氢腔保压法进行表征。因此，通过监控膜的窜漏量，可快速获取燃料电池系统的寿命状态。
当前对燃料电池寿命状态的研究主要集中如何在线获取准确单体内部参数中，电池内阻参数获取方法主要是交流阻抗谱，循环伏安法，断电流法，但是这些方法都是在实验室中获取，无法精确和方便地实际运用到新能源汽车上，存在高成本，低精确度等问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池电堆寿命的监测方法，能够实时监测燃料电池电堆的运行状况，快速判定燃料电池电堆寿命是否终了，无需额外的检测设备，既节约成本又具备更为准确的寿命判断数据，大大降低了燃料电池电堆汽车的运行风险。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池电堆寿命的监测方法，包括以下步骤：
步骤S11、燃料电池系统在停机后，对电堆进行放电并检测电堆的单电池最低电压，当单电池最低电压小于等于规定电压阈值时，停止电堆放电；
步骤S12、对电堆阳极进行补氢，当电堆阳极的氢气压力达到设定压力阈值后停止补氢；
步骤S13、在设定时间段内，使得电堆维持于低电压状态；
步骤S14、在设定时间段内，获取T1时刻的电堆阳极氢气压力P1以及获取T2时刻的电堆阳极氢气压力P2，计算氢腔泄漏量=（P2- P1）/（T2-T1）；
步骤S15、判断氢腔泄漏量是否大于泄漏量目标值，若氢腔泄漏量大于等于泄漏量目标值，则判定电堆寿命终了；
或者，所述的一种燃料电池电堆寿命的监测方法，还包括以下步骤：
步骤S21、获取电堆出厂时的基准单电池平均电压V0以及基准单电池平均电压V0对应的基准电流；
步骤S22、在燃料电池系统运行过程中，获取电堆处于基准电流下的实时单电池平均电压Vavg，计算电压衰减率=实时单电池平均电压Vavg/基准单电池平均电压V0；
步骤S23、判断电压衰减率是否大于等于衰减目标值，若电压衰减率大于等于衰减目标值，则判定电堆寿命终了。
进一步的，所述步骤S15后还包括步骤S16、在判定电堆寿命终了的情况下，提醒使用者：电堆质子交换膜损坏或氢气接头损坏；将氢腔泄漏量上传至监控平台并提醒电堆售后对电堆进行检查维护。
进一步的，所述步骤S23后还包括步骤S24、在判定电堆寿命终了的情况下，将电压衰减率上传至监控平台。
进一步的，所述规定电压阈值设为200mV，所述设定压力阈值为20kPa，所述设定时间段为2min-3min，所述低电压状态为低于24V电压状态，所述泄漏量目标值为3kPa/min。
进一步的，所述衰减目标值设为20%。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过直接对氢腔泄漏量进行计算判断，即可快速判定燃料电池电堆寿命是否终了，无需额外的检测设备，既节约成本又具备更为准确的寿命判断数据，大大降低了燃料电池电堆汽车的运行风险，而且，本发明是在燃料电池电堆停机过程中进行，能够及时检测出燃料电池电堆问题，从而避免了燃料电池电堆在下一次启动运行过程中出现问题；另外，本发明能够主动地实时地将监测数据上传至监控平台以及提醒燃料电池电堆的拥有者，使得燃料电池电堆能够及时地排查问题，从而避免问题的发生。
附图说明
图1为本发明实施例1一种燃料电池电堆寿命的监测方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例2一种燃料电池电堆寿命的监测方法的步骤流程图。
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电堆寿命的监测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S11、燃料电池系统在停机后，对电堆进行放电并检测电堆的单电池最低电压，当单电池最低电压小于等于规定电压阈值时，停止电堆放电；优选的，所述规定电压阈值设为200mV；对电堆进行放电的是为了消耗掉电堆内部残留的空气中的氧气，对电堆进行放电具体为：燃料电池系统在停机后，停止对电堆阴极供应空气（关闭空压机）和停止对电堆阳极供应氢气（关闭氢气循环泵），由于燃料电池系统刚停机，电堆阴极充满空气（氧气占空气一部分）和电堆阳极充满氢气，因此，氢气的量一般都会大于氧气的量，氧气会慢慢消耗完毕，而氢气还会残留一部分，当电堆的单电池最低电压≤200mV时，可认为电堆阴极的氧气已经被消耗完；其中，电堆是由若干单电池堆叠而成的。
