CN117219819A - 一种燃料电池空气背压阀故障监控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种燃料电池空气背压阀故障监控方法及系统，包括选择标准空气背压阀部件，按照标准工况，采集燃料电池系统电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力；通过电堆空气入口流量结合电堆内部的化学反应所产生的电流得到电堆空气出口流量；通过电堆空气出口温度、电堆空气出口压力和电堆空气出口流量，构建空气背压阀有效过流面积计算模型，通过空气背压阀有效过流面积计算模型得到空气背压阀关于电堆空气入口压力和电堆空气入口流量与空气背压阀有效过流面积的标准点图表，关闭燃料电池系统；检测待检测的燃料电池系统。本发明可有效的解决现有技术中空气背压阀出现缺陷后，无法及时诊断判断故障的问题。

Description

一种燃料电池空气背压阀故障监控方法及系统

技术领域

本发明属于空气背压阀故障识别技术领域，具体公开了一种燃料电池空气背压阀故障监控方法及系统。

背景介绍

燃料电池是将燃料的化学能直接转换成电能的装置，具有效率高、无污染、重量轻等优点，燃料电池系统包括电堆、空气系统、氢气系统、水/热管理系统以及相应的控制系统，其中，空气系统主要由空气滤清器、空气流量计、空气压缩机、中冷器、空气背压阀组成，空气系统的主要作用是为电堆提供合适流量、温度、压力的洁净空气，保证合适流量、温度、压力的洁净空气供给，可使燃料电池系统运行更加稳定，达到高效输出，低能耗的目的。但如何保证空气系统可以稳定的为电堆提供合适流量、温度、压力的洁净空气，这就需要控制系统对空气系统各组成部件实时在线精确控制，并实时对各部件进行状态、故障状态进行诊断与监控，防止因部件缺陷、老化、故障等导致空气系统部件不受控或超出预期控制目标，出现供给的空气不满足流量、温度、压力要求。与传统工业用背压阀不同，燃料电池系统中空气系统的空气背压阀采用电子节气门实现，空气背压阀作为空气系统重要的组成成员，主要作用为根据电堆内部的压力需求，与空气压缩机配合，为电堆提供适当压力的空气。

不同燃料电池系统运行的各工况点需求的目标空气背压阀开度可通过测试标定给出，并预设到控制软件中，此即为预控部分，且该部分内容在系统产品定型后不可更改，在燃料电池系统运行时，PI控制器对空气背压阀偏差进行微调，以达到电堆内部压力的要求。当空气背压阀出现缺陷后，会导致控制系统计算失真或者失控，致使空气进入电堆的压力出现与目标值偏差过大或大幅波动问题，严重影响燃料电池系统性能，严重者甚至导致燃料电池系统损坏。因此需要在空气背压阀出现故障时，能够及时判断出故障，并诊断报错，以达到及时更换维修空气背压阀故障件，避免因空气背压阀故障导致燃料电池系统损坏、性能衰减等问题。但现有技术中诊断空气背压阀出现故障的方法较为复杂且时效性差。针对上述存在的问题，研究设计一种新型的燃料电池空气背压阀故障监控方法及系统，克服现有空气背压阀出现故障诊断方法中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

本发明为解决现有空气背压阀出现故障诊断方法中诊断空气背压阀出现故障的方法功能实现复杂且时效性差的问题提出了一种燃料电池空气背压阀故障监控方法。

本发明提供了一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，包括如下步骤：

S1.选择标准空气背压阀部件，按照标准工况，开启燃料电池系统，燃料电池系统运行一段时间后，通过空气流量计采集燃料电池系统电堆空气入口流量，通过电堆空气入口压力传感器采集电堆空气入口压力，通过电堆空气出口温度传感器采集电堆空气出口温度，通过电堆空气出口压力传感器采集电堆空气出口压力；

S2.通过步骤S1中得到的电堆空气入口流量结合电堆内部的化学反应所产生的电流计算电堆空气出口流量；

S3.通过步骤S1得到的电堆空气出口温度和电堆空气出口压力以及步骤S2得到的电堆空气出口流量，构建空气背压阀有效过流面积计算模型，通过所述空气背压阀有效过流面积计算模型得到空气背压阀关于电堆空气入口压力和电堆空气入口流量与空气背压阀有效过流面积的标准点图表，关闭燃料电池系统；

