CN113782778B - 基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法及装置 - Google Patents

基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法及装置，其中，方法包括以下步骤：通过DCDC周期性的施加固定高频交流电压激励给燃料电池的电堆，以测量电堆的高频阻抗；判断高频阻抗是否大于膜干阈值；如果大于膜干阈值，则判定燃料电池处于膜干状态，否则，采集燃料电池的反应气体的压力值，并在压力值大于水淹阈值时，判定燃料电池处于水淹状态，以在线监测燃料电池的当前状态。该方法可以实现对膜干和水淹的精确诊断，且可以在线实时应用，简单易实现。

Description

基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法及装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法及装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池以其高能量转换率、无污染、启动速度快、运行温度低等优势，在新能源机车、有轨电车、汽车、便携式电源及分布式发电等领域受到广泛的青睐。然而，目前PEMFC寿命较短、稳定性较差等不足，阻碍了PEMFC大规模的商业推广与应用。尤其是随着PEMFC功率的增大，水淹和膜干故障更容易发生，导致***的耐久性降低，工作性能受到影响，甚至导致剩余寿命缩短。准确揭示PEMFC水淹和膜干故障产生机理、有效诊断水淹和膜干故障状态以及探寻水淹和膜干故障发生后的解决措施，已逐渐成为研究焦点。
目前对PEMFC水淹和膜干故障的诊断方法，主要是基于模型、实验和数据驱动这三种诊断方法。基于模型的诊断方法主要是通过数学模型来模拟电池运行状态，因此，故障预测的准确性依赖于所建立模型的精度，高精度的模型往往结构复杂，计算时间较长，同时，燃料电池内部水气热相互耦合，时变性强，对建模提出了很高的要求；基于交流阻抗谱和膜阻抗的实验方法可依据单片电池的阻抗特征进行准确的故障定位，且能描述整个电堆的阻抗特征。
但是，通过频率扫描测试阻抗谱，多次测量取平均值获取单个频率点的阻抗，这些过程具有耗时长的缺点，阻碍了其在线诊断应用。当扫描单个频率点来表征阻抗时，用于反映水淹和膜干的阻抗指标，其对应频率点的选取较难，尤其是表征水淹故障的低频阻抗点。数据驱动的方法直接利用PEMFC运行时的数据作为训练数据进行测试，通过不同数学算法对数据进行处理来获取水淹、膜干和正常态的特征，再根据特征来判断其余数据下电池的工作状态。基于数据驱动的故障诊断方法可应用于在线诊断、大功率PEMFC电堆及多堆的水淹和膜干故障诊断，针对电堆中故障单片的定位具有较大优势。但算法所需时间、特征分类及故障识别准确率等需进一步改进提升。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法，该方法可以实现对膜干和水淹的精确诊断，且可以在线实时应用，简单易实现。
本发明的另一个目的在于提出一种基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法，包括以下步骤：通过DCDC周期性的施加固定高频交流电压激励给燃料电池的电堆，以测量所述电堆的高频阻抗；判断所述高频阻抗是否大于膜干阈值；如果大于所述膜干阈值，则判定所述燃料电池处于膜干状态，否则，采集所述燃料电池的反应气体的压力值，并在所述压力值大于水淹阈值时，判定所述燃料电池处于水淹状态，以在线监测所述燃料电池的当前状态。
本发明实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法，将阻抗作为膜干的指标，利用在线测量欧姆阻抗诊断膜干，并通过测量电堆运行时气体压力降来判断水淹情况，有效解决了定频阻抗检测对膜水淹状态诊断不准的问题，从而可以实现对膜干和水淹的精确诊断，且可以在线实时应用，简单易实现。
另外，根据本发明上述实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述燃料电池处于膜干状态时，还包括：确定膜干状态等级，以根据所述膜干状态等级确定膜运行参数调整值，其中，所述运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度；根据所述运行参数调整值调控所述参数中的一种或多种，以减缓膜干的程度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述燃料电池处于水淹状态时，还包括：确定水淹状态等级，以根据所述水淹状态等级确定运行参数调整值，其中，所述运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度；根据所述运行参数调整值调控所述参数中的一种或多种，以减缓水淹的程度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：根据所述燃料电池处于水淹状态时的压力降变化规律设置所述水淹阈值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述反应气体可以包括氢气和空气。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置，包括：测量模块，用于通过DCDC周期性的施加固定高频交流电压激励给燃料电池的电堆，以测量所述电堆的高频阻抗；判断模块，用于判断所述高频阻抗是否大于膜干阈值；调控模块，用于在如果所述高频阻抗大于所述膜干阈值时，判定所述燃料电池处于膜干状态，否则，采集所述燃料电池的反应气体的压力值，并在所述压力值大于水淹阈值时，判定所述燃料电池处于水淹状态，以在线监测所述燃料电池的当前状态。
