CN116799258B - 一种燃料电池电堆结冰位置静态及动态检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆结冰位置静态及动态检测方法，方法包括如下步骤：将低温的检测气体通入电堆，获取单元气体流道检测区的传感器的压力数值，将压力数值定义为基准值；对燃料电池进行启机及关机，将低温的检测气体通入电堆，获取单元气体流道检测区的传感器的检测压力值，若检测压力值低于基准值，确定气体流道内存在结冰现象。本技术方案通过传感器获取流道内检测气体对流道内壁及端板的压力，再通过比对同一处单元气体流道检测区的检测压力值与基准值，从而可确定靠近燃料电池端板的双极板的单元气体流道检测区的对应的气体流道内是否存在结冰现象，实现无损伤检测燃料电池内的结冰堵塞。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆结冰位置静态及动态检测方法。
背景技术
氢燃料电池发动机在停机之后会进行吹扫，吹扫可减少内部残留水，确保在冷启动时为气体留出更多反应通道，以免避免电池在零下环境时内部水相变体积膨胀造成的损坏。
目前，现有的燃料电池电堆当运行温度下降时，燃料电池的流道可能因流道内生成的水未被吹扫干净，水结冰而造成流道堵塞。由于扫描电子显微镜和光方法只能检测电池表面结构，燃料电池内结冰位置不容易观察，并且由于燃料电池电堆由多层双极板层叠压装，目前的检测手段不能无损伤检测燃料电池内靠近电池端板两侧的双极板的结冰位置。
发明内容
本发明的目的是提出一种燃料电池电堆结冰位置静态及动态检测方法，旨在解决现有的检测手段不能无损伤检测燃料电池内靠近电池端板两侧的双极板的结冰位置的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种燃料电池电堆结冰位置静态检测方法，包括如下步骤：
S1：在电堆的端板设置有若干个单元气体流道检测区，且所述单元气体流道检测区均设有传感器；
S2：在燃料电池启机前，吹扫电堆的气体流道；
S3：在低温环境下，将低温的检测气体通入电堆，获取所述单元气体流道检测区的传感器的压力数值，将所述压力数值定义为基准值；
S4：对燃料电池进行启机及关机，待电堆冷却后，在低温环境下将低温的检测气体通入电堆，获取所述单元气体流道检测区的传感器的检测压力值；
S5：比对同一处所述单元气体流道检测区的所述检测压力值与所述基准值，若所述检测压力值低于所述基准值，确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象；
其中，低温环境为0℃及0℃以下的环境，低温的检测气体与低温环境温度相同。
作为本发明的进一步改进：还包括如下步骤：
在步骤S3中，多次通入不同压力的检测气体，获取不同压力的检测气体所对应的基准值；
在步骤S5中，比对同一处所述单元气体流道检测区，并且压力相同的检测气体所对应的所述检测压力值与所述基准值，若所述检测压力值低于所述基准值，确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象。
作为本发明的进一步改进：所述检测气体为氮气。
作为本发明的进一步改进：在步骤S5中，若同一处所述单元气体流道检测区的所述检测压力值低于所述基准值的预设范围，则确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰且完全堵塞气体流道。
作为本发明的进一步改进：还包括如下步骤：
S6：拆卸电堆的端板，根据气体流道是否结冰、是否完全堵塞判断传感器检测结果的正确性；
S7：根据多次判断结果不断调整所述基准值的预设范围，逐步缩小获得基准值的预设范围的临界值。
作为本发明的进一步改进：所述传感器为柔性传感器，且所述单元气体流道检测区沿双极板的气体流道路径方向呈矩阵式或带式分布于端板的板面上。
本发明还提出一种燃料电池电堆结冰位置动态检测方法，包括如下步骤：
A：在电堆的端板设置有若干个单元气体流道检测区，且所述单元气体流道检测区均设有传感器；
B：在燃料电池启机前，吹扫电堆的气体流道；
C：在低温环境下，将低温的工作气体通入电堆，获取所述单元气体流道检测区的传感器的压力数值，将所述压力数值定义为动态工作压力基准值；