S4.开启待检测的燃料电池系统，采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力，通过所述空气背压阀有效过流面积计算模型计算待检测空气背压阀的有效过流面积，将计算出的待检测空气背压阀的有效过流面积与所述标准点图表的对应点进行比较，若当偏差超过设定值时，激活消抖计数器，当所述消抖计数器计数大于设定阀值，则判定空气背压阀故障。

根据本发明一些实施例的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，所述步骤S1中，燃料电池系统启动后，当燃料电池系统冷却水温度≥45℃，并且燃料电池系统正常运行时间超过10分钟后，开始采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力。

根据本发明一些实施例的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，所述步骤S2中，燃料电池系统运行后，空气进入电堆，空气中的氧气被消耗与氢气在催化剂的作用下发生化学反应，释放出电能并生成产物水，其中35％的水通过膜电极反渗透至氢气路，剩余65％的水随空气沿着电堆空气出口经过空气背压阀排出，电堆空气出口流量的计算如公式(1)所示：

其中，m_Tail为电堆空气出口流量，m_In为电堆空气入口流量，为参与化学反应被消耗掉的氧气流量，/>为化学反应生成的产物水的流量；

参与化学反应被消耗掉的氧气流量根据燃料电池系统输出电流得到，如公式(2)所示：

其中，A_act为燃料电池系统输出电流，为氧气的摩尔质量，F为法拉第常数，为964859C/mol；

化学反应生成的产物水的流量为参与化学反应被消耗掉的氧气流量的2倍，如公式(3)所示：

得到电堆空气出口流量的等效公式，如公式(4)所示：

其中，m_Tail为电堆空气出口流量，m_In为电堆空气入口流量，A_act为燃料电池系统输出电流，为氧气的摩尔质量，F为法拉第常数，为964859C/mol。

根据本发明一些实施例的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，所述步骤S3中，所述空气背压阀有效过流面积计算模型如公式(5)所示：

其中，A_eff为空气背压阀有效过流面积，m_Tail为电堆空气出口流量，k为空气的绝热指数，为1.4，R为空气的气体常数，为287(J/(kg*k))，T₁为电堆空气出口温度，P₁为电堆空气出口压力，为压比系数，由空气背压阀前后的压比决定，当大气压力与电堆空气出口压力的压比小于0.53时，/>为0.2588，当大气压力与电堆空气出口压力的压比大于0.53时，/>由公式(6)计算：

其中，P₁为电堆空气出口压力，P₂为大气压力。

根据本发明一些实施例的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，所述步骤S3中，通过所述空气背压阀有效过流面积计算模型计算在不同电堆空气入口压力和不同电堆空气入口流量下的空气背压阀有效过流面积，并将计算结果填入图表中，使用多个标准件空气背压阀进行测试和计算，在多个图表中取平均值，得到所述标准点图表。

根据本发明一些实施例的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，所述步骤S4中，待检测的燃料电池系统启动后，当待检测的燃料电池系统冷却水温度≥45℃，并且正常运行时间超过10分钟后，开始采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力。

根据本发明一些实施例的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，所述步骤S4中，当待检测空气背压阀的有效过流面积与所述标准点图表的对应点的偏差超过±15％时，激活所述消抖计数器。

根据本发明一些实施例的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，所述步骤S4中，当所述消抖计数器计数大于5时，判定空气背压阀故障。

本发明还提供了一种燃料电池空气背压阀故障监控系统，包括

空气流量计，用于采集燃料电池系统电堆空气入口流量；

电堆空气入口压力传感器，用于采集电堆空气入口压力；

电堆空气出口温度传感器，用于采集电堆空气出口温度；

电堆空气出口压力传感器，用于采集电堆空气出口压力；

控制模块，用于控制所述空气流量计、电堆空气入口压力传感器、电堆空气出口温度传感器和电堆空气出口压力传感器的开启与关闭；

空气背压阀有效过流面积计算模块，包括

模型构建模块，用于通过电堆空气入口流量、电堆内部的化学反应所产生的电流、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力构建空气背压阀有效过流面积计算模型；

