一种燃料电池系统电堆故障诊断方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统电堆故障诊断方法。

背景技术

燃料电池电堆由多片单体电池叠加而成。一台初始性能正常的燃料电池系统，在恶劣环境或复杂工况下运行时，电堆容易受到损伤，比如振动、冲击及受力不均等会使电堆双极板变形，而吸入不洁气体会使流道积累杂质，以上状况均会导致电堆阴极或阳极流道阻塞，从而减少通过流道的空气或氢气流量，使得相应的单电池性能下降，即单电压降低，进而影响电堆整体正常发电。因此，有必要对电堆流道阻塞故障进行准确的诊断，以便及时采取应对措施，避免燃料电池系统性能进一步恶化。

目前燃料电池电堆一般采用电压巡检模块监测单电池的电压，通过单电压的大小来判断单体电池的性能是否正常，但是影响单电压的因素比较多，比如阴极或阳极流道阻塞、阴极或阳极水淹、质子交换膜老化或损伤都会造成单电压降低，因此能准确区分单电压异常的不同原因是准确判断电堆流道是否阻塞的关键。

发明内容

本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池系统电堆故障诊断方法，对电堆流道是否阻塞做出准确判断，提高燃料电池系统运行可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统电堆故障诊断方法，包括以下步骤：

燃料电池系统处于正常运行过程中，实时检测电堆最大单电压、最小单电压和平均单电压，并计算平均单电压与最小单电压的电压差，针对电压差设置第一阈值和第二阈值，其中第一阈值>第二阈值；

当电压差小于第一阈值时，增加电堆阴极的空气流量，使得空气流量增量为ΔQ1；判断第一次监测电压差是否小于第二阈值；

若第一次监测的电压差小于第二阈值，则恢复空气流量，判断第二次监测电压差是否小于第二阈值；若第二次监测的电压差小于第二阈值，则诊断结果为单体电池阴极水淹，诊断结束；若第二次监测的电压差大于等于第二阈值，则诊断结果为单体电池阴极阻塞，诊断结束；

若第一次监测的电压差大于等于第二阈值，则恢复原电堆空气流量，增加氢气再循环量，氢气再循环量增量为ΔQ2，判断第三次监测电压差是否小于第二阈值；

若第三次监测的电压差小于第二阈值，恢复原氢气再循环量，判断第四次监测电压差是否小于第二阈值；

若第四次监测的电压差小于第二阈值，则诊断结果为单体电池阳极水淹，诊断结束；若第四次监测的电压差大于等于第二阈值，则诊断结果为单体电池阳极阻塞，诊断结束；

若第三次监测的电压差大于等于第二阈值，恢复原氢气再循环流量，保持空气、氢气再循环流量不变，减小电堆拉载电流，电流减小量为ΔI，判断第五次监测电压差；

若第五次监测的电压差小于第二阈值，则诊断为单体电池阴极与阳极均阻塞；若第五次监测的电压差大于等于第二阈值，则诊断为单体电池质子交换膜受到损伤，诊断结束。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明根据不同因素导致的电堆单电压低的不同特点，可以对电堆流道是否阻塞做出准确判断，从而采取应对措施，避免燃料电池系统性能进一步恶化，提高燃料电池系统运行可靠性；本发明的诊断方法，在原有燃料电池系统设备的基础上，无需增加额外的检测设备，既能够准确诊断电堆故障还能够大大节约成本。

附图说明

图1为本发明燃料电池系统的结构示意图。

图2为本发明空气或氢气流量与电堆电压的变化趋势图。

图3为本发明一种燃料电池系统电堆故障诊断方法的流程框图。

图4为本发明实施例中设置第一阈值和第二阈值的方式示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

本实施例公开一种燃料电池系统，如图1所示，包括电堆1、电压巡检模块11、空气子系统2和氢气子系统3，电堆1包括氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，空气子系统2包括空压机21、中冷器22和背压阀23，氢气子系统3包括供氢单元31、比例阀32、气水分离器33、排水排气阀34和氢气循环泵35；

其中，空压机21、中冷器22和空气入口依次连接，空气出口连接背压阀23；供氢单元31、比例阀32和氢气入口依次连接，氢气出口、气水分离器33和排水排气阀34依次连接，氢气循环泵35一端连接气水分离器33、另一端连接氢气入口。电压巡检模块11连接电堆1，用于对电堆1单体电池的单电压进行实时监测。

所述燃料电池系统运行时，在空气子系统2侧，空气由空压机21驱动，并经过中冷器22冷却后进入电堆1的阴极，并分配到电堆1各单体电池（电堆1由若干单体电池堆叠而成），反应后的空气废气经由背压阀23排出；在氢气子系统3侧，供氢单元31的提供高压氢气经比例阀32减压后进入电堆1阳极，并分配到电堆1各单体电池，氢气在电堆1阳极进行电化学反应后产生氢气和水蒸气，气水分离器33氢气和水蒸气进行分离，分离出的液态水通过排水排气阀34定期排出外界，阳极尾气通过氢气循环泵35驱动循环进入电堆1阳极。电压巡检模块11对电堆1单体电池的单电压进行实时监测。通过改变空压机21和氢气循环泵35的转速可以分别控制通过电堆1阴极的空气流量和阳极的氢气流量。