D：在低温环境下，将低温的工作气体通入电堆，对燃料电池进行启机，获取所述单元气体流道检测区的传感器的检测压力值；
E：比对同一处所述单元气体流道检测区的所述检测压力值与所述动态工作压力基准值，若所述检测压力值超出所述动态工作压力基准值的预设范围，确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象。
作为本发明的进一步改进：在步骤C中，所述工作气体包括氧气与氢气，所述氧气通入电堆的阴极气体流道，所述氢气通入电堆的阳极气体流道。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本技术方案的燃料电池电堆结冰位置静态检测方法在电堆端板的单元气体流道检测区设置传感器，通过传感器获取流道内检测气体对流道内壁及端板的压力，再通过比对同一处单元气体流道检测区的检测压力值与基准值，从而可确定靠近燃料电池端板的双极板的单元气体流道检测区的对应的气体流道内是否存在结冰现象，实现无损伤检测燃料电池内的结冰堵塞；
此外，本技术方案的燃料电池电堆结冰位置动态检测方法在燃料电池启机的过程中，通过比对同一处单元气体流道检测区的检测压力值与动态工作压力基准值，从而可实时监测运行中靠近燃料电池端板的双极板是否出现结冰现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本申请的传感器在电堆的端板板面上分布示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1，本技术方案的燃料电池电堆结冰位置静态检测方法，包括如下步骤：
S1：在电堆的端板设置有若干个单元气体流道检测区，且所述单元气体流道检测区均设有传感器；
S2：在燃料电池启机前，吹扫电堆的气体流道；
S3：在低温环境下，将低温的检测气体通入电堆，获取所述单元气体流道检测区的传感器的压力数值，将所述压力数值定义为基准值；
S4：对燃料电池进行启机及关机，待电堆冷却后，在低温环境下将低温的检测气体通入电堆，获取所述单元气体流道检测区的传感器的检测压力值；
S5：比对同一处所述单元气体流道检测区的所述检测压力值与所述基准值，若所述检测压力值低于所述基准值，确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象；
其中，低温环境为0℃及0℃以下的环境，低温的检测气体与低温环境温度相同。
具体而言，所述检测气体为氮气。在步骤S3中，检测气体通入电堆，由于气体流经电堆的双极板的流道，气体压力作用到流道内壁上，双极板会发生轻微的膨胀，该膨胀的形变被传感器捕获到。由于在通入检测气体前，已经对电堆的气体流道进行吹扫，气体流道内不存在水分，因此该步骤中低温的检测气体并不会使气体流道内形成结冰，该步骤获取的压力数值可以作为判断基准。在步骤S4中，由于燃料电池进行启机及关机，模拟了燃料电池的工作运行，因此在电堆冷却后气体流道内可能残留水分，此时在低温环境下将低温的检测气体通入电堆，燃料电池的气体流道内可能残留的水分遇冷而结冰，继而造成流道堵塞，该位置的流道膨胀后对双极板产生形变力，此处的单元气体流道检测区的传感器可再次捕获到该实时形变力。由于该实时形变力与步骤S3传感器检测的压力值必然不同，传感器获取该实时检测压力值，经过比对实时检测压力值与基准值，若实时检测压力值低于基准值，则确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象。
值得注意的是，由于电堆由多层双极板层叠形成，而本实施例的传感器设置在电堆两侧的端板表面，因此传感器仅能检测靠近端板的双极板的结冰情况，而靠近电堆中心内部的双极板的结冰情况则难以准确检测。但由于同一电堆内各双极板的结构具有一致性，若靠近端板的双极板的某一区域检测存在结冰现象，则其他的双极板在相同或相近区域的位置也可能发生了结冰现象。
可以理解的是，本实施例使用单片机采集传感器信号，通过can信号传输到上位机（PC端等数据存储设备），其连接关系同一般传感器方式，通过上位机进行显示和存储，便于用户观测压力变化。
