CN117317313A - 一种具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机 - Google Patents
一种具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术需要外加设备进行排氢阀状态诊断且无法精准定位排氢阀故障的问题。该发动机的燃料供应系统集成了燃料气源、主氢喷、旁通氢喷、排氢阀和控制器。电堆的燃料气进口一路经出主氢喷接燃料气源，另一路经旁通氢喷接燃料气源，其燃料气尾气出口经排氢阀连通外部大气。控制器接收到排氢阀的状态检测指令后，获取旁通氢喷的占空比波动数据，然后根据该占空比波动数据，识别旁通旁通氢喷是否按照排氢阀的开启周期正常波动，若是，控制排氢阀继续正常运行，否则，获取排氢阀开启周期内旁通氢喷的占空比平均值识别排氢阀是否出现常闭故障或常开故障。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机。
背景技术
燃料电池的燃料气路多使用燃料气循环架构，并提供排氢阀以排出工作过程中产生的废气，保证循环气体中的燃料气浓度。当该排氢阀故障后，由于废气排出不及时，会导致局部燃料气饥饿，造成电堆电压下降，甚至会引起膜电极的电化学腐蚀、电堆性能不可逆下降。
现有的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机如下。
中国专利CN115548388A公开了根据实际运行功率值对应的流量控制阀开度、尾气模块燃料气浓度和电堆阳极出口压力值与标定值的大小关系判断排氢阀运行状态。
中国专利CN112054230A公开了根据氢喷参数(氢喷进口压力、氢喷出口压力、氢喷占空比、电堆输出电流)查找MAP图，得到标准流量；再根据电堆输出电流获得实际消耗流量，判断标准流量是否大于实际消耗流量，若是，输出排氢阀状态正常，否则，输出排氢阀状态异常。
中国专利CN114914490A通过获取电堆燃料气入口管路氢压力值或电堆燃料气出口管路氢压力值，在排氢阀开启第一时间段后的任一一个时刻，比较第一时间段两端电堆氢压力差，如果所述第一时间段两端电堆氢压力差大于阈值，则判定排氢阀无冰堵故障，退出检测，否则，控制给电堆补氢，然后返回排氢阀开启。
中国专利CN1961448A通过检测燃料气出口和排氢阀之间的燃料气状态量(燃料气压力、流量或者流速)并根据检测值与故障判定值的大小来排定燃料气排氢阀的故障。
综上，现有技术一般通过压力传感器或流量传感器进行排氢阀的状态检测，由于需要外加设备来进行判断，提升了燃料电池系统的复杂度。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，用以解决现有技术需要外加设备进行排氢阀状态诊断且无法精准定位排氢阀故障的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，包括电堆、燃料供应系统、氧化剂供应系统和冷却系统，该燃料供应系统进一步包括燃料气源、主氢喷、旁通氢喷(Bypass氢喷)、排氢阀和控制器；其中，
电堆的燃料气进口一路经出主氢喷接燃料气源，另一路经旁通氢喷接燃料气源，其燃料气尾气出口经排氢阀连通外部大气；
控制器，用于接收到排氢阀的状态检测指令后，获取设定时间内旁通氢喷的占空比波动数据；以及，根据该占空比波动数据，识别旁通旁通氢喷是否按照排氢阀的开启周期正常波动，若是，控制排氢阀继续正常运行，否则，进一步获取排氢阀开启周期内旁通氢喷的占空比平均值，并根据该占空比平均值识别排氢阀是否出现常闭故障或常开故障。
上述技术方案的有益效果如下：在不增加燃料电池系统复杂度的前提下，提出一种通过旁通氢喷的占空比进行排气阀故障检测的方案，可以检测出排气阀常开或常关的故障，及时定位问题，保证燃料电池发动机正常运行。
基于上述装置的进一步改进，该燃料供应系统还包括氢气压力传感器；其中，
氢气压力传感器，设于电堆的燃料气进口处管道内壁上，用于获取当前入堆氢气压力；
控制器，还用于在燃料电池运行过程中，根据氢气压力传感器数据与目标压力的差值控制旁通氢喷的启动状态，使得在设定时间间隔内氢气压力传感器数据达到目标压力。
进一步，控制器执行如下程序以完成排氢阀故障诊断功能：
