CN1624490A - 氢/氧质子交换膜燃料电池堆的水淹诊断方法 - Google Patents
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Abstract
氢/氧质子交换膜燃料电池堆的水淹诊断方法属于燃料电池堆技术领域，其特征在于：计算机通过安置在燃料电池堆进排气口的两个氢气压力传感器得到实测工况下的该电池堆前后氢气压力降，再把它与相应工况点对应的由计算机预先算出的正常前后氢气压力降相比较，若实测压力降超出合理的变化范围，计算机便报警，通知应采取相应排水措施。它可以及早发现水淹趋势，在堆内流场积水增多时即及时报警，采取排水措施，而无须等到积水堵塞气道，达到了预警的目的。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的水淹故障监控技术领域。
背景技术
水淹问题是当前燃料电池工作过程中的主要故障之一，因此要提高燃料电池的工作稳定性，必须做好燃料电池的水管理。不仅要有有效的排水技术，而且要有积水诊断技术。
产生水淹问题的原因是电化学反应生成的水不能及时排出，随着反应不断进行，燃料电池堆内积累的水导致多孔扩散电极孔隙率下降，反应气体传递阻力增加，电池的输出功率随之降低。水淹现象是一个气道内积水逐渐增多的过程，最初时气道内少量的液态水以液滴形式附着于气道壁面，随着水量的增加，液滴逐渐形成水膜，直至最终液态水将气道完全堵塞。一旦某单片电池内气道为积水所堵塞导致该单片电池电压降至0V，则必须立刻停机，否则将严重损坏燃料电池因此，当前车用燃料电池均需要实时监控燃料电池堆中的积水状况。
单片电压巡检系统是当前国内外车用燃料电池普遍采用的水淹诊断方法。[专利：WO02/03086，申请单位：Ballard Power Systems，Canada]介绍了单片电压巡检系统。在该水淹诊断方法中，各单片电池的电压由导线从双极板引出到一个电控单元中，该电控单元在燃料电池工作期间实时地监控各单片电压。当某一单片电池电压明显小于其它各单片电池电压时，巡检系统判定该单片电池发生水淹。
该技术存在两个问题：①该技术本身可靠性差，易出故障，易受干扰。单片电压巡检系统需要使用若干根导线将各单片电压一一引出，造成巡检系统的复杂度随电池片数的增加而急剧增加，相应地，系统的故障率随之上升。结果是该故障诊断系统又成为新的故障源，其中尤以导线断线、导线短路和电磁干扰引发的故障较多。这一特点使得单片电压巡检系统在大型质子交换膜燃料电池堆(片数较多)和车用质子交换膜燃料电池发动机(对稳定性要求高)上的应用受到限制。②单片电压巡检系统只能在某单片电池发生严重积水、气道已被堵塞后才会报警，而不能在燃料电池堆内积水过程中及时做出判断。因为在积水过程中，各片电池的电压往往是均匀的，只有在出现个别气道被堵塞后才出现明显电压过低。另外，当这种方法得知积水故障时再采取补救措施，往往也已为时过晚。此时再采取脉冲排气等排水措施，由于气流可以从其它未被堵塞的、流动阻力因而相对较小的气道流过，因此排水措施难以迅速排除已被堵塞的气道内的积水。
本发明的目的在于提供了一种基于堆内压力降的水淹诊断技术，尤其是用于质子交换膜燃料电池。
本发明与上述单片电压巡检系统在原理上完全不同。单片电压巡检系统是基于某单片电池水淹造成的最终结果，即单片电压显著下降而做出判断。而本发明是利用氢气在电池堆内的压力降来判断堆内积水情况。
本发明的特征在于：
该氢/氧质子交换膜燃料电池堆的水淹诊断方法依次含有以下步骤：
第1步：在各工况下点下，计算机通过常规监测得到燃料电池堆的电流密度、燃料电池堆的温度以及该温度下饱和水蒸气分压，还有氢气流量；