电堆1正常发电时，通过电堆1每一片单体电池的空气和氢气流量都应处于正常范围内，如果进入电堆1某单体电池的空气或氢气流量不足，出现欠氧或欠氢，则会产生过高的浓差过电势，使该单体电池的单电压偏低，而增加该单体电池空气或氢气流量时，则单体电池的电压会显著升高，当空气或氢气流量达到一定过量系数后，浓差过电势不再影响单体电池的单电压，再增加流量，则电压变化不再明显，如图2所示。利用这一特点，可以对电堆流道阻塞故障进行诊断,即当电堆最小单电压与电堆整体空气或氢气流量成明显正相关时，而平均单电压变化不大时，说明通过该最小单电压的单体电池的空气或氢气流量相对偏小，处于欠氧或欠氢的范围内，出现了流道阻塞。

本实施例公开一种燃料电池系统电堆故障诊断方法，如图3所示，包括以下步骤：

燃料电池系统处于正常运行，且各项运行参数（运行参数包括电堆空气流量、电堆氢气流量、电堆温度等）处于正常范围；电压巡检模块11实时检测电堆最大单电压、最小单电压和平均单电压，并计算平均单电压与最小单电压的电压差，针对电压差设置第一阈值和第二阈值，其中第一阈值>第二阈值，如图4所示。

当电压差小于第一阈值时，说明对应单体电池单电压出现异常，此时提高空压机21转速来增加电堆阴极的空气流量，使得空气流量增量为ΔQ1，假设增加空气流量前的空气流量为Q0，则增加空气流量后的空气流量Q1=Q0+ΔQ1；增加空气流量后，电压巡检模块11监测第一次监测电压差是否小于第二阈值；

若第一次监测的电压差小于第二阈值，说明对应单体电池单电压偏低是由于其阴极空气流量不足，则恢复空气流量（即空气流量恢复为Q0），电压巡检模块11第二次监测电压差是否小于第二阈值；

若第二次监测的电压差仍小于第二阈值，则说明对应单体电池产生了阴极水淹，导致其阴极空气流量不足，对应的处理手段一般为通过提高空气流量将积水吹走，从而恢复单电压，诊断结果为单体电池阴极水淹，诊断结束；若第二次监测的电压差大于等于第二阈值，则说明对应单体电池阴极空气流量不足是由其阴极流道阻塞导致，因而恢复原电堆空气流量后通过该单体电池的空气流量再次减少，造成单电压再次下降，诊断结果为单体电池阴极阻塞，诊断结束；

若第一次监测的电压差大于等于第二阈值，则说明对应单体电池单电压偏低与阴极空气流量无关，恢复原电堆空气流量（即空气流量恢复为Q0）后，通过提高氢气循环泵35转速增加氢气再循环量，氢气再循环量增量为ΔQ2，从而提高通过电堆1阳极的氢气再循环量，假设增加氢气再循环量前的氢气再循环量为Q10，则增加氢气再循环量后的氢气再循环量Q20=Q10+ΔQ2，电压巡检模块11第三次监测电压差是否小于第二阈值；

若第三次监测的电压差小于第二阈值，说明对应单体电池单电压偏低是由于其阳极氢气流量不足，恢复原氢气再循环量（即气再循环量恢复为Q10），电压巡检模块11第四次监测电压差是否小于第二阈值；

若第四次监测的电压差小于第二阈值，则说明对应单体电池产生了阳极水淹，导致其阳极氢气流量不足，通过提高氢气流量将积水吹走，从而单电压恢复，诊断结果为单体电池阳极水淹，诊断结束；若第四次监测的电压差大于等于第二阈值，则说明对应单体电池阳极氢气流量不足是由其阳极流道阻塞导致，因而恢复原电堆氢气流量后通过该单体电池的氢气流量再次减少，造成单电压再次下降，诊断结果为单体电池阳极阻塞，诊断结束；

若第三次监测的电压差大于等于第二阈值，恢复原氢气再循环流量（即气再循环量恢复为Q10）后，保持空气、氢气再循环流量不变，减小电堆1拉载电流，电流减小量为ΔI，阴极空气过量系数和阳极氢气过量系数均提高，电压巡检模块11第五次监测电压差；

若第五次监测的电压差小于第二阈值，则诊断为单体电池阴极与阳极均阻塞；若第五次监测的电压差大于等于第二阈值，则诊断为单体电池质子交换膜受到损伤，导致该单电池单电压整体下降，诊断结束。

由于各个电堆的功率或者单片电池数量会不一样，因此上述的第一阈值、第二阈值及ΔQ1、ΔQ2、ΔI的取值需要根据不同电堆的特性来赋值，赋值通过测验标定后来确定。

本实施例根据不同因素导致的电堆单电压低的不同特点，可以对电堆流道是否阻塞做出准确判断，从而采取应对措施，避免燃料电池系统性能进一步恶化，提高燃料电池系统运行可靠性；本实施例诊断方法，在原有燃料电池系统设备的基础上，无需增加额外的检测设备，既能够准确诊断电堆故障还能够大大节约成本。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。