CN104037433B - 一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电***的工作状态进行检测，包括控制器和参数检测单元；在所述参数检测单元中设置有燃料流量计、可燃气体探测器、温度传感器和电压传感器，所述参数检测单元将检测到的各类参数传输至控制器，用于燃料电池供电***的故障检测和工作性能指标的计算。本发明的燃料电池监测设备结构简单、紧凑，体积小，成本低，适合应用在海洋浮标中，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电***的工作性能指标进行实时检测，并在燃料电池供电***发生故障时实现对故障类型地及时诊断和报警，由此大大提高了供电***运行的安全性和可靠性，方便了***的调试和维护工作。

Description

一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备

技术领域

本发明属于电池检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于对安装在海洋浮标上的燃料电池的运行状况以及可能发生的故障进行监测的燃料电池监测设备。

背景技术

燃料电池作为一种新能源供电技术，最大的优势就是能量密度特别高。因此，在同等的体积和质量条件下，燃料电池能够为海洋浮标提供更长久的续航能力。

燃料电池供电***因为由多个器件、多个仪表和多个控制单元组成，***参数多而且参数之间存在很强的非线性动态耦合特性，所以，燃料电池发电***的结构集成和控制设计十分重要，也十分复杂。针对海洋浮标的特殊应用环境和要求，燃料电池供电***要求高度的集成化和小型化，强调***长期自动化运行的可靠性和高效性。

通过近两年的科研攻关，我国已经研制出一套可适用于海洋浮标的固体氧化物燃料电池供电设备样机,并通过大量的***功能测试，开始安装到海洋浮标的舱体内进行自主的示范运行。在示范运行期间，为了更好地了解燃料电池供电***的运行情况，确保其长期运行的安全性和可靠性，需要对燃料电池的工作状况进行实时或定时的监测。但是，目前应用于燃料电池供电***的成熟测试平台虽然功能强大，但是体积庞大而且成本很高，不适合在海洋浮标舱体内的实际应用。而且，这些测试平台缺少对燃料电池供电***的故障检测功能，因此不适合针对海洋浮标应用的燃料电池供电***示范运行的监测要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电***的运行状况以及可能发生的故障进行自动检测和识别。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电***的工作状态进行检测，包括控制器和参数检测单元；在所述参数检测单元中设置有燃料流量计、可燃气体探测器、温度传感器和电压传感器，所述参数检测单元将检测到的各类参数传输至控制器，用于燃料电池供电***的故障检测；其中，所述故障检测包括以下的一种或多种：

燃料泄漏故障检测：在燃料电池供电***的外部安装可燃气体探测器，所述控制器接收可燃气体探测器输出的检测信号，当接收到可燃气体探测器输出的表示检测到可燃气体的有效信号时，判定***发生燃料泄漏故障；

电堆向外泄露氢气故障检测：利用温度传感器检测燃料电池的电堆内部温度和燃烧室内部温度；若检测到电堆内部温度小于600℃、且燃烧室内部温度的下降速度超过5-10%/min，并且控制器检测到发生燃料泄漏故障时，则判定***发生电堆向外泄露氢气故障；

电堆发生燃气泄漏并燃烧故障检测：利用电压传感器检测通过燃料电池供电***输出的电压值，并通过温度传感器检测通过电堆排出的燃气温度和空气温度；若检测到通过电堆排出的燃气温度和空气温度的上升速度均超过1℃/min，且***输出电压的下降速度超过0.1V/min，则判定电堆发生燃气泄漏并产生燃烧；

换热器管道破裂导致漏热故障检测：利用温度传感器检测输入到燃料电池的燃烧室中的空气温度和氢气温度，以及输入到换热器的烟气温度；若三个温度均下降，但燃烧室的内部温度不变，则判定换热器的管道发生破裂并导致漏热；

燃料供应故障检测：利用燃料流量计检测进入燃料电池中重整器的燃料流量，若采集到的燃料流量与设定的流量值相比，差值超过设定阈值W，则判定***燃料供应不正常。

进一步的，所述故障检测还包括***运行温度过高故障检测：利用温度传感器分别检测燃料电池供电***在运行期间内，其重整器、换热器、燃烧室和电堆的内部温度，若检测到有一个温度超出与之对应的安全阈值，则判定***的运行温度过高。

