CN117346973A - 一种燃料电池发动机气密性检测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池发动机气密性检测系统及其方法，包括电堆，电堆内包括氢腔、空腔以及冷却液腔；还包括氢气子系统与空气子系统，氢气子系统与氢腔进行氢气交换，空气子系统与空腔进行空气交换；在进行气密性监测时，保持空腔常压密闭，并向氢腔供气，提高氢腔压力至指定数值并维持指定时间后根据计算模型计算对应腔体泄露量，比对氢腔泄露量与空腔泄漏量，根据比对结果判断泄露状态。本发明可结合燃料电池发动机内氢腔与空腔的容积模型以及燃料电池发动机腔体内的压力变化，估算氢空窜漏的泄露量以及是否发生空腔外漏，可更好的监控燃料电池发动机的健康状态以及寿命，可及时的检测潜在问题与故障，增强燃料电池的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机气密性检测系统及其方法。
背景技术
燃料电池发动机涉及到氢气和氧气等高压气体，因此气密性对于发动机的正常运行至关重要。而在对燃料电池发动机气密性进行评估的过程中，燃料电堆的气密性尤为重要，因为燃料电堆的气密性对于燃料电池发动机的性能和安全有着较大影响，不仅会导致燃料电池发动机无法正常运行，更存在爆炸的安全风险，而影响燃料电堆的气密性主要情况包括：氢空互窜、氢水互窜、空水互窜、三腔外漏等。而现有的由于对于燃料电池发动机的阳极密封性较高，氢气发生外漏的情况较少，而主要的泄露在于内漏，主要在于膜电极的氢空窜漏，而现有并没有对于氢腔和空腔进行气密性获取以及评估的标准化系统以及方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种燃料电池发动机气密性检测系统及其方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种燃料电池发动机气密性检测系统，包括：
电堆，所述电堆内包含有氢腔、空腔以及冷却液腔；
气体子系统，包括氢气子系统与空气子系统，所述氢气子系统与所述氢腔进行氢气交换，所述空气子系统与所述空腔进行空气交换；
在进行气密性监测时，保持所述空腔常压密闭，并向所述氢腔供气，提高所述氢腔压力至指定数值并维持指定时间后根据计算模型计算对应腔体泄露量，比对氢腔泄露量与空腔泄漏量，根据比对结果判断泄露状态。
作为上述技术方案的进一步描述，所述氢腔泄露量≈所述空腔泄漏量时，则判定为氢空窜漏；
所述氢腔泄露量＞所述空腔泄漏量时，则判定为氢空窜漏和空腔外漏；
所述氢腔泄露量＜所述空腔泄漏量时，则判定为测试失败，需重新测试。
作为上述技术方案的进一步描述，所述氢气子系统包括进气装置，所述进气装置用于提供氢气；
循环装置，所述循环装置与进气装置相连通，所述循环装置用于将氢气通入所述电堆；
分水件，所述分水件与所述电堆的氢气出口相连通，进入所述分水件的氢气，部分通过排气阀排出，另一部分通入所述循环装置再次进入所述电堆；
氢气压力传感器，所述氢气压力传感器设置于进气装置靠近所述电堆的一侧，所述氢气压力传感器用于监测所述氢腔压力。
作为上述技术方案的进一步描述，所述空气子系统包括空压机，所述空压机用于提供空气，所述空压机产生的空气通过三通阀、增湿器/中冷器以及截断阀进入所述电堆；
节气门，所述电堆中排出的空气通过节气门以及尾排消音器排出；
空气压力传感器，所述空气压力传感设置于所述截断阀靠近所述电堆的一侧，所述空气压力传感器用于监测所述空腔压力。
作为上述技术方案的进一步描述，氢腔窜漏总泄露量的计算模型为：
其中，Q氢为氢腔窜漏总泄露量，单位为ml/min；
Ve1为氢腔等效内容积，单位为ml；
P氢为实际氢腔压力变化量，单位为Pa；
T为测试时间，单位为S。
作为上述技术方案的进一步描述，单片电池窜漏量的计算模型为：
其中，Qa为单电池窜漏量；
a为燃料电池发动机单电池个数。
作为上述技术方案的进一步描述，空腔压力差值的计算模型为：
其中，Q氢为氢腔窜漏总泄露量，单位为ml/min；
Ve2为空腔等效内容积，单位为ml；
P空计为计算得到的空腔压力变化量，单位为Pa；
T为测试时间，单位为S；
所述空腔泄露量的计算模型为：
其中，Q空为空腔总泄露量，单位为ml/min；
P空为实际空腔压力变化量，单位为Pa；
T为测试时间，单位为S。
