CN115832370A - 一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法，步骤包括：燃料电池氢气系统运行中，使电堆氢气入口压力达到目标压力P1，纪录比例阀初始开度L1；调整比例阀开度，使电堆氢气入口压力达到目标压力P4，记录比例阀开度L2，计算开度差△L21；若开度差△L21小于等于第一开度差阈值，则诊断安全阀为开启故障；若开度差△L21大于第一开度差阈值，则使电堆氢气入口压力达到目标压力P1，记录比例阀开度L3，计算开度差△L31；若开度差△L31大于等于第二开度差阈值，则诊断安全阀为关闭故障；若开度差△L31小于第二开度差阈值，则诊断安全阀为正常。本发明能够准确地对安全阀的故障进行有效诊断。
Description
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氢气系统的安全阀故障诊断方法。
背景技术
燃料电池系统的阳极安全阀用于防止阳极的氢气超压，当在运行过程中阳极压力超过安全阀的开启阈值时，安全阀打开，释放氢气卸压，以达到保护电堆的目的。实际上，阳极超压的概率非常小，在整个燃料电池系统寿期内，安全阀可能从未打开或打开次数极少，因此很难判断安全阀是否已经产生故障而失效。在安全阀已经失效而没有及时维修更换的情况下，当发生阳极氢气超压事故时，系统将不能受到有效保护，电堆会因此而损坏。所以，有必要对安全阀进行定期故障诊断，以及时发现安全阀故障，并维护更换安全阀，防止发生阳极的氢气超压事故时造成电堆的损坏。
目前缺乏针对燃料电池系统阳极安全阀的有效故障诊断手段，不能及时发现安全阀故障，从而使燃料电池系统或电堆置于可能的风险之中。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法，能够准确地对安全阀的故障进行有效诊断，从而提高燃料电池氢气系统运行的可靠性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法，其运行于燃料电池氢气系统上，所述燃料电池氢气系统包括电堆、供氢单元、比例阀、引射器、气水分离器、排水排气阀、安全阀和压力传感器，所述电堆包括氢气入口和氢气出口，所述供氢单元、比例阀、引射器和电堆的氢气入口依次连接，电堆的氢气出口、气水分离器和排水排气阀依次连接，气水分离器连接引射器，压力传感器连接电堆的氢气入口或者内置于电堆的氢气入口，引射器通过电堆入口管路连接电堆的氢气入口，安全阀连接电堆入口管路，安全阀通过卸压管路与外界连接；所述一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法包括以下步骤：
燃料电池氢气系统运行过程中，控制比例阀的开度使得电堆氢气入口压力达到目标压力P1，保持电堆的电流恒定，纪录此时比例阀的初始开度L1；
将电堆氢气入口压力设置目标压力P4，其中，目标压力P4大于安全阀开启压力P3且小于电堆的耐受压力P5；
调整比例阀开度，使电堆氢气入口压力达到目标压力P4，记录此时比例阀的开度L2，并计算开度差△L21=L2-L1；
判断开度差△L21是否大于第一开度差阈值，若开度差△L21小于等于第一开度差阈值，则诊断安全阀为开启故障，结束诊断过程；若开度差△L21大于第一开度差阈值，则控制比例阀的开度使得电堆氢气入口压力重新达到目标压力P1，记录此时比例阀的开度L3，并计算开度差△L31=L3-L1；
判断开度差△L31是否大于等于第二开度差阈值，若开度差△L31大于等于第二开度差阈值，则诊断安全阀为关闭故障，结束诊断过程；若开度差△L31小于第二开度差阈值，则诊断安全阀为正常，结束诊断过程；
上述中，P5>P4>P3>P2>P1。
进一步的，所述耐受压力P5的取值范围为3.5 bara ~4.0bara，目标压力P1的取值范围为1.2 bara ~2.6bara，关闭压力P2的取值范围为2.8 bara ~2.9bara，安全阀的开启压力P3的取值范围为3bara ~3.2bara，目标压力P4的取值范围为3.3 bara ~3.4 bara。