优选的，所述重整器的内部温度的安全阈值为900℃；所述换热器的内部温度的安全阈值为900℃；所述燃烧室的内部温度的安全阈值为940℃；所述电堆的内部温度的安全阈值为900℃;在所述燃料供应故障检测中，所述设定的流量值根据燃料电池供电***的输出功率确定，所述设定阈值W等于0.5SLM。

又进一步的，所述故障检测还包括***电压突变故障检测：利用电压传感器检测通过燃料电池供电***输出的电压值，若连续两次检测到的电压值的差值超过0.1V，则判定***电压发生突变。

优选的，所述温度传感器设置有多个，用于检测重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部温度的温度传感器，分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器内部侧壁的正中心部位；用于检测输入到燃烧室中的空气和氢气温度的温度传感器，对应安装在与燃烧室的空气入口和氢气入口对应连通的输气管道中且紧邻燃烧室的位置；用于检测通过电堆排出的空气和燃气温度的温度传感器，对应安装在与电堆的空气出口和燃气出口对应连通的输气管道中且紧邻电堆的位置；用于检测输入到换热器中的烟气温度的温度传感器，安装在与换热器的烟气入口连通的输气管道中且紧邻换热器的位置。

作为所述温度传感器的一种优选安装方式，在将所述温度传感器安装到各监测点时，在对应每个监测点的输气管道上或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的侧壁上分别开设通孔，在输气管道的外壁或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的外侧壁上与所述通孔相对应的位置分别安装一个底座，将所述温度传感器通过通孔伸入到输气管道中或者伸入到重整器、电堆、燃烧室、换热器的内部，并固定在底座上，然后通过活动卡套对所述通孔进行密封。

优选的，所述温度传感器均为热电偶温度传感器；所述可燃气体探测器安装在距离电堆上方0.3m的位置处。

为了对燃料电池供电***的工作性能指标进行检测，本发明在所述参数检测单元中还设置有用于检测通过燃料电池供电***输出的电流大小的电流传感器，以及用于检测燃料电池供电***中通过鼓风机排出的空气流量的空气流量计；所述控制器根据参数检测单元反馈的检测信号生成燃料电池供电***的工作性能指标；所述工作性能指标包括以下的一种或多种：

燃料在线消耗量，根据燃料流量计采集到的进入重整器的燃料流量确定；

空气在线消耗量，根据空气流量计采集到的鼓风机排出的空气流量确定；

燃料利用率，根据单位燃料参加电化学反应放出的电子数以及采集到的供电***输出的电流值，计算出电化学反应消耗的燃料量，再除以进入重整器的燃料流量，得到燃料利用率；

空气过量比，根据进入重整器的燃料流量计算参加***反应的空气流量；利用鼓风机排出的空气流量除以参加***反应的空气流量，得到空气过量比；

燃料电池供电***的电效率，根据电压传感器和电流传感器采集到的***输出电压和输出电流，计算电堆的输出功率，然后除以与燃料流量相关的燃料燃烧热值能量，得到***的电效率；

燃料电池供电***的净电效率，利用电堆的输出功率减去鼓风机的寄生功耗，然后再除以燃料燃烧热值能量，得到***的净电效率；

燃料电池供电***的能量密度，根据电压传感器和电流传感器采集到的***输出电压和输出电流，结合已知的***参数计算得到。

为了能够在现场观测到燃料电池供电***的故障检测结果和工作性能指标，本发明在所述燃料电池监测设备中还设置有显示单元，连接所述的控制器，所述控制器将生成的故障信号和工作性能指标发送至显示单元显示输出，供现场人员观测。

为了对燃料电池供电***的故障检测结果和工作性能指标进行远程监控，本发明在所述燃料电池监测设备中还设置有无线通信模块，所述控制器将生成的故障信号和工作性能指标发送至无线通信模块，通过无线通信模块以无线传输的方式发送至远程的岸站监测站。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的燃料电池监测设备结构简单、紧凑，体积小，成本低，适合应用在海洋浮标中，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电***的工作性能指标进行实时检测，并在燃料电池供电***发生故障时实现对故障类型地及时诊断和报警，由此大大提高了供电***运行的安全性和可靠性，方便了***的调试和维护工作。此外，通过将检测到的故障类型以及***的工作性能指标以无线的方式发送至远程的岸站监测站，从而实现了远程工作人员对投放在海洋中各监测点的燃料电池供电***的远程监控，确保了***长期运行的稳定性。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的燃料电池监测设备的一种实施例的***架构示意图；