接收到排氢阀的状态检测指令后，获取设定时间内旁通氢喷的占空比波动数据；
根据该占空比波动数据，识别旁通旁通氢喷是否按照排氢阀的开启周期正常波动，若是，控制排氢阀继续正常运行，否则，执行下一步；
获取排氢阀开启周期内旁通氢喷的占空比平均值；
识别该占空比平均值是否处于中心值为0的设定范围内，若是，判定排氢阀出现常闭故障，否则，判定排氢阀出现常开故障。
进一步，该燃料供应系统还包括告警模块；并且，
控制器，还用于在排氢阀出现常闭故障时，控制告警模块发出排氢阀出现常闭故障的告警；以及，在排氢阀出现常开故障时，控制告警模块发出排氢阀出现常开故障的告警。
进一步，该燃料供应系统还包括分水器、排水阀、氢气循环泵；其中，
分水器的进口接电堆的氢气尾气出口，其排水口接分水阀，其排气口一路接排氢阀，另一路经氢气循环泵接电堆的氢气进口。
进一步，该燃料供应系统还包括引射器；其中
引射器的射流入口接主氢喷的输出端，其引流入口经氢气循环泵接分水器的排气口，其汇流出口接电堆的氢气进口。
进一步，该燃料供应系统还包括泄压阀；其中，
泄压阀的输入端接电堆的氢气进口。
进一步，该燃料供应系统还包括换热器；其中，
燃料气源的输出端经换热器的支路一后一路经出主氢喷接电堆的燃料气进口，另一路经旁通氢喷接电堆的燃料气进口；
换热器的支路二接入冷却系统中。
进一步，燃料供应系统为氢气系统，氧化剂供应系统为空气系统。
进一步，氧化剂供应系统包括空压机、中冷器、增湿器和空侧排气阀；其中，
电堆的空气入口依次经增湿器、中冷器接空压机的输出端，其空气尾气出口经空侧排气阀连通外部大气。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1燃料电池发动机中燃料气供应系统示意图；
图2示出了实施例2燃料电池发动机中燃料气供应系统示意图；
图3示出了实施例2排氢阀的开启周期示意图；
图4示出了实施例2排氢阀开启周期内排氢阀状态正常的旁通氢喷占空比示意图；
图5示出了实施例2排氢阀开启周期内排氢阀常闭的旁通氢喷占空比示意图；
图6示出了实施例2排氢阀开启周期内排氢阀常开的旁通氢喷占空比示意图；
图7示出了实施例2排氢阀故障诊断流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个此外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
下面首先介绍本发明涉及的关键术语。
燃料电池发动机：燃料气和氧气经过电化学反应将化学能转变成电能的装置，包括燃料供应系统、氧化剂供应系统、冷却系统、燃料电池电堆及控制系统等。
排氢阀：又称排气阀，其作用是将燃料电池发动机工作过程中从阴极渗透来的氮气进行周期性的排出，避免氮气浓度累积影响发动机性能。
排水阀：主要作用是排出阳极侧积累的液态水，防止回流气体的液态水含量太多导致燃料电池电堆水淹。
氢喷：包括主氢喷、旁通氢喷，其作用是为电堆提供足够流量、足够浓度的燃料气，保证反应正常进行。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，旨在通过优化燃料电池发动机的燃料气路，减弱发生排氢阀事故的风险，从而提高燃料电池发动机的使用稳定性、耐久性。如图1所示，该燃料电池发动机在燃料气系统中设有燃料气源、主氢喷、旁通氢喷、排氢阀和控制器，也可以设置其他部件，其他部件并未在图中进行显示。
其中，电堆的燃料气进口一路经出主氢喷接燃料气源，另一路经旁通氢喷接燃料气源，其燃料气尾气出口经排氢阀连通外部大气。
控制器，用于接收到排氢阀的状态检测指令后，获取设定时间内旁通氢喷的占空比波动数据；以及，根据该占空比波动数据，识别旁通旁通氢喷是否按照排氢阀的开启周期正常波动，若是，控制排氢阀继续正常运行，否则，进一步获取排氢阀开启周期内旁通氢喷的占空比平均值，并根据该占空比平均值识别排氢阀是否出现常闭故障或常开故障。
控制器的输出端接主氢喷、旁通氢喷、排氢阀的控制端。
实施时，在燃料电池运行过程中，旁通氢喷用于排气阀开启之后为系统补充氢气，因此当排气阀开启后，旁通氢喷也会开启为电堆补气。