进一步的，所述第一开度差阈值的取值范围为15%~30%，所述第二开度差阈值的取值范围为4%~8%。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：在燃料电池氢气系统原有的设备下（不增加任何检测设备），通过简单的计算阳极压力并进行阈值判断，即可诊断出安全阀是否发生故障，简单快速，能够及时发现安全阀故障，从而避免了燃料电池氢气系统或电堆置于可能发生的风险之中，提高燃料电池系统运行可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池氢气系统的结构示意图。
图2为本发明一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法步骤流程图。
图3为本发明实施例中安全阀在诊断过程中比例阀开度和阳极压力的变化示意图。
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。
本实施例公开一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法，其运行于图1所示的燃料电池氢气系统上，所述燃料电池氢气系统包括电堆1、供氢单元2、比例阀3、引射器4、气水分离器5、排水排气阀6、安全阀7和压力传感器8，所述电堆1包括氢气入口和氢气出口，所述供氢单元2、比例阀3、引射器4和电堆1的氢气入口依次连接，电堆1的氢气出口、气水分离器5和排水排气阀6依次连接，气水分离器5连接引射器4。
如图1所示，供氢单元2通过供氢管路9连接比例阀3，比例阀3通过引射器入口管路10连接引射器4，引射器4通过电堆入口管路11连接电堆1的氢气入口，电堆的氢气出口通过电堆出口管路12连接气水分离器5，气水分离器5通过回流管路13连接引射器4；排水排气阀6连接排水排气管路14，排水排气阀6通过排水排气管路14将气水分离器5内的气体和水排至外界；安全阀7连接电堆入口管路11，安全阀7通过卸压管路15与外界连接，安全阀7被打开后，电堆入口管路11内的气体通过卸压管路15排至外界。
压力传感器8连接电堆1的氢气入口或者内置于电堆1的氢气入口，用于检测电堆1的阳极压力。
设置安全阀7的开启压力为P3，安全阀7的关闭压力为P2，即电堆1氢气入口压力（电堆1氢气入口压力等同于电堆1阳极压力）达到开启压力P3时，就需要开启安全阀7，对燃料电池氢气系统进行卸压，当燃料电池氢气系统卸压到关闭压力为P2时，就需要关闭安全阀7。将电堆1的耐受压力为P5，由于每个电堆1的规格不一样，因此耐受压力为P5也会不一样，而耐受压力为P5是必须大于安全阀7的开启压力为P3，P5>P3>P2。
燃料电池氢气系统运行时，通过控制比例阀3的开度调节进入电堆1的氢气流量，以达到控制电堆1阳极压力（电堆1氢气入口压力等同于电堆1阳极压力）的目的，由压力传感器8测得电堆1阳极实际压力。在安全阀7正常的情况下，一旦阳极压力超过安全阀7的开启压力P3后，安全阀7打开，部分氢气通过卸压管路15排出，从而防止阳极压力超过或快速超过电堆1的最大压力耐受值P5，给系统留出充分的响应时间，以采取保护动作，达到保护电堆1的目的；当阳极压力低于关闭压力P2时，安全阀7关闭，不再排放氢气。
如图2和图3所示，本实施例的一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法，包括以下步骤：
燃料电池氢气系统在正常运行过程中，控制比例阀3的开度使得电堆1氢气入口压力（电堆1氢气入口压力等同于电堆1阳极压力）达到目标压力P1，保持电堆1的电流恒定，纪录此时比例阀3的初始开度L1；
将电堆1氢气入口压力设置目标压力P4，即目标压力P4大于安全阀7开启压力P3且小于电堆1的耐受压力P5；
调整比例阀3开度，使电堆1氢气入口压力达到目标压力P4，记录此时比例阀3的开度L2，并计算开度差△L21=L2-L1；判断开度差△L21是否大于第一开度差阈值，若开度差△L21小于等于第一开度差阈值，则说明安全阀7未能正常开启，安全阀7没有排放氢气或排放量过低，如图3情况（c），安全阀7诊断为开启故障，恢复初始压力P1（初始压力P1即为目标压力P1），结束诊断过程；