本发明实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置，将阻抗作为膜干的指标，利用在线测量欧姆阻抗诊断膜干，并通过测量电堆运行时气体压力降来判断水淹情况，有效解决了定频阻抗检测对膜水淹状态诊断不准的问题，从而可以实现对膜干和水淹的精确诊断，且可以在线实时应用，简单易实现。
另外，根据本发明上述实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述燃料电池处于膜干状态时，所述调控模块进一步用于确定膜干状态等级，以根据所述膜干状态等级确定膜运行参数调整值，其中，所述运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度，根据所述膜运行参数调整值调控所述参数中的一种或多种，以减缓膜干的程度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述燃料电池处于水淹状态时，所述调控模块进一步用于确定水淹状态等级，以根据所述水淹状态等级确定运行参数调整值，其中，所述运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度，根据所述参数调整值调控所述水淹参数中的一种或多种，以减缓水淹的程度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：设置模块，用于根据所述燃料电池处于水淹状态时的压力降变化规律设置所述水淹阈值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述反应气体可以包括氢气和空气。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的燃料电池***的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法的流程图；
图3为根据本发明一个具体实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法的流程图；
图4为根据本发明一个实施例的电堆水管理模式示意图；
图5为根据本发明一个实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置的方框示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在介绍本发明实施例提出的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法及装置之前，先对燃料电池***进行阐述，如图1所示，燃料电池***包含有电堆、空气子***、氢气子***、热管理子***和电压转换装置。电堆包含有CVM电压巡检装置；电压转换装置主要为DCDC，除具有提高直流电压功能外，还可以定期给电堆高频电压激励；空气子***包含空气过滤器、空压机、中冷器、加湿器、背压阀、三通阀以及高精度空气压力传感器；氢气子***包含气水分离装置、高精度氢气压力传感器、氢气循环泵、喷射器、减压阀和氢瓶；热管理子***包含散热器、三通阀、水泵和PTC。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法。
图2是本发明一个实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法的流程图。
如图2所示，该基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法包括以下步骤：
在步骤S101中，通过DCDC周期性的施加固定高频交流激励给燃料电池的电堆，以测量电堆的高频阻抗。
可以理解的是，本发明实施例可以通过DCDC定期给电堆固定高频交流电压激励，测算燃料电池的定高频阻抗。
其中，交流阻抗的激励信号幅值可以为电堆工作电压或电流的5％-10％，频率为300Hz以上。
在步骤S102中，判断高频阻抗是否大于膜干阈值。
其中，膜干阈值可以根据具体情况进行设置或者标定，不做具体限定。
在步骤S103中，如果大于膜干阈值，则判定燃料电池处于膜干状态，否则，采集燃料电池的反应气体的压力值，并在压力值大于水淹阈值时，判定燃料电池处于水淹状态，以在线监测燃料电池的当前状态。
其中，反应气体可以包括氢气和空气；本发明实施例可以根据燃料电池处于水淹状态时的压力降变化规律设置水淹阈值。
具体而言，当阻抗值增大超过给定的阈值时，判定此时电池处于膜干状态；当定高频阻抗降低，并且空气子***或氢气子***进气口处高精度压力传感器测得的空气或氢气压力增大，对比***在该工况下标定的进气压力值，若超过给出的阈值，判定此时燃料电池处于水淹状态，从而可以基于定频阻抗和气体压降规律分别判别电池膜干和水淹的状态，实现燃料电池膜干和水淹的在线监测。
需要说明的是，本发明实施例利用定频阻抗判断电池的膜干状态，这是由于膜电阻可近似由阻抗谱的高频电阻进行描述，高频电阻越大，表明膜的质子传导率越低，膜水含量越低，但是阻抗测量方法对水淹故障诊断的准确性较差；因此，本发明实施例利用气体压降来判断膜的水淹，当发生水淹时，阴极压力降逐渐增加直到平衡，此时由于浓度梯度的影响，阴极侧的水反渗到阳极使阳极侧水含量增加，进一步导致阳极压力降增加。当发生膜干时，此时膜内水含量极低，压力降几乎不变，故膜干不能由直接压力降单一表征。本发明实施例通过将两种方法结合起来，取长补短，实现燃料电池膜干和水淹的在线监测。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当燃料电池处于膜干状态时，还包括：确定膜干状态等级，以根据膜干状态等级确定膜运行参数调整值，其中，运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度；根据膜运行参数调整值调控参数中的一种或多种，以减缓膜干的程度。