计算机再通过设在燃料电池堆进气口压力传感器测得氢气进气压力；
第2步：计算机通过下式计算得到与工况点对应的氢气正常压力降数值ΔPH
ΔPH＝α1T2(P-Psat)-1(26.455QH-I)+α2
其中：P为氢气进气压力，单位为Pa；
I为燃料电池堆电流，单位为A；
T为燃料电池堆温度，单位为K；
Psat为温度为T时的饱和水蒸气分压，单位为kPa；
QH为燃料电池堆进口氢气流量，单位为g/h；
α1，α2为调整参数，与电池堆大小、气体流道长度等有关，由实验确定，其中α2＞0；
相应地，在以上计算得到氢气正常压力降±10％范围内为合理变化范围；
第3步：计算机根据放在燃料电池堆进排气口的两个压力传感器测得实测工况点下燃料电池堆前后氢气压力降；
第4步：计算机判断实测工况点下燃料电池堆前后氢气压力降是否超出了步骤2得到的相应工况点下正常的压力降数值的变化范围；
若：上述压力降实测值超出了正常压力降的合理变化范围，计算机则报警并打开脉冲排气阀；否则，回到步骤1。
本发明较之当前普遍采用单片电压巡检系统而言，克服了现有单片电压巡检系统技术存在的两大缺陷：①本发明仅需要在现有硬件基础上只须在燃料电池堆进排气口各添加1个压力传感器用于测量堆内压力降，较之单片电压巡检系统，系统大为简化，故障率显著降低，稳定性大幅提高；②本发明可以及早发现水淹趋势，在堆内流场积水增多时即及时报警，而无须等到积水堵塞气道，从而为及时采取相应排水措施的赢得了时间。
附图说明
图1是本发明实施例的测试方法示意图。
图2是本发明实施例的应用方法流程图。
具体实施方式举例
对于一个由56片单片电池组成的燃料电池堆，各单片电池有效面积为700cm2，实验中电流范围为[0A，300A]，对应的氢气流量为[0，600g/h]，氢气进气压力范围为[1bar，3bar]。对应于某时刻t0，常规监测得到进气压力为3bar，燃料电池堆温度为44℃，氢气流量为350g/h，根据本发明所列办法，计算得到无水淹状况的压力降应为620Pa，因此当压力传感器测得的压力降数值超过682Pa，则报警并采取排水措施；否则不采取任何排水措施。在接下来的t1时刻，继续监控各参数变化。
Claims (1)
1.氢/氧质子交换膜燃料电池堆的水淹诊断方法，其特征在于，它依次含有以下步骤：
第1步：在各工况下点下，计算机通过常规监测得到燃料电池堆的电流密度、燃料电池堆的温度以及该温度下饱和水蒸气分压，还有氢气流量；
计算机再通过设在燃料电池堆进气口压力传感器测得氢气进气压力；
第2步：计算机通过下式计算得到与工况点对应的氢气正常压力降数值ΔPH
ΔPH＝α1T2(P-Psat)-1(26.455QH-I)+α2
其中：P为氢气进气压力，单位为Pa；
I为燃料电池堆电流，单位为A；
T为燃料电池堆温度，单位为K；
Psat为温度为T时的饱和水蒸气分压，单位为kPa；
QH为燃料电池堆进口氢气流量，单位为g/h；
α1，α2为调整参数，与电池堆大小、气体流道长度等有关，具体数值不同的
燃料电池堆需要由具体实验确定，其中α1由实验确定，α2＞0；
相应地，在以上计算得到氢气正常压力降±10％范围内为合理变化范围；
第3步：计算机根据放在燃料电池堆进排气口的两个压力传感器测得实测工况点下燃料电池堆前后氢气压力降；
第4步：计算机判断实测工况点下燃料电池堆前后氢气压力降是否超出了步骤2得到的相应工况点下正常的压力降数值的变化范围；
若：上述压力降实测值超出了正常压力降的合理变化范围，计算机则报警并打开脉冲排气阀；否则，回到步骤1。
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