CN115332581A - 燃料电池系统水平衡监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统水平衡监测方法及装置。其中，燃料电池系统水平衡监测方法，包括：在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，获取燃料电池不同工作电流下的尾排水初始标定值；在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2，并记录时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流；基于时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流得到对应工作电流的尾排水初始标定值；基于时间t1、时间t2和对应工作电流的尾排水初始标定值得到标定生成的水量V0；基于设定位置得到燃料电池在时间t1至时间t2的实际生成的水量V1；基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果。达到准确判断水平衡状态的目的。

Description

燃料电池系统水平衡监测方法及装置

技术领域

本发明属于新能源技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统水平衡监测方法及装置。

背景技术

燃料电池在运行过程中在阴极侧会通过反应生成水，一部分水通过扩散作用进入阳极，一部分被气体带走，内部水平衡比较复杂，如果水平衡出现问题，如出现膜干、水淹等，会严重影响燃料电池性能和寿命。

现有的技术中，通过空气侧压降或交流阻抗实现水平衡的监测，但是空气压降可以识别水淹，对膜干无法识别，高频交流阻抗可以识别膜干，无法识别水淹，低频交流阻抗目前对水淹无法精准识别，且现有的水平衡监测技术还存在一些原因会导致水平衡误判，如催化剂磺酸根吸附导致氧传输受阻会导致水平衡误判。

综上所述现有技术存在无法对膜干和水淹均进行准确判断的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池系统水平衡监测方法及装置，至少部分的解决现有技术中存在的无法对膜干和水淹均进行准确判断的问题。

第一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池系统水平衡监测方法，包括：

在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，获取燃料电池不同工作电流下的尾排水初始标定值；

在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2，并记录时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流；

基于时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流得到对应工作电流的尾排水初始标定值；

基于时间t1、时间t2和对应工作电流的尾排水初始标定值得到标定生成的水量V0；

基于设定位置得到燃料电池在时间t1至时间t2的实际生成的水量V1；

基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果。

可选的，所述在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，获取燃料电池不同工作电流下的尾排水初始标定值，包括：

在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，对于各电流点，待电压稳定后收集尾排水，并记录收集水量和收集时间，基于收集水量和收集时间得到尾排水生成速率，将尾排水生成速率作为尾排水初始标定值。

可选的，所述基于收集水量和收集时间得到尾排水生成速率，包括：

收集水量除以收集时间得到尾排水生成速率。

可选的，所述收集尾排水中，尾排水是阴极尾气中的冷凝水和/或阳极尾气中的冷凝水。

可选的，所述在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2中，所述设定位置基于设置在尾排水实时收集装置中的液位传感器得到。

可选的，所述在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2，包括：

当尾排水实时收集装置中的尾排水达到设定位置时，排放尾排水实时收集装置中的尾排水。

可选的，所述基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果，包括：

当V1大于V0为水淹，当V1小于V0为膜干。

可选的，所述基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果中，标定生成的水量V0的误差设定为10%。

可选的，所述基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果包括：

若0.9 V0<V1<1.1V0，则水平衡为正常状态，若V1>1.1V0，则为水淹，增加空气流量进行吹扫，将燃料电池电堆内部水排出，若V1<0.9V0，则为膜干，降低电堆温度，增加空气湿度。

第二方面，本公开实施例还提供了一种燃料电池系统水平衡监测装置，包括：

标定模块，用于在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，获取燃料电池不同工作电流下的尾排水初始标定值；

记录模块，用于在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2，并记录时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流；

标定值获取模块，用于基于时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流得到对应工作电流的尾排水初始标定值；

计算模块，用于基于时间t1、时间t2和对应工作电流的尾排水初始标定值得到标定生成的水量V0；

实际水量模块，用于基于设定位置得到燃料电池在时间t1至时间t2的实际生成的水量V1；

监测模块，用于基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果。

本发明提供的燃料电池系统水平衡监测方法及装置。其中燃料电池系统水平衡监测方法，通过对比尾排水的标定生成水的量和实际生成水的量对水平衡进行检测，对膜干和水淹均可进行监测，且判断准确，从而达到准确判断水平衡状态的目的。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为本公开实施例提供的燃料电池系统水平衡监测方法的流程图；

图2为本公开实施例提供的尾排水实时收集装置的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的燃料电池系统监测的控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