作为上述技术方案的进一步描述，将计算得到的空腔压力变化量P空计与所述空气压力传感器检测到的所述空腔压力变化值P空进行比对，若P空小于P空计，则表示所述空腔存在外漏。
一种燃料电池发动机气密性检测方法，具体步骤包括：
S1，燃料电池发动机关机状态；
S2，关闭空气子系统中的截断阀和节气门，保持空腔常压密闭；
S3，向氢腔内供气，并将氢腔内的压力提高至指定值后，停止供气；
S4，压力稳定在指定值，并维持预设时间后，记录对应压力传感器检测的所述氢腔压力值以及所述空腔压力值；
S5，确定氢腔压力变化量，根据计算模型计算所述氢腔泄露量与空腔泄露量，比对所述氢腔泄露量与所述空腔泄露量，根据比对结果判断泄露状态。
作为上述技术方案的进一步描述，在S5中还包括：
S51,所述氢腔泄露量≈所述空腔泄漏量时，则判定为氢空窜漏；
S52,所述氢腔泄露量＞所述空腔泄漏量时，则判定为氢空窜漏和空腔外漏；
S53,所述氢腔泄露量＜所述空腔泄漏量时，则判定为测试失败，需重新测试。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明可结合燃料电池发动机内氢腔与空腔的容积模型，结合燃料电池发动机腔体内的压力变化，估算氢空窜漏的泄露量以及是否发生空腔外漏，可更好的监控燃料电池发动机的健康状态以及寿命，可及时的检测潜在问题与故障，增强燃料电池的安全性。
附图说明
图1为燃料电池系统的示意框图；
图2为气密性检测前的流程示意图；
图3为气密性检测流程图。
图例说明：
1、电堆；11、氢腔；12、空腔；13、冷却液腔；2、氢气子系统；21、进气装置；22、循环装置；23、分水件；24、排气阀；25、氢气压力传感器；3、空气子系统；31、空压机；32、三通阀；33、增湿器/中冷器；34、截断阀；4、空气压力传感器；5、节气门；6、尾排消音器。
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做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。
参照图1，本发明提供的一种燃料电池发动机气密性检测系统，包括三部分，分别为电堆1、氢气子系统2以及空气子系统3，其中电堆1作为燃料电池的核心部件，其包括氢腔11、空腔12以及冷却液腔13，在电堆的内部，氢气和氧气在膜电极处进行电化学反应，冷却液腔内的冷却液将电堆内电化学反应的热量带出电堆进行散热；而氢气子系统2，其主要作用是用于向电堆1中的氢腔11供氢气，空气子系统3的主要作用为向电堆1中的空腔12供空气，同时氢腔11也能够将多余的氢气排入氢气子系统2，同样空腔12也能够将其内部多余的空气排入空气子系统3。氢气子系统2与氢腔11的连接处设置有氢气压力传感器25，可用于检测氢腔11内的压力状态，而在空气子系统3与空腔12的连接处也设置有空气压力传感器4，可用于检测空腔12内的压力状态。
在进行气密性检测时，在关机状态下，先隔绝空气子系统3与空腔12，以保持空腔12的常压密闭，以此保证空腔12内的空气量的变化为氢腔窜漏而导致的气体量增大或者空腔外漏导致的气体量减少，亦或者是氢腔窜漏和空腔外漏同时存在导致的空腔12内气体量的变化。而后通过氢气子系统2向氢腔11内供气，使氢腔11内的压力达到指定值，如X Kpa后，待压力稳定到X Kpa，并维持指定的时间，如3min，具体时间可根据实际情况及需求进行调节，在3min后，氢气压力传感器25记录此时的氢腔11内的压力值，同时空气压力传感器4可记录此时空腔12内的压力值。并且也可计算出氢腔11内与空腔12内3min前后的压力变化量P氢以及P空，然后根据计算模型，分别计算氢腔窜漏的泄露量以及空腔12总泄露量(需要说明的是，空腔12的总泄露量实际上应该为空腔12内的增长量)，其中氢腔11的计算模型为：
其中，Q氢为氢腔窜漏总泄露量，单位为ml/min；
Ve1为氢腔11等效内容积，单位为ml；
P氢为实际氢腔11压力变化量，单位为Pa；
T为测试时间，单位为S。
空腔12的计算模型为：
其中，Q空为空腔12总泄露量，单位为ml/min；
P空为实际空腔12压力变化量，单位为Pa；
T为测试时间，单位为S。
上述均为总得泄露量，换算到
通过上述两个计算模型可以计算出氢腔11与空腔12的实际气体变化量，在假设氢腔11不存在氢空窜漏的情况，氢腔11内的实际气体变化量即为在经过3min后增长的氢气量，而此时空腔12内，由于空气子系统3与空腔12进行隔绝，若空腔12没有发生氢空窜漏以及空腔外漏，此时的空腔12气体增长量应为0。