与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池发动机在不增加燃料电池系统复杂度的前提下，提出一种通过旁通氢喷的占空比进行排气阀故障检测的方案，可以检测出排气阀常开或常关的故障，及时定位问题，保证燃料电池发动机正常运行。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，该燃料供应系统还包括氢气压力传感器。其中，氢气压力传感器，设于电堆的燃料气进口处管道内壁上，用于获取当前入堆氢气压力。
控制器，还用于在燃料电池运行过程中，根据氢气压力传感器数据与目标压力的差值控制旁通氢喷的启动状态，使得在设定时间间隔内氢气压力传感器数据达到目标压力。旁通氢喷用于排气阀开启之后为系统补充氢气。
优选地，控制器执行如下程序以完成排氢阀故障诊断功能：
S1.接收到排氢阀的状态检测指令后，获取设定时间内旁通氢喷的占空比波动数据；
S2.根据该占空比波动数据，识别旁通旁通氢喷是否按照排氢阀的开启周期正常波动，若是，控制排氢阀继续正常运行，否则，执行下一步；
S3.获取排氢阀开启周期内旁通氢喷的占空比平均值；
S4.识别该占空比平均值是否处于中心值为0的设定范围内，若是，判定排氢阀出现常闭故障，否则，判定排氢阀出现常开故障。
图3为燃料电池系统运行过程中排气阀的开启信号，包含了开启时间和开启周期，其中，横轴为时间，纵轴中1为开启，0为关闭，例如在周期4s内开启1s。图4～6为排气阀开启周期内对应的旁通氢喷的占空比波动情况。排气阀正常运行时，旁通氢喷的占空比会随排气阀的开启命令而周期性波动(对应步骤S2识别旁通旁通氢喷是否按照排氢阀的开启周期正常波动)，当排气阀堵塞或其他故障导致常闭或常开时，旁路氢喷的占空比则不存在明显波动。其中，常闭故障的占空比接近于0，常开的占空比则不为0。
图7为排气阀故障检测流程。当旁通氢喷的占空比在排气阀开启的一个周期内正常波动，则排气阀正常，否则，判定为排气阀工作异常。针对异常情况进一步计算开启周期内氢喷占空比的平均值。当平均值接近0时，则排气阀出现故障导致常闭。当平均值不为0时，则任务排气阀出现故障导致常开。
优选地，该燃料供应系统还包括告警模块。并且，控制器，还用于在排氢阀出现常闭故障时，控制告警模块发出排氢阀出现常闭故障的告警；以及，在排氢阀出现常开故障时，控制告警模块发出排氢阀出现常开故障的告警。
优选地，该燃料供应系统还包括分水器、排水阀、氢气循环泵，如图2所示。其中，分水器的进口接电堆的氢气尾气出口，其排水口接分水阀，其排气口一路接排氢阀，另一路经氢气循环泵接电堆的氢气进口。
优选地，该燃料供应系统还包括引射器。其中，引射器的射流入口接主氢喷的输出端，其引流入口经氢气循环泵接分水器的排气口，其汇流出口接电堆的氢气进口。
优选地，该燃料供应系统还包括泄压阀。其中，泄压阀的输入端接电堆的氢气进口。
优选地，该燃料供应系统还包括换热器。其中，燃料气源的输出端经换热器的支路一后一路经出主氢喷接电堆的燃料气进口，另一路经旁通氢喷接电堆的燃料气进口；换热器的支路二接入冷却系统中。
优选地，燃料供应系统为氢气系统，氧化剂供应系统为空气系统。
优选地，氧化剂供应系统进一步包括空压机、中冷器、增湿器和空侧排气阀。其中，电堆的空气入口依次经增湿器、中冷器接空压机的输出端，其空气尾气出口经空侧排气阀连通外部大。
与现有技术相比，本实施例提供的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机具有如下有益效果：
1、在现有燃料电池发动机的基础上，无需增加新的零部件，即可实现排氢阀故障诊断功能。
2、检测灵敏度高、精度高。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，包括电堆、燃料供应系统、氧化剂供应系统和冷却系统，其特征在于，该燃料供应系统进一步包括燃料气源、主氢喷、旁通氢喷、排氢阀和控制器；其中，
电堆的燃料气进口一路经出主氢喷接燃料气源，另一路经旁通氢喷接燃料气源，其燃料气尾气出口经排氢阀连通外部大气；
控制器，用于接收到排氢阀的状态检测指令后，获取设定时间内旁通氢喷的占空比波动数据；以及，根据该占空比波动数据，识别旁通旁通氢喷是否按照排氢阀的开启周期正常波动，若是，控制排氢阀继续正常运行，否则，进一步获取排氢阀开启周期内旁通氢喷的占空比平均值，并根据该占空比平均值识别排氢阀是否出现常闭故障或常开故障。