空气背压阀有效过流面积计算模型，用于计算空气背压阀的有效过流面积；

标准点图表模块，包括

图标构建模块，用于根据空气背压阀有效过流面积计算模型的计算结果构建标准点图表；

标准点图表，用于储存并显示标准点；

数据对比模块，用于比较计算出的待检测空气背压阀的有效过流面积与所述标准点图表的对应点；

监控及报错模块，用于根据所述数据对比模块得到的偏差激活消抖计数器，当所述消抖计数器计数大于设定阀值，判定空气背压阀故障。

本发明提出的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法及系统，可有效的解决现有技术中燃料电池系统中空气背压阀出现缺陷后，控制系统无法及时诊断判断故障的问题，本发明的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，通过热力学、物理和化学规律来设计模型，仅需采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力，结合电堆空气产生的电流即可得到空气背压阀有效过流面积计算模型，模型设计简单，好理解，可节省大量运算工作使系统运行效率更高，同时可以节省大量台架测试与标定工作，仅需测试少量标准件即可获得空气背压阀有效过流面积计算模型和空气背压阀的标准点图表，可节省大量开发和验证的时间，此外本发明的燃料电池空气背压阀故障监控系统功能实现简单、有效。

附图说明

图1为本发明一种燃料电池空气背压阀故障监控方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1.选择标准空气背压阀部件，按照标准工况，开启燃料电池系统，燃料电池系统运行一段时间后，通过空气流量计采集燃料电池系统电堆空气入口流量，通过电堆空气入口压力传感器采集电堆空气入口压力，通过电堆空气出口温度传感器采集电堆空气出口温度，通过电堆空气出口压力传感器采集电堆空气出口压力；

燃料电池系统启动后，当燃料电池系统冷却水温度≥45℃，并且燃料电池系统正常运行时间超过10分钟后，开始采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力；

S2.通过步骤S1中得到的电堆空气入口流量结合电堆内部的化学反应所产生的电流计算电堆空气出口流量；

燃料电池系统运行后，空气进入电堆，空气中的氧气被消耗与氢气在催化剂的作用下发生化学反应，释放出电能并生成产物水，其中35％的水通过膜电极反渗透至氢气路，剩余65％的水随空气沿着电堆空气出口经过空气背压阀排出，电堆空气出口流量的计算如公式(1)所示：

其中，m_Tail为电堆空气出口流量，m_In为电堆空气入口流量，为参与化学反应被消耗掉的氧气流量，/>为化学反应生成的产物水的流量；

参与化学反应被消耗掉的氧气流量根据燃料电池系统输出电流得到，如公式(2)所示：

其中，A_act为燃料电池系统输出电流，为氧气的摩尔质量，F为法拉第常数，为964859C/mol；

化学反应生成的产物水的流量为参与化学反应被消耗掉的氧气流量的2倍，如公式(3)所示：

得到电堆空气出口流量的等效公式，如公式(4)所示：

其中，m_Tail为电堆空气出口流量，m_In为电堆空气入口流量，A_act为燃料电池系统输出电流，为氧气的摩尔质量，F为法拉第常数，为964859C/mol；

S3.通过步骤S1得到的电堆空气出口温度和电堆空气出口压力以及步骤S2得到的电堆空气出口流量，构建空气背压阀有效过流面积计算模型，通过空气背压阀有效过流面积计算模型得到空气背压阀关于电堆空气入口压力和电堆空气入口流量与空气背压阀有效过流面积的标准点图表，关闭燃料电池系统；

空气背压阀的流量的计算方法如公式(5)所示：

其中，A_eff为空气背压阀有效过流面积，m_Tail为电堆空气出口流量，k为空气的绝热指数，为1.4，R为空气的气体常数，为287(J/(kg*k))，T₁为电堆空气出口温度，P₁为电堆空气出口压力，为压比系数，

所以空气背压阀有效过流面积计算模型如公式(6)所示：

其中，A_eff为空气背压阀有效过流面积，m_Tail为电堆空气出口流量，k为空气的绝热指数，为1.4，R为空气的气体常数，为287(J/(kg*k))，T₁为电堆空气出口温度，P₁为电堆空气出口压力，为压比系数，由空气背压阀前后的压比决定，当大气压力与电堆空气出口压力的压比小于0.53时，/>为0.2588，当大气压力与电堆空气出口压力的压比大于0.53时，/>由公式(7)计算：