若开度差△L21大于第一开度差阈值，则说明安全阀已正常开启并排放氢气，继续诊断过程，控制比例阀3的开度使得电堆1氢气入口压力重新达到目标压力P1，记录此时比例阀3的开度L3，并计算开度差△L31=L3-L1；判断开度差△L31是否大于等于第二开度差阈值，若开度差△L31大于等于第二开度差阈值，则说明安全阀未能正常关闭，安全阀7还在继续排放氢气，如图3情况（b），诊断为安全阀7关闭故障，结束诊断过程；若开度差△L31小于第二开度差阈值，则说明安全阀已正常关闭，不再排放氢气，因此安全阀7的开启和关闭均正常，如图3情况（a），诊断为安全阀7正常，结束诊断过程。
上述中，P5>P4>P3>P2>P1；当电堆1耐受压力P5为3.5bara~4.0bara时，优选的，目标压力P1的取值范围为：1.2bara~2.6bara，关闭压力P2的取值范围为：2.8bara~2.9bara，安全阀7的开启压力P3的取值范围为：3bara~3.2bara，目标压力P4的取值范围为：3.3bara~3.4 bara；第一开度差阈值的取值范围为：15%~30%，第二开度差阈值的取值范围为4%~8%。
本实施例在燃料电池氢气系统原有的设备下（不增加任何检测设备），通过简单的计算阳极压力并进行阈值判断，即可诊断出安全阀7是否发生故障，简单快速，能够及时发现安全阀故障，从而避免了燃料电池氢气系统或电堆1置于可能发生的风险之中，提高燃料电池系统运行可靠性和安全性。
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 (3)
1.一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法，其运行于燃料电池氢气系统上，所述燃料电池氢气系统包括电堆、供氢单元、比例阀、引射器、气水分离器、排水排气阀、安全阀和压力传感器，所述电堆包括氢气入口和氢气出口，所述供氢单元、比例阀、引射器和电堆的氢气入口依次连接，电堆的氢气出口、气水分离器和排水排气阀依次连接，气水分离器连接引射器，压力传感器连接电堆的氢气入口或者内置于电堆的氢气入口，引射器通过电堆入口管路连接电堆的氢气入口，安全阀连接电堆入口管路，安全阀通过卸压管路与外界连接；其特征在于，包括以下步骤：
燃料电池氢气系统运行过程中，控制比例阀的开度使得电堆氢气入口压力达到目标压力P1，保持电堆的电流恒定，纪录此时比例阀的初始开度L1；
将电堆氢气入口压力设置目标压力P4，其中，目标压力P4大于安全阀开启压力P3且小于电堆的耐受压力P5；
调整比例阀开度，使电堆氢气入口压力达到目标压力P4，记录此时比例阀的开度L2，并计算开度差△L21=L2-L1；
判断开度差△L21是否大于第一开度差阈值，若开度差△L21小于等于第一开度差阈值，则诊断安全阀为开启故障，结束诊断过程；若开度差△L21大于第一开度差阈值，则控制比例阀的开度使得电堆氢气入口压力重新达到目标压力P1，记录此时比例阀的开度L3，并计算开度差△L31=L3-L1；
判断开度差△L31是否大于等于第二开度差阈值，若开度差△L31大于等于第二开度差阈值，则诊断安全阀为关闭故障，结束诊断过程；若开度差△L31小于第二开度差阈值，则诊断安全阀为正常，结束诊断过程；
上述中，P5>P4>P3>P2>P1。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法，其特征在于，所述耐受压力P5的取值范围为3.5 bara ~4.0bara，目标压力P1的取值范围为1.2 bara ~2.6bara，关闭压力P2的取值范围为2.8 bara ~2.9bara，安全阀的开启压力P3的取值范围为3bara ~3.2bara，目标压力P4的取值范围为3.3 bara ~3.4 bara。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气系统的安全阀故障诊断方法，其特征在于，所述第一开度差阈值的取值范围为15%~30%，所述第二开度差阈值的取值范围为4%~8%。
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