图2是本发明所提出的燃料电池监测设备的一种实施例的电路原理框图；

图3A、图3B是本发明所提出的燃料电池监测设备执行故障检测过程的一种实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

本实施例的燃料电池监测设备主要由控制器和参数检测单元等部分组成，其中，控制器作为整个装置的核心部件，内置于壳体中，并与外置壳体的参数检测单元相连接，接收参数检测单元输出的检测信号。所述参数检测单元用于在燃料电池供电***的运行期间内，对供电***的各项工作参数进行实时检测，具体可包括燃料流量计、空气流量计、可燃气体探测器、温度传感器、电压传感器和电流传感器等主要检测元件，对影响燃料电池供电***安全运行的各项工作参数实现全方位的检测。

结合现有燃料电池供电***的具体构成：通常都设置有重整器、电堆、燃烧室、换热器和鼓风机等主要组成部分，本实施例对参数检测单元中各个检测元件在燃料电池供电***中的具体安装位置进行专门设计，以期在保证检测精度的前提下，确保检测元件及***运行的安全性和可靠性。具体来讲，本实施例优选将燃料流量计安装在重整器的燃料入口处，对进入到重整器的燃料流量进行检测；将空气流量计安装在鼓风机的出口位置，对通过鼓风机排出的空气的流量进行检测；将可燃气体探测器安装在燃料电池供电***的外部，对泄露到供电***外部的可燃气体进行及时监测，具体可以固定安装在距离电堆上方0.3m的位置处，由于可燃气体密度小于空气，当其泄露后会扩散上浮，因此将可燃气体探测器安装在电堆上方，可以有效地检测到泄露的可燃气体；将电压传感器和电流传感器分别连接在燃料电池的供电输出线路中，对通过燃料电池输出的电压和电流进行检测；对于温度传感器来说，由于供电***中需要监测温度变化的点比较多，因此可以设置多个温度传感器，分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部以及与电堆、燃烧室和换热器对应连通的输气管道中，对需要测温的各个监测点进行实时地温度检测。

在本实施例中，主要列举了九处需要观察温度变化的监测点，分别是：重整器内部温度、换热器内部温度、燃烧室内部温度、电堆内部温度、输入到燃烧室的空气温度和氢气温度、通过电堆排出的空气温度和燃气温度、输入到换热器的烟气温度。因为在所有的燃料电池中，固体氧化物燃料电池的工作温度最高，属于高温燃料电池，工作温度一般在700～1000℃。因此，本实施例中用于检测燃料电池供电***的温度参数的温度传感器最好选择测温范围广、测量精度高的K型热电偶温度传感器。K型热电偶温度传感器可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度，且同时具有线性度好、热电动势大、灵敏度高、稳定性和均匀性好、抗氧化性能强等优点，因此非常适合应用于固体氧化物燃料电池的***测温。

鉴于***工作过程中是高浓度的可燃气体在高温下反应，在精确测量上述各监测点的温度的同时，还需要保证温度传感器和供电***能够安全稳定的运行。所以，在本实施例中，用于测量燃烧室、电堆、重整器、换热器内部温度的热电偶温度传感器可以分别安装在燃烧室、电堆、重整器、换热器内部的侧壁上，且最好位于侧壁的正中心部位。具体安装固定方式可以是：在所述侧壁的正中心部位钻孔，即开设通孔，并在所述侧壁的外侧与所述通孔相对应的位置焊接一个底座，将热电偶温度传感器的探头通过通孔伸入到燃烧室、电堆、重整器、换热器的内部且调整其位置到合适的位置后，将所述热电偶温度传感器固定到底座上，具体可以采用螺纹连接方式安装固定，然后再利用活动卡套对所述通孔进行密封，从而保证热电偶温度传感器的安装和固定不会影响燃烧室、电堆、重整器和换热器的内部结构和功能，同时能够准确测量到燃烧室、电堆、重整器和换热器的内部温度。在本实施例中，用于测量电堆、燃烧室、换热器出入口气体温度的热电偶温度传感器均被安装在紧邻电堆、燃烧室、换热器的出入口的输气管道上，这样可以最大限度的减小热电偶安装后对***运行的影响，并可以精确地检测所需的被测温度。具体来讲，可以将用于检测输入到燃烧室中的空气温度的热电偶安装在与燃烧室的空气入口相连通的输气管道中，且紧邻燃烧室的位置处；将用于检测输入到燃烧室中的氢气温度的热电偶安装在与燃烧室的氢气入口相连通的输气管道中，且紧邻燃烧室的位置处；将用于检测通过电堆排出的空气温度的热电偶安装在与电堆的空气出口（即电堆的阴极）相连通的输气管道中，且紧邻电堆的位置处；将用于检测通过电堆排出的燃气温度的热电偶安装在与电堆的燃气出口（即电堆的阳极）相连通的输气管道中，且紧邻电堆的位置处；将用于检测输入到换热器中的烟气温度（即高热气体）的热电偶，安装在与换热器的烟气入口相连通的输气管道中，且紧邻换热器的适当位置。对于热电偶在输气管道上的具体安装方式，可以采用在输气管道上已确定的各温度监测点的位置钻孔，即在输气管道的管壁上形成通孔，然后在输气管道的外壁开设通孔的位置处焊接一个底座，将热电偶的探头通过通孔伸入到输气管道中，并调整到适当的位置后，将热电偶固定在底座上，并通过活动卡套对所述通孔进行密封，保证热电偶能正常工作并且气体不会通过热电偶的安装部位向外泄露。