本技术方案的燃料电池电堆结冰位置静态检测方法在电堆端板的单元气体流道检测区设置传感器，通过传感器获取流道内检测气体对流道内壁及端板的压力，再通过比对同一处单元气体流道检测区的检测压力值与基准值，从而可确定靠近燃料电池端板的双极板的单元气体流道检测区的对应的气体流道内是否存在结冰现象，实现无损伤检测燃料电池内的结冰堵塞。
进一步地，在某一实施例中，在步骤S3中，多次通入不同压力的检测气体，获取不同压力的检测气体所对应的基准值；
在步骤S5中，比对同一处所述单元气体流道检测区，并且压力相同的检测气体所对应的所述检测压力值与所述基准值，若所述检测压力值低于所述基准值，确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象。
具体而言，在步骤S3中多次通入不同压力的检测气体（例如2.0Mpa、3.0Mpa），可形成多组不同压力的检测气体所对应的基准值（例如第一组为2.0Mpa-0.7Mpa；第二组为3.0Mpa-0.9Mpa），记录该多组基准值；当步骤S4需要通入不同压力的检测气体，可将压力相同的检测气体所对应的所述检测压力值与所述基准值进行比较，以此简化检测步骤，提高检测效率。
进一步地，在某一实施例中，在步骤S5中，若同一处所述单元气体流道检测区的所述检测压力值低于所述基准值的预设范围，则确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰且完全堵塞气体流道。
具体而言，本实施例在低温环境下将低温的检测气体通入电堆的气体流道，若流道内某一处发生结冰导致该处部分堵塞，该处的检测气体对流道内壁上的作用力在结冰位置后出现陡降，而矩阵式分布的传感器在实时检测压力的过程中，当流道内某一处发生结冰导致该处部分堵塞，在该位置靠近进气口一侧的气体流道上，越靠近气体流道部分堵塞的位置对应的实时压力比基准值大；而部分堵塞的位置的传感器检测到的压力表现为降低，在部分堵塞位置靠近出气口一侧的气体流道对应的压力则逐渐恢复基准值，因此，某一处的传感器检测到的压力数值降低，即可表示该处的流道发生了堵塞；
当流道内某一处发生结冰导致该处完全堵塞，在该位置靠近进气口一侧的气体流道上，越靠近气体流道完全堵塞的位置对应的实时压力比基准值大；在完全堵塞位置靠近出气口一侧的气体流道对应的实时压力则比基准值小并且保持不变。因此，当检测压力值低于基准值的预设范围（例如基准值的90%），则确定为完全堵塞。可以理解的是，基准值的预设范围还可以是80%或70%，该预设范围数值可通过人为输入，预设范围作为判断完全堵塞或不完全堵塞的临界数值，可通过下述步骤获得。
进一步地，在某一实施例中，燃料电池电堆结冰位置检测方法还包括如下步骤：
S6：拆卸电堆的端板，根据气体流道是否结冰、是否完全堵塞判断传感器检测结果的正确性；
S7：根据多次判断结果不断调整所述基准值的预设范围，逐步缩小获得基准值的预设范围的临界值。
本实施例通过目测端板内是否结冰、是否完全堵塞的实际情况来验证检测结果的正确性，并且通过多次检测，不断调整基准值的预设范围，从而逐步逼近获得基准值的预设范围的临界值，提高结冰检测的准确度。
进一步地，在某一实施例中，所述传感器为柔性传感器，所述单元气体流道检测区沿双极板的气体流道路径方向呈矩阵式分布于端板的板面上，当某一处单元气体流道检测区的压力数值异常，可以确定该处的气体流道发生结冰堵塞。
本技术方案还提供一种燃料电池电堆结冰位置动态检测方法，在某一实施例中，动态检测方法包括如下步骤：
A：在电堆的端板设置有若干个单元气体流道检测区，且所述单元气体流道检测区均设有传感器；
B：在燃料电池启机前，吹扫电堆的气体流道；
C：在低温环境下，将低温的工作气体通入电堆，获取所述单元气体流道检测区的传感器的压力数值，将所述压力数值定义为动态工作压力基准值；
D：在低温环境下，将低温的工作气体通入电堆，对燃料电池进行启机，获取所述单元气体流道检测区的传感器的检测压力值；
E：比对同一处所述单元气体流道检测区的所述检测压力值与所述动态工作压力基准值，若所述检测压力值超出所述动态工作压力基准值的预设范围，确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象。