应当明确，以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图示中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本实施例的燃料电池或燃料电池系统均指质子交换膜燃料电池系统。

如图1所示，本实施例公开了燃料电池系统水平衡监测方法，包括：

步骤S101：在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，获取燃料电池不同工作电流下的尾排水初始标定值；

燃料电池在工作时，其工作电流根据工况进行变化，因此需要获取不同工作电流下的尾排水初始标定值，即工作电流为I1、I2、I3等的 尾排水初始标定值。

可选的，在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，获取燃料电池不同工作电流下的尾排水初始标定值，包括：

在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，对于各电流点，待电压稳定后收集尾排水，并记录收集水量和收集时间，基于收集水量和收集时间得到尾排水生成速率，将尾排水生成速率作为尾排水初始标定值。

所述基于收集水量和收集时间得到尾排水生成速率，包括：收集水量除以收集时间得到尾排水生成速率。

在一个具体的示例中，如在工作电流为I1时，燃料电池的电压稳定后，收集了a秒的尾排水，收集水量为b升，则尾排水生成速率为b除以a。

可选的，所述收集尾排水中，尾排水是阴极尾气中的冷凝水和/或阳极尾气中的冷凝水。

步骤S102：在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2，并记录时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流；

记录时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流即在时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流可能在不断变化，如在工作电流为I1下工作m秒，在工作电流为I2下工作n秒，在工作电流为I3下工作h秒等等。

步骤S103：基于时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流得到对应工作电流的尾排水初始标定值；

分别获取工作电流为I1对应的尾排水初始标定值，工作电流为I2对应的尾排水初始标定值和工作电流为I3对应的尾排水初始标定值。

步骤S104：基于时间t1、时间t2和对应工作电流的尾排水初始标定值得到标定生成的水量V0；

使用工作电流为I1对应的尾排水初始标定值乘以m，工作电流为I2对应的尾排水初始标定值乘以n，工作电流为I3对应的尾排水初始标定值乘以h等等，然后将计算得到结果相加得到的结果即为标定生成的水量V0。

步骤S105：基于设定位置得到燃料电池在时间t1至时间t2的实际生成的水量V1；

可选的，所述在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2中，所述设定位置基于设置在尾排水实时收集装置中的液位传感器得到。

可选的，所述在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2，包括：

当尾排水实时收集装置中的尾排水达到设定位置时，排放尾排水实时收集装置中的尾排水。

在一个具体的实施例中，基于尾排水实时收集装置液位传感器的位置可以得到尾排水实时收集装置中的水量即为实际生成的水量V1。

尾排水实时收集装置结构如图2所示，包括箱体2、液位传感器4和电磁阀6，箱体2上设置出气口3、进水口1和排水口5，液位传感器4设置在箱体2上，液位传感器4用于监测箱体2内的液位。电磁阀设置在排水口5上。

步骤S106：基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果。

可选的，所述基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果，包括：

当V1大于V0为水淹，当V1小于V0为膜干。

可选的，所述基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果中，标定生成的水量V0的误差设定为10%。

可选的，所述基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果包括：

若0.9 V0<V1<1.1V0，则水平衡为正常状态，若V1>1.1V0，则为水淹，增加空气流量进行吹扫，将燃料电池电堆内部水排出，若V1<0.9V0，则为膜干，降低电堆温度，增加空气湿度。

本实施例通过监测燃料电池尾排水的的生成速率判断内部水含量。首先通过标定不同电流下生成水的速率，在实际运行过程中对水生成速度进行实时统计，并通过自动化程序与标定值进行对比，根据对比结果做出判断，明确水淹与膜干状态并发出警示。

具体步骤如下：

1、 初始标定值：在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，对于各电流点，待电压稳定后，开始收集阴极和阳极尾排水，尾排水可以是阴极和阳极各自尾气中的冷凝水，也可以是混排中阴极和阳极尾气混合后收集的冷凝水，并记录水量和收集时间，以水量除以时间作为水的生成速率，并作为初始标定值。

2、 尾排水实时收集装置如图2所示，基于图3所示的控制逻辑对尾排水生成速率进行实时监测。开启发动机后，记录初始时间t1，同时开始记录工况运行情况，统计各电流运行时间，当尾排水在箱体内积累至触发液位传感器，记录时间t2，并开启电磁阀进行排水。初始时间t1可以为开机时间，也可以是燃料电池工作中的任一时间，并实施例并不限定为开机时间。