而当氢腔泄露量≈空腔泄露量，此时则表面出现氢腔窜漏，原因为只有当发生氢空窜漏时，氢腔11内的氢气下漏到空腔12内，而此时空腔12的增长量即为氢腔11的泄露量，即能够判定此时出现氢空窜漏的风险。
而当氢腔泄露量＞空腔泄露量，此时表明出现氢腔窜漏以及空腔外漏，原因为，只有出现氢腔窜漏，空腔12内才会有气体量的增多，但由于空腔12的泄露量即增长量大于氢腔11的泄露量，此时说明空腔12除了出现氢空窜漏，还出现了空腔外漏的情况。即可判定同时出现氢腔窜漏以及空腔外漏；
而为了进一步的验证是否存在空腔外漏，可采用计算模型：
其中，Q氢为氢腔窜漏总泄露量，单位为ml/min；
Ve2为空腔12等效内容积，单位为ml；
P空计为计算得到的空腔12压力变化量，单位为Pa；
T为测试时间，单位为S；
利用该计算模型，可计算出只出现氢腔窜漏的情况下的空腔12压力变化量，将P空计与P空进行比对，若P空计大于P空，则表面除氢空窜漏外还出现空腔外漏。
上述泄露量为总泄露量，而单片电池窜漏量的计算模型为：
其中，Qa为单电池窜漏量；
a为燃料电池发动机单电池个数。
当氢腔泄露量＜空腔泄露量，则表明测试失败，原因为在进行检测前，空气子系统3与空腔12已隔绝，空腔12的泄露量最大时只与氢腔11的泄露量近似相等，不会出现氢腔泄露量＜空腔泄露量，此时则需要进行重新测试。
通过该测试系统，可结合燃料电池发动机内氢腔11与空腔12的容积模型，结合燃料电池发动机腔体内的压力变化，估算氢空窜漏的泄露量以及是否发生空腔外漏，可更好的监控燃料电池发动机的健康状态以及寿命，可及时的检测潜在问题与故障，增强燃料电池的安全性。
而对于氢气子系统2与空气子系统3内的具体装置分配，请参阅图1，在氢气子系统2内包括有进气装置21，进气装置21可选用氢气储罐与氢气供气泵的配合使用，进气装置21的作用即为提供氢气，在氢气子系统2内还设置有循环装置22，进气装置21供给的氢气通过循环装置22进入到电堆1内的氢腔11中，而循环装置22的作用还在于，可将从氢腔11内排出的氢气通过分水件23再次进入到循环装置22中，以实现氢气的循环再利用，而在需要将氢气排出时，可通过排气阀24向外排出。
而在空气子系统3中设置有同样用于供给空气的空压机31，空压机31在经过三通阀32、增湿器/中冷器33以及截断阀34进入电堆1，需要从空腔12内排出的空气可经过节气门5以及尾排消音器6向外排出。
为了进一步对于燃料电池发动机气密性检测进行说明阐述，以便于理解，本发明提供一种燃料电池发动机气密性检测方法，请参阅图2与图3：
首先参阅图2，在进行气密性检测前，先执行燃料电池发动机的正常开关机流程，然后在执行多次燃料电池发动机的停机后，进行对于燃料电池发动机的气密性检测流程，而执行多次燃料电池发动机的停机的目的是为了模拟正常的使用工况下的发动机状态的气密性状态；
而气密性检测流程可参考图3，具体步骤如下：
S1，燃料电池发动机关机状态，在关机状态下，氢腔11与空腔12相互独立，不进行工作；
S2，关闭空气子系统3中的截断阀34和节气门5，保持空腔12常压密闭；
S3，向氢腔11内供气，并将氢腔11内的压力提高至指定值后，停止供气；
S4，压力稳定在指定值，并维持预设时间如3min后，记录对应压力传感器检测的氢腔11压力值以及空腔12压力值；
S5，确定氢腔11压力变化量，根据计算模型计算氢腔泄露量与空腔泄露量，比对氢腔泄露量与空腔泄露量，根据比对结果判断泄露状态，其中具体的计算模型可参考上述氢腔泄露量与空腔泄露量的计算公式；
通过比对氢腔泄露量以及空腔泄露量，在氢腔泄露量≈空腔12泄漏量时，则判定为氢空窜漏；
氢腔泄露量＞空腔12泄漏量时，则判定为氢空窜漏和空腔外漏；
氢腔泄露量＜空腔12泄漏量时，则判定为测试失败，需重新测试。
通过上述检测流程，可快速有效的判断氢腔11与空腔12的状态，能够有效反应燃料电池发动机的健康状态以及寿命，对于后续的维护计划提供了指导信息。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池发动机气密性检测系统，其特征在于，包括：
电堆，所述电堆内包含有氢腔、空腔以及冷却液腔；
气体子系统，包括氢气子系统与空气子系统，所述氢气子系统与所述氢腔进行氢气交换，所述空气子系统与所述空腔进行空气交换；
