[发明专利]在线监控和恢复燃料电池水状态的系统及方法

说明书

本发明涉及一种在线监控和恢复燃料电池水状态的系统，它的诊断分析单元计算电堆工作电流下的单电池电压标准方差，并与单电池电压标准方差参考值进行比较；诊断分析单元计算电堆工作电流下的单电池平均电压，并与单电池平均电压参考值进行比较；诊断分析单元在t时刻增加空气流量和排氢量，并持续Δt时间，比较t‑Δt时间内的|ΔV₁/ΔI₁|和t+Δt时间内的|ΔV₂/ΔI₂|，燃料电池控制器根据诊断分析单元的以上比较结果进行对应的燃料电池水状态控制。本发明能够在线监控燃料电池的水状态，并能够通过控制系统采取措施，使得燃料电池水状态恢复正常。

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体涉及一种在线监控和恢复燃料电池水状态的系统及方法。

背景技术

氢燃料电池是通过电化学反应，将燃料(氢气)的化学能转变成电能的装置。由于其显著的清洁、高效、低噪音等特性，已经正在广泛应用于交通等领域。

质子交换膜燃料电池的性能和膜的质子传导率密切相关，膜润湿充分，意味着质子电导率高，欧姆过电势低，相同电流下的电池电压高；与之相反，膜干燥，质子电导率低，欧姆过电势高，相同电流下的电池电压低。同时、长期工作在水淹或者干燥的情况下，膜电极的电化学性能以及耐久性也会显著受到影响。因此，燃料电池的水管理是直接影响燃料电池性能的关键因素。

公开号为CN103490083A的中国专利《一种燃料电池防水淹控制方法》，通过检测氢气的压力降，来评估燃料电池水状态；由于燃料电池堆通常有几片至几百片单电池组成，其中，某片或者某些单电池的水状态无法通过电堆进出口氢气压力降来检测；而且动态加减载时，堆进出口压力也会随之波动，难以和水淹引起的压力变化区分。

公开号为专利CN201610472255.7的中国专利《一种缓解电池水淹的燃料电池电池系统》，在电堆出口设置冷凝箱，通过冷凝风扇对出口空气尾气进行强制冷凝，提高电堆内外水蒸气的浓度梯度，加速水从电堆内排除，从而缓解燃料电池水淹；此方法对缓解电堆水淹有效，但是无法检测电堆里面某片或者某些单电池的水状态，而且可能会导致燃料电池膜干燥。

公开号为CN201811413076.1的中国专利《一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统》，包括一个单电池选通单元、检测单元、控制单元以及故障诊断单元；对测量的单片电池电压信号进行小波变换，分解，诊断出某一时刻燃料电池的某一区域发生水淹。燃料电池水的生成和电流是密切相关的，仅仅检测电压的变化，可能无法精确检测动态输出时燃料电池的水状态。

公开号为CN201811520455.0的中国专利《一种基于阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断》，通过建立质子交换膜燃料电池的电化学等效电路模型，测量得到质子交换膜燃料电池的电化学阻抗谱，用电化学阻抗谱拟合求解电化学等效电路模型中的参数，然后通过故障诊断算法对质子交换膜燃料电池进行分类处理，得到膜干、水淹、空气饥饿等故障诊断。此专利方法，需要给燃料电池输入一个较小的交流电信号，诊断系统设备复杂，尤其是在车载使用时，此方法实现难度更高。

公开号为CN201811521690.X的中国专利《一种在线排除燃料电池缺气和水淹的方法》，通过采集初始时刻和具体时刻燃料电池电堆的性能参数，再根绝采集的性能参数分别计算前后两个时刻单节电池电压变化量，单电池均电压及其方差，最后根据计算得到燃料电池电堆处于的故障状态。引起燃料电池电压变化的因素较多，不仅仅水淹和缺气，膜干燥也会引起电压下降，难以通过单电池电压前后的变化，均电压及其方差，准确地检测电池缺气和水淹。

公开号为CN201710742977.4的中国专利《燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法》，通过检测电子负载两端的电压下降，来判断燃料电池内部是否发生了水淹。引起电子负载两端的电压下降因素较多，如膜干燥和水淹，两种相反的状态都会引起电压下降，在某些情况下，此专利方法可能不能准确反映膜的水含量。

发明内容