当然，各个检测元件的具体安装位置和固定方式也可以采用其他设计方式，本实施例并不仅限于以上举例。

对于本实施例所使用的各类检测元件，其中，燃料流量计、空气流量计、温度传感器、电压传感器和电流传感器可以选用模拟量传感器，输出模拟量的检测信号，传输至多路选择可编程增益放大器，参见图2所示。所述多路选择可编程增益放大器接收控制器输出的通道选择信号和增益控制信号，进而选通其中一路模拟信号并进行增益放大处理后，输出至A/D转换器，通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，传输至锁存器1进行数据锁存，然后通过整形滤波隔离电路进行处理后，输出至所述的控制器。控制器通过控制多路选择可编程增益放大器依次选通与其连接的各路检测元件，从而实现对各个工作参数的采集。在本实施例中，所述A/D转换器优选采用12位A/D转换器，以提高模数转换精度。

为了方便本实施例的监测设备在日后的使用过程中增设更多的模拟检测元件，完成更多的检测任务，本实施例在监测设备上设置了18路模拟信号输入接口，其中13路分别与所述的燃料流量计、空气流量计、电压传感器、电流传感器和9个温度传感器一一对应连接，另外5路模拟信号输入接口预留。

对于本实施的可燃气体探测器，可以选用数字量传感器，输出数字量的检测信号传输至所述的控制器。例如，当可燃气体探测器检测到可燃气体时，输出高电平信号至控制器，若未检测到可燃气体，则输出低电平信号。控制器根据接收到的高低电平信号，判断供电***是否发生可燃气体泄露故障。

在本实施例中，优选在所述监测设备上设置4路数字量输入接口，其中一路连接所述的可燃气体探测器，另外三路预留，以便在后期使用过程中扩展接入更多的数字量检测元件，实现对供电***更多工作参数的检测。

综合考虑海洋浮标监测对功能、效率、功耗、成本等方面的要求，本实施例优选采用ARM控制器作为装置的核心处理器，对装置中的各功能电路实现协同控制。

下面结合燃料电池监测设备的上述结构设计方式，对燃料电池供电***在运行期间所达到的性能指标以及可能发生的故障类型的检测方法分别进行详细地说明。

本实施例的燃料电池监测设备根据实时采集到的燃料电池的工作参数，针对海洋浮标应用的要求，对燃料电池供电***的主要性能指标进行检测，包括：燃料在线消耗量、空气在线消耗量、燃料利用率、空气过量比、***的电效率、净电效率和能量密度。由于海洋浮标的舱体空间有限，一方面要尽可能的携带燃料以尽量延长海洋浮标的续航能力，另一方面携带的燃料又受到体积和质量的限制。燃料电池作为一种在海洋浮标上应用的新的供电方式，需要通过示范运行，与目前的蓄电池和太阳能这些成熟的海洋浮标供电方式相比，判断是否更具有成本和性能上的优势。因此，对应用于海洋浮标上的燃料电池供电***进行工作性能指标的计算评估，对燃料电池供电技术在海洋装备上的应用具有重要的指导意义。

本实施例的燃料电池监测设备对燃料电池的各项工作性能指标的计算方法如下：

（1）燃料在线消耗量：等于燃料流量计采集到的进入重整器的燃料流量。

（2）空气在线消耗量：等于空气流量计采集到的鼓风机排出的空气流量。

（3）燃料利用率：根据单位燃料参加电化学反应放出的电子数以及采集到的供电***输出的电流值，计算出电化学反应消耗的燃料量，再除以进入重整器的燃料流量，得到燃料利用率。