其中，P₁为电堆空气出口压力，P₂为大气压力；

燃料电池出口空气流经空气背压阀，并结合燃料电池空气路的设计，电堆空气出口与空气背压阀之间为等压等热等流传质，因此得到电堆空气出口流量为空气背压阀入口流量，电堆空气出口温度为空气背压阀入口温度，电堆空气出口压力为空气背压阀入口压力，所以通过公式(6)得到的为空气背压阀有效过流面积计算模型；

通过空气背压阀有效过流面积计算模型计算在不同电堆空气入口压力和不同电堆空气入口流量下的空气背压阀有效过流面积，并将计算结果填入图表中，使用多个标准件空气背压阀进行测试和计算，在多个图表中取平均值，得到标准点图表；

本实施例得到的标准点图表如表1所示：

表1标准点图表

S4.开启待检测的燃料电池系统，采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力，通过空气背压阀有效过流面积计算模型计算待检测空气背压阀的有效过流面积，将计算出的待检测空气背压阀的有效过流面积与标准点图表的对应点进行比较，若当偏差超过设定值时，激活消抖计数器，当消抖计数器计数大于设定阀值，则判定空气背压阀故障；

待检测的燃料电池系统启动后，当待检测的燃料电池系统冷却水温度≥45℃，并且正常运行时间超过10分钟后，开始采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力；

当待检测空气背压阀的有效过流面积与标准点图表的对应点的偏差超过±15％时，激活消抖计数器；当消抖计数器计数大于5时，判定空气背压阀故障。

本实施例还提供了一种燃料电池空气背压阀故障监控系统，包括

空气流量计，用于采集燃料电池系统电堆空气入口流量；

电堆空气入口压力传感器，用于采集电堆空气入口压力；

电堆空气出口温度传感器，用于采集电堆空气出口温度；

电堆空气出口压力传感器，用于采集电堆空气出口压力；

控制模块，用于控制空气流量计、电堆空气入口压力传感器、电堆空气出口温度传感器和电堆空气出口压力传感器的开启与关闭；

空气背压阀有效过流面积计算模块，包括

模型构建模块，用于通过电堆空气入口流量、电堆内部的化学反应所产生的电流、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力构建空气背压阀有效过流面积计算模型；

空气背压阀有效过流面积计算模型，用于计算空气背压阀的有效过流面积；

标准点图表模块，包括

图标构建模块，用于根据空气背压阀有效过流面积计算模型的计算结果构建标准点图表；

标准点图表，用于储存并显示标准点；

数据对比模块，用于比较计算出的待检测空气背压阀的有效过流面积与标准点图表的对应点；

监控及报错模块，用于根据数据对比模块得到的偏差激活消抖计数器，当消抖计数器计数大于设定阀值，判定空气背压阀故障。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.选择标准空气背压阀部件，按照标准工况，开启燃料电池系统，燃料电池系统运行一段时间后，通过空气流量计采集燃料电池系统电堆空气入口流量，通过电堆空气入口压力传感器采集电堆空气入口压力，通过电堆空气出口温度传感器采集电堆空气出口温度，通过电堆空气出口压力传感器采集电堆空气出口压力；

S2.通过步骤S1中得到的电堆空气入口流量结合电堆内部的化学反应所产生的电流计算电堆空气出口流量；

S3.通过步骤S1得到的电堆空气出口温度和电堆空气出口压力以及步骤S2得到的电堆空气出口流量，构建空气背压阀有效过流面积计算模型，通过所述空气背压阀有效过流面积计算模型得到空气背压阀关于电堆空气入口压力和电堆空气入口流量与空气背压阀有效过流面积的标准点图表，关闭燃料电池系统；