2.根据权利要求1所述的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，其特征在于，该燃料供应系统还包括氢气压力传感器；其中，
氢气压力传感器，设于电堆的燃料气进口处管道内壁上，用于获取当前入堆氢气压力；
控制器，还用于在燃料电池运行过程中，根据氢气压力传感器数据与目标压力的差值控制旁通氢喷的启动状态，使得在设定时间间隔内氢气压力传感器数据达到目标压力。
3.根据权利要求1或2所述的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，其特征在于，控制器执行如下程序以完成排氢阀故障诊断功能：
接收到排氢阀的状态检测指令后，获取设定时间内旁通氢喷的占空比波动数据；
根据该占空比波动数据，识别旁通旁通氢喷是否按照排氢阀的开启周期正常波动，若是，控制排氢阀继续正常运行，否则，执行下一步；
获取排氢阀开启周期内旁通氢喷的占空比平均值；
识别该占空比平均值是否处于中心值为0的设定范围内，若是，判定排氢阀出现常闭故障，否则，判定排氢阀出现常开故障。
4.根据权利要求3所述的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，其特征在于，该燃料供应系统还包括告警模块；并且，
控制器，还用于在排氢阀出现常闭故障时，控制告警模块发出排氢阀出现常闭故障的告警；以及，在排氢阀出现常开故障时，控制告警模块发出排氢阀出现常开故障的告警。
5.根据权利要求4所述的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，其特征在于，该燃料供应系统还包括分水器、排水阀、氢气循环泵；其中，
分水器的进口接电堆的氢气尾气出口，其排水口接分水阀，其排气口一路接排氢阀，另一路经氢气循环泵接电堆的氢气进口。
6.根据权利要求5所述的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，其特征在于，该燃料供应系统还包括引射器；其中
引射器的射流入口接主氢喷的输出端，其引流入口经氢气循环泵接分水器的排气口，其汇流出口接电堆的氢气进口。
7.根据权利要求4-6任一项所述的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，其特征在于，该燃料供应系统还包括泄压阀；其中，
泄压阀的输入端接电堆的氢气进口。
8.根据权利要求7所述的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，其特征在于，该燃料供应系统还包括换热器；其中，
燃料气源的输出端经换热器的支路一后一路经出主氢喷接电堆的燃料气进口，另一路经旁通氢喷接电堆的燃料气进口；
换热器的支路二接入冷却系统中。
9.根据权利要求4-6任一项所述的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，其特征在于，燃料供应系统为氢气系统，氧化剂供应系统为空气系统。
10.根据权利要求4-6任一项所述的具有排氢阀故障诊断功能的燃料电池发动机，其特征在于，氧化剂供应系统进一步包括空压机、中冷器、增湿器和空侧排气阀；其中，
电堆的空气入口依次经增湿器、中冷器接空压机的输出端，其空气尾气出口经空侧排气阀连通外部大气。
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2023
- 2023-09-22 CN CN202311234620.7A patent/CN117317313A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118367179A (zh) * | 2024-06-19 | 2024-07-19 | 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 | 一种用于燃料电池系统排水排气阀的故障诊断方法 |
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