3、水平衡状态判断：根据t1-t2时间段内各工况电流运行时间和标定的尾排水生成速率，计算标定中应该生成的水量V0，并以-10%-10%作为误差区，与实际产水量V1进行对比，若0.9 V0<V1<1.1V0，则判断水平衡处于正常状态，若V1>1.1V0，则判断为水淹，需要增加空气流量进行吹扫，将电堆内部水排出，若V1<0.9V0，则判断为膜干，需要降低电堆温度，增加空气湿度。

4、连续监控：若判断停机，则程序终止，若判断不停机，则重复进入循环，持续监测水平衡状态。

本实施例额监测方法可以用于识别膜干和水淹状态，并避免了其它因素带来的水平衡判断干扰，无需复杂设备，能够实时监测。

本实施例可通过水平衡监测识别膜干和水淹，并进行相应的应对策略，可以避免膜干和水淹带来的耐久性问题，有利于提高电堆寿命。

本实施例可识别燃料电池系统操作参数是否发生变化，若持续出现膜干或水淹，则判断某些参数出现不合适，可进行预警并进行人工干预，将参数调整到合适水平。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。

在本公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“A、B或C的至少一个”的列举意味着A或B或C，或AB或AC或BC，或ABC（即A和B和C）。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。

还需要指出的是，在本公开的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。

可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统水平衡监测方法，其特征在于，包括：

在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，获取燃料电池不同工作电流下的尾排水初始标定值；

在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2，并记录时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流；

基于时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流得到对应工作电流的尾排水初始标定值；

基于时间t1、时间t2和对应工作电流的尾排水初始标定值得到标定生成的水量V0；

基于设定位置得到燃料电池在时间t1至时间t2的实际生成的水量V1；

基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统水平衡监测方法，其特征在于，所述在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，获取燃料电池不同工作电流下的尾排水初始标定值，包括：

在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，对于各电流点，待电压稳定后收集尾排水，并记录收集水量和收集时间，基于收集水量和收集时间得到尾排水生成速率，将尾排水生成速率作为尾排水初始标定值。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统水平衡监测方法，其特征在于，所述基于收集水量和收集时间得到尾排水生成速率，包括：

收集水量除以收集时间得到尾排水生成速率。

4.根据权利要求2所述的燃料电池系统水平衡监测方法，其特征在于，所述收集尾排水中，尾排水是阴极尾气中的冷凝水和/或阳极尾气中的冷凝水。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统水平衡监测方法，其特征在于，所述在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2中，所述设定位置基于设置在尾排水实时收集装置中的液位传感器得到。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统水平衡监测方法，其特征在于，所述在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2，包括：

当尾排水实时收集装置中的尾排水达到设定位置时，排放尾排水实时收集装置中的尾排水。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统水平衡监测方法，其特征在于，所述基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果，包括：

当V1大于V0为水淹，当V1小于V0为膜干。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统水平衡监测方法，其特征在于，所述基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果中，标定生成的水量V0的误差设定为10%。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统水平衡监测方法，其特征在于，所述基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果包括：

若0.9 V0<V1<1.1V0，则水平衡为正常状态，若V1>1.1V0，则为水淹，增加空气流量进行吹扫，将燃料电池电堆内部水排出，若V1<0.9V0，则为膜干，降低电堆温度，增加空气湿度。

10.一种燃料电池系统水平衡监测装置，其特征在于，包括：

标定模块，用于在燃料电池发动机极化曲线测试过程中，获取燃料电池不同工作电流下的尾排水初始标定值；

记录模块，用于在燃料电池运行过程中，记录燃料电池初始时间t1和燃料电池尾排水达到设定位置的时间t2，并记录时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流；

标定值获取模块，用于基于时间t1和时间t2之间燃料电池的工作电流得到对应工作电流的尾排水初始标定值；

计算模块，用于基于时间t1、时间t2和对应工作电流的尾排水初始标定值得到标定生成的水量V0；

实际水量模块，用于基于设定位置得到燃料电池在时间t1至时间t2的实际生成的水量V1；

监测模块，用于基于实际生成的水量V1和标定生成的水量V0的对比结果得到监测结果。

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