具体而言，动态检测方法的检测原理与静态检测方法的原理相同，但动态检测方法中燃料电池的工况环境不同，静态检测方法中的燃料电池处于停机状态，而动态检测方法中的燃料电池处于启机过程中，在该动态检测方法中，可实时监测运行中靠近燃料电池端板的双极板是否出现结冰现象。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种燃料电池电堆结冰位置静态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在电堆的端板设置有若干个单元气体流道检测区，且所述单元气体流道检测区均设有传感器；
S2：在燃料电池启机前，吹扫电堆的气体流道；
S3：在低温环境下，将低温的检测气体通入电堆，获取所述单元气体流道检测区的传感器的压力数值，将所述压力数值定义为基准值；
S4：对燃料电池进行启机及关机，待电堆冷却后，在低温环境下将低温的检测气体通入电堆，获取所述单元气体流道检测区的传感器的检测压力值；所述检测气体为氮气；
S5：比对同一处所述单元气体流道检测区的所述检测压力值与所述基准值，若所述检测压力值低于所述基准值，确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象；
其中，低温环境为0℃以下的环境，低温的检测气体与低温环境温度相同。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆结冰位置静态检测方法，其特征在于，在步骤S3中，多次通入不同压力的检测气体，获取不同压力的检测气体所对应的基准值；
在步骤S5中，比对同一处所述单元气体流道检测区且压力相同的检测气体所对应的所述检测压力值与所述基准值，若所述检测压力值低于所述基准值，确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆结冰位置静态检测方法，其特征在于，在步骤S5中，若同一处所述单元气体流道检测区的所述检测压力值低于所述基准值的预设范围，则确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰且完全堵塞气体流道。
4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆结冰位置静态检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S6：拆卸电堆的端板，根据气体流道是否结冰、是否完全堵塞判断传感器检测结果的正确性；
S7：根据多次判断结果不断调整所述基准值的预设范围，逐步缩小获得基准值的预设范围的临界值。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆结冰位置静态检测方法，其特征在于，所述传感器为柔性传感器，所述单元气体流道检测区沿双极板的气体流道路径方向呈矩阵式分布于端板的板面上。
6.一种燃料电池电堆结冰位置动态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
A：在电堆的端板设置有若干个单元气体流道检测区，且所述单元气体流道检测区均设有传感器；
B：在燃料电池启机前，吹扫电堆的气体流道；
C：在低温环境下，将低温的工作气体通入电堆，获取所述单元气体流道检测区的传感器的压力数值，将所述压力数值定义为动态工作压力基准值；
D：在低温环境下，将低温的工作气体通入电堆，对燃料电池进行启机，获取所述单元气体流道检测区的传感器的检测压力值；
E：比对同一处所述单元气体流道检测区的所述检测压力值与所述动态工作压力基准值，若所述检测压力值超出所述动态工作压力基准值的预设范围，确定该处所述单元气体流道检测区对应的气体流道内存在结冰现象；
所述低温环境为0℃以下的环境。
7.根据权利要求6所述的燃料电池电堆结冰位置动态检测方法，其特征在于，在步骤C中，所述工作气体包括氧气与氢气，所述氧气通入电堆的阴极气体流道，所述氢气通入电堆的阳极气体流道。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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