具体过程为：燃料电池直接将化学能转换成电能，电化学反应式为：

;

根据电化学反应原理，如果燃料电池直接利用氢气作为燃料，那么电化学反应消耗的燃料量可以根据采集到的输出电流计算得到：

;

其中，是氢气的摩尔质量，值为；n为已知燃料电池电堆中的单电池个数；I为采集到的***输出电流；F是法拉第常数。如果燃料电池利用其它含氢物质作为燃料，只要首先计算出电化学反应消耗的氢气量，然后根据摩尔质量的关系就可以计算出对应消耗的燃料量。例如，燃料电池将甲烷作为燃料，的摩尔质量为，则燃料电池电化学反应消耗的燃料量等于：

。

利用电化学反应消耗的燃料量除以采集到的进入重整器的燃料流量，即可得到燃料利用率，计算公式为：。

（4）空气过量比：根据进入重整器的燃料流量计算参加***反应的空气流量；利用鼓风机排出的空气流量除以参加***反应的空气流量，得到空气过量比。

具体过程为：根据电化学反应原理，反应消耗的氧气流量也可以根据采集到的输出电流计算得到，即：

；

其中，是氧气的摩尔质量，值为。空气中氧气的质量分数是23.15%，因此，对应得到电化学反应消耗的空气量为：

；

利用采集到的通过鼓风机吹出的空气的流量除以电堆反应消耗的空气流量，可以得到空气过量比为：。

（5）燃料电池供电***的电效率：根据电压传感器和电流传感器采集到的***输出电压V和输出电流I，计算电堆的输出功率，然后除以与燃料流量相关的燃料燃烧热值能量，得到***的电效率；其计算公式为：

，

其中，燃料燃烧热值能量等于***消耗的燃料（即采集到的进入重整器的燃料流量）乘以燃料的低热值。

（6）燃料电池供电***的净电效率：利用电堆的输出功率减去鼓风机的寄生功耗，然后再除以燃料燃烧热值能量，即可得到***的净电效率；其计算公式为：

；

其中，鼓风机的寄生功耗随鼓风机的转速变化而变化，因此根据采集到的鼓风机的空气流量可以计算得到鼓风机的寄生功耗为：

；

上式中，为鼓风机的额定功率；为鼓风机的额定流量，均为选定鼓风机的已知参数。

（7）燃料电池供电***的能量密度：根据电压传感器和电流传感器采集到的***输出电压V和输出电流I，结合已知的***参数计算得到。其中，供电***的质量比能量密度为：；供电***的体积比能量密度为：。

上式中，t是供电***连续运行的时间长度（单位：小时）；m是供电***的质量；v是供电***的体积。

上述是如何根据检测到的供电***的工作参数去计算***的主要性能指标的方法，也是用于海洋浮标的燃料电池监测设备之所以监测一些流量、温度、电压和电流数据的原因。

安装在海洋浮标舱体内的燃料电池监测设备基于实时采集到的燃料电池的工作参数，对供电***进行***发生燃料泄漏、***运行温度过高、***电压突变、电堆向外泄露氢气、电堆发生燃气泄露并燃烧、换热器管道破裂导致漏热和燃料供应故障等事故进行检测和识别。

下面结合图3A和图3B对燃料电池供电***的运行故障检测过程进行详细阐述，具体包括以下故障检测过程：

S301、通过控制器采集当前时刻t燃料电池供电***的各项工作参数；

S302、进行燃料泄漏故障检测；

具体为：控制器接收来自可燃气体探测器输出的检测信号，若所述检测信号为表示检测到可燃气体的有效信号，例如高电平信号，则判定***发生燃料泄漏故障。此时，控制器产生报警信号输出，并生成与该故障类型相对应的故障码。若接收到的来自可燃气体探测器输出的检测信号为无效信号，例如低电平信号，则转至步骤S304继续执行；

S303、进行电堆向外泄露氢气故障检测；

具体为：利用温度传感器检测燃料电池的电堆内部温度和燃烧室内部温度；若检测到电堆内部温度小于设定值，例如小于600℃，并且燃烧室的内部温度的下降速度超过设定阈值，例如5-10%/min，由于此时控制器已经检测到发生燃料泄漏故障，因此可以判定***发生电堆向外泄露氢气故障。此时，控制器产生报警信号输出，并生成与该故障类型相对应的故障码。如果这三个条件的其中之一不符合，均不判定***发生了电堆向外泄露氢气故障，此时可执行后续故障检测步骤；