步骤S12、停止电堆放电后，对电堆阳极进行补氢，当电堆阳极的氢气压力达到设定压力阈值后停止补氢；具体补氢过程为：停止电堆放电，电堆的DC电流降载至0，停止电流拉载、停止水泵运行后开始补氢，设置设定压力阈值为20kPa，当氢气压力上升到20kPa后，关闭燃料电池系统的主继电器，关闭排氢阀，停止补氢。
步骤S13、停止对电堆补氢后，在设定时间段内，使得电堆维持于低电压状态；优选的，所述设定时间段为2min-3min，所述低电压状态为低于24V电压状态，即电堆处于低于24V电压时为低电压状态；电堆保持24V低电压状态，用以支撑燃料电池系统内温度、压力等传感器供电状态，维持监控采集工作。
步骤S14、在上述设定时间段内（电堆维持于低电压状态），获取T1时刻的电堆阳极氢气压力P1以及获取T2时刻的电堆阳极氢气压力P2，计算氢腔泄漏量=（P2- P1）/（T2-T1）。
步骤S15、判断氢腔泄漏量是否大于泄漏量目标值，若氢腔泄漏量大于等于泄漏量目标值，则判定电堆已损坏，即电堆寿命终了；若氢腔泄漏量小于泄漏量目标值，则不做处理。一般的，泄漏量目标值优先设为3kPa/min，又由于各个电堆的制造工艺不一样，因此各个电堆的泄漏量目标值会有所差异。
步骤S16、在判定电堆寿命终了的情况下，提醒使用者：电堆质子交换膜损坏或氢气接头损坏；将氢腔泄漏量上传至监控平台并提醒电堆售后对电堆进行检查维护。
本实施例通过直接对氢腔泄漏量进行计算判断，即可快速判定燃料电池电堆寿命是否终了，无需额外的检测设备，既节约成本又具备更为准确的寿命判断数据，大大降低了燃料电池电堆汽车的运行风险，而且，本实施是在燃料电池电堆停机过程中进行，能够及时检测出燃料电池电堆问题，从而避免了燃料电池电堆在下一次启动运行过程中出现问题。另外，本实施例能够主动地实时地将监测数据上传至监控平台以及提醒燃料电池电堆的拥有者，使得燃料电池电堆能够及时地排查问题，从而避免问题的发生。
实施例2
本实施例采用另一种方式对燃料电池电堆寿命进行监控，此方式在燃料电池电堆运行过程中进行检测，而实施例1是燃料电池电堆在停机过程中进行，通过双重方式进行燃料电池电堆寿命的监测，能够更全面地监控燃料电池电堆寿命。如图2所示，本实施例公开一种燃料电池电堆寿命的监测方法，包括以下步骤：
步骤S21、获取电堆出厂时的基准单电池平均电压V0以及基准单电池平均电压V0对应的基准电流，一般地，电堆在完成制造后出厂使用，电堆初始使用的基准单电池平均电压V0为0.7V，而对于初始使用的基准单电池平均电压V0都有对应的基准电流，由于各个电堆的制造工艺不一样，因此每个电堆的基准电流可能存在差异。
步骤S22、在燃料电池系统运行过程中，获取电堆处于基准电流下的实时单电池平均电压Vavg，计算电压衰减率=实时单电池平均电压Vavg/基准单电池平均电压V0。
步骤S23、判断电压衰减率是否大于等于衰减目标值，若电压衰减率大于等于衰减目标值，则判定电堆寿命终了；若电压衰减率小于衰减目标值，则不做处理；优选的，所述衰减目标值设为20%。
步骤S24、在判定电堆寿命终了的情况下，将电压衰减率上传至监控平台。
本实施例能够快速简单地计算得到电压衰减率，从而快速简单地判断燃料电池电堆寿命是否终了，无需额外检测装置，大大节约成本，提高燃料电池电堆的安全性。
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)

1.一种燃料电池电堆寿命的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S11、燃料电池系统在停机后，对电堆进行放电并检测电堆的单电池最低电压，当单电池最低电压小于等于规定电压阈值时，停止电堆放电；
步骤S12、对电堆阳极进行补氢，当电堆阳极的氢气压力达到设定压力阈值后停止补氢；
步骤S13、在设定时间段内，使得电堆维持于低电压状态；
步骤S14、在设定时间段内，获取T1时刻的电堆阳极氢气压力P1以及获取T2时刻的电堆阳极氢气压力P2，计算氢腔泄漏量=（P2- P1）/（T2-T1）；
步骤S15、判断氢腔泄漏量是否大于泄漏量目标值，若氢腔泄漏量大于等于泄漏量目标值，则判定电堆寿命终了；
步骤S16、在判定电堆寿命终了的情况下，提醒使用者：电堆质子交换膜损坏或氢气接头损坏；将氢腔泄漏量上传至监控平台并提醒电堆售后对电堆进行检查维护；
所述规定电压阈值设为200mV，所述设定压力阈值为20kPa，所述设定时间段为2min-3min，所述低电压状态为低于24V电压状态，所述泄漏量目标值为3kPa/min。
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