S4.开启待检测的燃料电池系统，采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力，通过所述空气背压阀有效过流面积计算模型计算待检测空气背压阀的有效过流面积，将计算出的待检测空气背压阀的有效过流面积与所述标准点图表的对应点进行比较，若当偏差超过设定值时，激活消抖计数器，当所述消抖计数器计数大于设定阀值，则判定空气背压阀故障。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，其特征在于，所述步骤S1中，燃料电池系统启动后，当燃料电池系统冷却水温度≥45℃，并且燃料电池系统正常运行时间超过10分钟后，开始采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，其特征在于，所述步骤S2中，燃料电池系统运行后，空气进入电堆，空气中的氧气被消耗与氢气在催化剂的作用下发生化学反应，释放出电能并生成产物水，其中35％的水通过膜电极反渗透至氢气路，剩余65％的水随空气沿着电堆空气出口经过空气背压阀排出，电堆空气出口流量的计算如公式(1)所示：

其中，m_Tail为电堆空气出口流量，m_In为电堆空气入口流量，为参与化学反应被消耗掉的氧气流量，/>为化学反应生成的产物水的流量；

参与化学反应被消耗掉的氧气流量根据燃料电池系统输出电流得到，如公式(2)所示：

其中，A_act为燃料电池系统输出电流，为氧气的摩尔质量，F为法拉第常数，为964859C/mol；

化学反应生成的产物水的流量为参与化学反应被消耗掉的氧气流量的2倍，如公式(3)所示：

得到电堆空气出口流量的等效公式，如公式(4)所示：

其中，m_Tail为电堆空气出口流量，m_In为电堆空气入口流量，A_act为燃料电池系统输出电流，为氧气的摩尔质量，F为法拉第常数，为964859C/mol。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述空气背压阀有效过流面积计算模型如公式(5)所示：

其中，A_eff为空气背压阀有效过流面积，m_Tail为电堆空气出口流量，k为空气的绝热指数，为1.4，R为空气的气体常数，为287(J/(kg*k))，T₁为电堆空气出口温度，P₁为电堆空气出口压力，为压比系数，由空气背压阀前后的压比决定，当大气压力与电堆空气出口压力的压比小于0.53时，/>为0.2588，当大气压力与电堆空气出口压力的压比大于0.53时，/>由公式(6)计算：

其中，P₁为电堆空气出口压力，P₂为大气压力。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过所述空气背压阀有效过流面积计算模型计算在不同电堆空气入口压力和不同电堆空气入口流量下的空气背压阀有效过流面积，并将计算结果填入图表中，使用多个标准件空气背压阀进行测试和计算，在多个图表中取平均值，得到所述标准点图表。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，其特征在于，所述步骤S4中，待检测的燃料电池系统启动后，当待检测的燃料电池系统冷却水温度≥45℃，并且正常运行时间超过10分钟后，开始采集电堆空气入口流量、电堆空气入口压力、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，其特征在于，所述步骤S4中，当待检测空气背压阀的有效过流面积与所述标准点图表的对应点的偏差超过±15％时，激活所述消抖计数器。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池空气背压阀故障监控方法，其特征在于，所述步骤S4中，当所述消抖计数器计数大于5时，判定空气背压阀故障。

9.一种燃料电池空气背压阀故障监控系统，其特征在于，包括

空气流量计，用于采集燃料电池系统电堆空气入口流量；

电堆空气入口压力传感器，用于采集电堆空气入口压力；

电堆空气出口温度传感器，用于采集电堆空气出口温度；

电堆空气出口压力传感器，用于采集电堆空气出口压力；

控制模块，用于控制所述空气流量计、电堆空气入口压力传感器、电堆空气出口温度传感器和电堆空气出口压力传感器的开启与关闭；

空气背压阀有效过流面积计算模块，包括

模型构建模块，用于通过电堆空气入口流量、电堆内部的化学反应所产生的电流、电堆空气出口温度和电堆空气出口压力构建空气背压阀有效过流面积计算模型；

空气背压阀有效过流面积计算模型，用于计算空气背压阀的有效过流面积；

标准点图表模块，包括

图标构建模块，用于根据空气背压阀有效过流面积计算模型的计算结果构建标准点图表；

标准点图表，用于储存并显示标准点；

数据对比模块，用于比较计算出的待检测空气背压阀的有效过流面积与所述标准点图表的对应点；

监控及报错模块，用于根据所述数据对比模块得到的偏差激活消抖计数器，当所述消抖计数器计数大于设定阀值，判定空气背压阀故障。