S304、进行重整器运行温度过高故障检测；

具体为：根据安装在重整器内部的温度传感器反馈的检测信号，获得重整器的内部温度，判断是否大于设定值，例如900℃，若是，则判定重整器发生运行温度过高故障，通过控制器生成报警信号和与该故障类型对应的故障码；否则，继续执行后续检测步骤；

S305、进行换热器运行温度过高故障检测；

具体为：根据安装在换热器内部的温度传感器反馈的检测信号，获得换热器的内部温度，判断是否大于设定值，例如900℃，若是，则判定换热器发生运行温度过高故障，通过控制器生成报警信号和与该故障类型对应的故障码；否则，继续执行后续检测步骤；

S306、进行燃烧室运行温度过高故障检测；

具体为：根据安装在燃烧室内部的温度传感器反馈的检测信号，获得燃烧室的内部温度，判断是否大于设定值，例如940℃，若是，则判定燃烧室发生了运行温度过高故障，通过控制器生成报警信号和与该故障类型对应的故障码；否则，继续执行后续检测步骤；

S307、进行电堆运行温度过高故障检测；

具体为：根据安装在电堆内部的温度传感器反馈的检测信号，获得电堆的内部温度，判断是否大于设定值，例如900℃，若是，则判定电堆发生了运行温度过高故障，通过控制器生成报警信号和与该故障类型对应的故障码；否则，继续执行后续检测步骤；

S308、进行燃料供应故障检测；

具体为：将燃料流量计采集到的进入重整器的燃料流量，与事先设定的流量值进行比较，若两个值相差较大，则判定***燃料供应不正常，发生运行故障。在这里，重整器燃料流量的设定值是根据***输出功率设定的，例如当***输出功率为1000W时，燃料流量设定值为4SLM，如果采集到的进入重整器的燃料流量与设定值的差值超过设定阈值W，例如大于0.5SLM，则判定***燃料供应异常，通过控制器生成报警信号和与该故障类型对应的故障码；否则，继续执行后续检测步骤；

S309、进行***电压突变故障检测；

具体为：利用电压传感器检测通过燃料电池供电***输出的电压值，若连续两次检测到的电压值的差值超过设定值，例如超过0.1V，则判定***电压发生突变。此时，通过控制器生成报警信号和与该故障类型对应的故障码；否则，继续执行后续检测步骤；

S310、进行电堆发生燃气泄漏并燃烧故障检测；

具体为：检测燃料电池供电***输出的电压值以及通过电堆排出的燃气温度和空气温度；若检测到***输出电压的下降速度超过设定阈值，例如超过0.1V/min，并且通过电堆排出的燃气温度的上升速度大于设定值，例如大于1℃/min，并且通过电堆排出的空气温度的上升速度也超过设定值1℃/min，则判定电堆发生燃气泄漏并产生燃烧。此时，控制器产生报警信号输出，并生成与该故障类型相对应的故障码。如果这三个条件的其中之一不符合，均不判定***发生了电堆发生燃气泄漏并燃烧故障，此时可执行后续故障检测步骤；

S311、进行换热器管道破裂导致漏热故障检测；

具体为：检测输入到的燃烧室中的空气温度和氢气温度，以及输入到换热器的烟气温度；若三个温度均下降，但燃烧室的内部温度不变，则判定换热器的管道发生破裂并导致漏热。此时，通过控制器产生报警信号输出，并生成与该故障类型相对应的故障码；否则，执行后续步骤；

S312、令t=t+△t，返回步骤S301，进行下一轮故障检测过程。

为了方便对供电***的工作参数以及故障检测结果和工作性能指标进行现场观测，可以在监测设备上设置显示单元，例如液晶显示器，连接所述的控制器，如图2所示，将控制器接收到的工作参数以及生成的故障检测结果和工作性能指标通过液晶显示器显示输出，供现场工作人员监测。