在进行气密性监测时，保持所述空腔常压密闭，并向所述氢腔供气，提高所述氢腔压力至指定数值并维持指定时间后根据计算模型计算对应腔体泄露量，比对氢腔泄露量与空腔泄漏量，根据比对结果判断泄露状态。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机气密性检测系统，其特征在于，所述氢腔泄露量≈所述空腔泄漏量时，则判定为氢空窜漏；
所述氢腔泄露量＞所述空腔泄漏量时，则判定为氢空窜漏和空腔外漏；
所述氢腔泄露量＜所述空腔泄漏量时，则判定为测试失败，需重新测试。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机气密性检测系统，其特征在于，所述氢气子系统包括进气装置，所述进气装置用于提供氢气；
循环装置，所述循环装置与进气装置相连通，所述循环装置用于将氢气通入所述电堆；
分水件，所述分水件与所述电堆的氢气出口相连通，进入所述分水件的氢气，部分通过排气阀排出，另一部分通入所述循环装置再次进入所述电堆；
氢气压力传感器，所述氢气压力传感器设置于进气装置靠近所述电堆的一侧，所述氢气压力传感器用于监测所述氢腔压力。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机气密性检测系统，其特征在于，所述空气子系统包括空压机，所述空压机用于提供空气，所述空压机产生的空气通过三通阀、增湿器/中冷器以及截断阀进入所述电堆；
节气门，所述电堆中排出的空气通过节气门以及尾排消音器排出；
空气压力传感器，所述空气压力传感设置于所述截断阀靠近所述电堆的一侧，所述空气压力传感器用于监测所述空腔压力。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机气密性检测系统，其特征在于，氢腔窜漏总泄露量的计算模型为：
其中，Q氢为氢腔窜漏总泄露量，单位为ml/min；
Ve1为氢腔等效内容积，单位为ml；
P氢为实际氢腔压力变化量，单位为Pa；
T为测试时间，单位为S。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机气密性检测系统，其特征在于，单片电池窜漏量的计算模型为：
其中，Qa为单电池窜漏量；
a为燃料电池发动机单电池个数。
7.根据权利要求5所述的一种燃料电池发动机气密性检测系统，其特征在于，空腔压力差值的计算模型为：
其中，Q氢为氢腔窜漏总泄露量，单位为ml/min；
Ve2为空腔等效内容积，单位为ml；
P空计为计算得到的空腔压力变化量，单位为Pa；
T为测试时间，单位为S；
所述空腔泄露量的计算模型为：
其中，Q空为空腔总泄露量，单位为ml/min；
P空为实际空腔压力变化量，单位为Pa；
T为测试时间，单位为S。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池发动机气密性检测系统，其特征在于，将计算得到的空腔压力变化量P空计与所述空气压力传感器检测到的所述空腔压力变化值P空进行比对，若P空小于P空计，则表示所述空腔存在外漏。
9.一种燃料电池发动机气密性检测方法，其特征在于，具体步骤包括：
S1，燃料电池发动机关机状态；
S2，关闭空气子系统中的截断阀和节气门，保持空腔常压密闭；
S3，向氢腔内供气，并将氢腔内的压力提高至指定值后，停止供气；
S4，压力稳定在指定值，并维持预设时间后，记录对应压力传感器检测的所述氢腔压力值以及所述空腔压力值；
S5，确定氢腔压力变化量，根据计算模型计算所述氢腔泄露量与空腔泄露量，比对所述氢腔泄露量与所述空腔泄露量，根据比对结果判断泄露状态。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池发动机气密性检测方法，其特征在于，在S5中还包括：
S51,所述氢腔泄露量≈所述空腔泄漏量时，则判定为氢空窜漏；
S52,所述氢腔泄露量＞所述空腔泄漏量时，则判定为氢空窜漏和空腔外漏；
S53,所述氢腔泄露量＜所述空腔泄漏量时，则判定为测试失败，需重新测试。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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