如图2所示，在本实施例的监测设备中还设置有大容量的SD卡数据存储模块，用于对检测到的各类工作参数、故障检测结果以及***的工作性能指标进行存储。作为本实施例的一种优选设计方案，所述控制器优选通过其SPI接口与SD卡数据存储模块连接通信。通过控制器输出的数据DATA_OUT和片选信号CS可以直接通过SPI总线的相应信号线传输至SD卡数据存储模块；通过控制器输出的时钟信号SCLK以及由SD卡数据存储模块传输至控制器的输入数据DATA_IN可以经由一个锁存器2缓存后，再进行传输。将所述锁存器2与一实时时钟芯片（RTC时钟芯片）连接，通过RTC时钟芯片提供当前的工作时钟，以方便存储记录时间并进行时间校准。

对于监测设备中各用电负载所需的工作电源，可以采用在装置中设置稳压电源模块的方式，例如设置5V稳压电源模块、3.3V稳压电源模块等，将海洋浮标提供的+12V直流电源转换成+5V直流电源和+3.3V直流电源，为不同的用电负载供电。例如：+5V直流电源可以为控制器、RTC时钟芯片供电；+3.3V直流电源可以为SD卡数据存储模块等供电。

考虑到本实施例所提出的燃料电池监测设备的特殊工作环境，本实施例将图2所示的控制器、显示器、稳压电源模块、SD卡数据存储模块、多路选通可编程增益放大器、A/D转换器、锁存器1、2以及整形滤波隔离电路等除参数检测单元以外的其他电子部件内置于一封闭的壳体中，并通过防水插头外接所述的参数检测单元。将整个装置设置于海洋浮标的舱体内，并将参数检测单元中的各检测元件安装于海洋浮标舱体内燃料电池供电***的相应部位。

为了方便工作在岸站监测站的工作人员随时观察投放在待测海域中各个海洋浮标舱内燃料电池供电***的工作状态，本实施例在所述燃料电池监测设备中还设置有无线通信模块，连接所述的控制器，将控制器处理输出的工作参数、故障检测结果以及***的工作性能指标转换成无线信号，发送至远程的岸站监测站，结合图1、图2所示。

作为本实施例的一种优选设计方案，所述无线通信模块优选采用北斗通信模块，经由北斗卫星实现监测数据的远程传输。具体来讲，可以在监测设备的壳体上设置RS232串口，通过RS232串口外接北斗通信模块，例如北斗卫星发送机，在壳体内部设置TTL-RS232电平转换芯片，通过TTL-RS232电平转换芯片连接控制器的UART接口UART1，将控制器输出的TTL电平信号转换成RS232串行数据，传输至北斗卫星发送机，通过北斗卫星发送机转换成射频信号，经由北斗卫星发送至岸站监测站。岸站监测站利用其安装的北斗卫星接收机接收来自不同监测设备发来的监测数据，实现对安装在不同海洋浮标舱体内的燃料电池供电***的工作状况的随时监测。

当然，所述无线通信模块也可以采用其他支持无线通信的功能模块进行装置的整体设计，无线通信模块也可以安装在壳体的内部，本实施例对此不进行具体限制。

在本实施例的监测设备的壳体上还可以预留一个串口，参见图2所示，连接所述控制器的另外一路UART接口UART2，用于外接笔记本，实现对监测设备的现场调试。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电***的工作状态进行检测，其特征在于：包括控制器和参数检测单元；在所述参数检测单元中设置有燃料流量计、可燃气体探测器、温度传感器和电压传感器，所述参数检测单元将检测到的各类参数传输至控制器，用于燃料电池供电***的故障检测；

所述故障检测包括以下的一种或多种：

燃料泄漏故障检测：在燃料电池供电***的外部安装可燃气体探测器，所述控制器接收可燃气体探测器输出的检测信号，当接收到可燃气体探测器输出的表示检测到可燃气体的有效信号时，判定***发生燃料泄漏故障；

电堆向外泄露氢气故障检测：利用温度传感器检测燃料电池的电堆内部温度和燃烧室内部温度；若检测到电堆内部温度小于600℃、且燃烧室内部温度的下降速度超过5-10%/min，并且控制器检测到发生燃料泄漏故障时，则判定***发生电堆向外泄露氢气故障；

电堆发生燃气泄漏并燃烧故障检测：利用电压传感器检测通过燃料电池供电***输出的电压值，并通过温度传感器检测通过电堆排出的燃气温度和空气温度；若检测到通过电堆排出的燃气温度和空气温度的上升速度均超过1℃/min，且***输出电压的下降速度超过0.1V/min，则判定电堆发生燃气泄漏并产生燃烧；

换热器管道破裂导致漏热故障检测：利用温度传感器检测输入到燃料电池的燃烧室中的空气温度和氢气温度，以及输入到换热器的烟气温度；若三个温度均下降，但燃烧室的内部温度不变，则判定换热器的管道发生破裂并导致漏热；

燃料供应故障检测：利用燃料流量计检测进入燃料电池中重整器的燃料流量，若采集到的燃料流量与设定的流量值相比，差值超过设定阈值W，则判定***燃料供应不正常；

***运行温度过高故障检测：利用温度传感器分别检测燃料电池供电***在运行期间内，其重整器、换热器、燃烧室和电堆的内部温度，若检测到有一个温度超出与之对应的安全阈值，则判定***的运行温度过高；其中，所述温度传感器设置有多个，用于检测重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部温度的温度传感器分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器内部侧壁的正中心部位；用于检测输入到燃烧室中的空气和氢气温度的温度传感器，对应安装在与燃烧室的空气入口和氢气入口对应连通的输气管道中且紧邻燃烧室的位置；用于检测通过电堆排出的空气和燃气温度的温度传感器，对应安装在与电堆的空气出口和燃气出口对应连通的输气管道中且紧邻电堆的位置；用于检测输入到换热器中的烟气温度的温度传感器，安装在与换热器的烟气入口连通的输气管道中且紧邻换热器的位置。

2.根据权利要求1所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于：所述重整器的内部温度的安全阈值为900℃；所述换热器的内部温度的安全阈值为900℃；所述燃烧室的内部温度的安全阈值为940℃；所述电堆的内部温度的安全阈值为900℃;

在所述燃料供应故障检测中，所述设定的流量值根据燃料电池供电***的输出功率确定，所述设定阈值W等于0.5SLM。

3.根据权利要求1所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于：所述故障检测还包括：

***电压突变故障检测：利用电压传感器检测通过燃料电池供电***输出的电压值，若连续两次检测到的电压值的差值超过0.1V，则判定***电压发生突变。

4.根据权利要求1所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于：在将所述温度传感器安装到各监测点时，在对应每个监测点的输气管道上或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的侧壁上分别开设通孔，在输气管道的外壁或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的外侧壁上与所述通孔相对应的位置分别安装一个底座，将所述温度传感器通过通孔伸入到输气管道中或者伸入到重整器、电堆、燃烧室、换热器的内部，并固定在底座上，然后通过活动卡套对所述通孔进行密封。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于：所述温度传感器均为热电偶温度传感器；所述可燃气体探测器安装在距离电堆上方0.3m的位置处。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于：在所述参数检测单元中还设置有用于检测通过燃料电池供电***输出的电流大小的电流传感器，以及用于检测燃料电池供电***中通过鼓风机排出的空气流量的空气流量计；

所述控制器根据参数检测单元反馈的检测信号生成燃料电池供电***的工作性能指标；所述工作性能指标包括以下的一种或多种：

燃料在线消耗量，等于燃料流量计采集输出的进入重整器的燃料流量；

空气在线消耗量，等于空气流量计采集输出的鼓风机排出的空气流量；

燃料利用率，根据单位燃料参加电化学反应放出的电子数以及采集到的供电***输出的电流值，计算出电化学反应消耗的燃料量，再除以进入重整器的燃料流量，得到燃料利用率；

空气过量比，根据进入重整器的燃料流量计算参加***反应的空气流量；利用鼓风机排出的空气流量除以参加***反应的空气流量，得到空气过量比；

燃料电池供电***的电效率，根据电压传感器和电流传感器采集到的***输出电压和输出电流，计算电堆的输出功率，然后除以与燃料流量相关的燃料燃烧热值能量，得到***的电效率；

燃料电池供电***的净电效率，利用电堆的输出功率减去鼓风机的寄生功耗，然后再除以燃料燃烧热值能量，得到***的净电效率；

燃料电池供电***的能量密度，根据电压传感器和电流传感器采集到的***输出电压和输出电流，结合已知的***参数计算得到。

7.根据权利要求6所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于：在所述燃料电池监测设备中还设置有显示单元，连接所述的控制器，所述控制器将生成的故障信号和工作性能指标发送至显示单元显示输出。

8.根据权利要求6所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于：在所述燃料电池监测设备中还设置有无线通信模块，所述控制器将生成的故障信号和工作性能指标发送至无线通信模块，通过无线通信模块以无线传输的方式发送至远程的岸站监测站。