其中，可以根据高频阻抗输出的阻抗区间确定膜干状态等级，从而可以根据膜干的程度采取相应的措施，膜干参数调整值与膜干状态等级相对应，可以通过实验预先进行标定。
具体地：判定燃料电池处于膜干状态时，本申请实施例可以通过降低工作温度、减小出口流量，提高电堆压力、增加进气湿度和增大电流密度等措施，减缓膜干的程度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当燃料电池处于水淹状态时，还包括：确定水淹状态等级，以根据水淹状态等级确定运行参数调整值，其中，运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度；根据参数调整值调控参数中的一种或多种，以减缓水淹的程度。
其中，水淹状态等级可以根据气体压力值与理论压力值的压力差所处的压力区间确定，从而根据水淹的程度采取相应的措施，水淹参数调整值与水淹状态等级相对应，可以通过实验预先进行标定。
具体地，判定燃料电池处于膜干状态时，本申请实施例可以通过增加工作温度、增大出口流量，减少电堆压力、降低进气湿度和减小电流密度等措施，减缓水淹的程度。
下面将结合图3对基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法进行阐述，包括以下步骤：
(1)测量燃料电池的定频阻抗以及阴阳极处的实际气压值；
(2)基于定频阻抗和气体压降规律分别判别电池膜干和水淹的状态；
(3)阻抗值增大超过给定的阈值时，判定燃料电池处于膜干状态，进入如图4所示的增湿模式，增湿模式下采用的膜干处理措施如表1所示；如果未超过给定的阈值，则进一步判断实际气压值与理论气压值(标定值)之间的差值是否超过设置阈值，如果没有超过，则燃料电池处于如图4所示的正常状态；如果超过设置阈值，则判定燃料电池处于如图4所示的除水模式，除水模式下采用的水淹处理措施如表1所示。其中，表1为基于定频阻抗和气体压降规律判断膜干和水淹的处理措施表。
表1
处理措施 膜干状态 水淹状态
1 降低工作温度 增加工作温度
2 减小出口流量，提高电堆压力 增大出口流量，减少电堆压力
3 增加进气湿度 降低进气湿度
4 增大电流密度 减小电流密度
根据本发明实施例提出的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法，将阻抗作为膜干的指标，利用在线测量欧姆阻抗诊断膜干，并通过测量电堆运行时气体压力降来判断水淹情况，有效解决了定频阻抗检测对膜水淹状态诊断不准的问题，从而可以实现对膜干和水淹的精确诊断，且可以在线实时应用，简单易实现。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置。
图5是本发明一个实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置的方框示意图。
如图5所示，该基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置10包括：测量模块100、判断模块200和调控模块300。
其中，测量模块100用于通过DCDC周期性的施加固定高频交流电压激励给燃料电池的电堆，以测量电堆的高频阻抗；判断模块200用于判断高频阻抗是否大于膜干阈值；调控模块300用于在如果高频阻抗大于膜干阈值时，判定燃料电池处于膜干状态，否则，采集燃料电池的反应气体的压力值，并在压力值大于水淹阈值时，判定燃料电池处于水淹状态，以在线监测燃料电池的当前状态。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当燃料电池处于膜干状态时，调控模块300进一步用于确定膜干状态等级，以根据膜干状态等级确定膜运行参数调整值，其中，运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度，根据膜运行参数调整值调控参数中的一种或多种，以减缓膜干的程度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当燃料电池处于水淹状态时，调控模块300进一步用于确定水淹状态等级，以根据水淹状态等级确定运行参数调整值，其中，运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度，根据运行参数调整值调控参数中的一种或多种，以减缓水淹的程度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置10还包括：设置模块。其中，设置模块用于根据燃料电池处于水淹状态时的压力降变化规律设置水淹阈值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，反应气体可以包括氢气和空气。
需要说明的是，前述对基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控装置，将阻抗作为膜干的指标，利用在线测量欧姆阻抗诊断膜干，并通过测量电堆运行时气体压力降来判断水淹情况，有效解决了定频阻抗检测对膜水淹状态诊断不准的问题，从而可以实现对膜干和水淹的精确诊断，且可以在线实时应用，简单易实现。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于定频阻抗和气体压力值的电堆水管理调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过DCDC周期性的施加固定高频交流电压激励给燃料电池的电堆，以测量所述电堆的高频阻抗，其中，激励的信号幅值为电堆工作电压或电流的5%-10%，频率为300Hz以上；
判断所述高频阻抗是否大于膜干阈值；以及
如果大于所述膜干阈值，则判定所述燃料电池处于膜干状态，否则，采集所述燃料电池的反应气体的压力值，并在所述压力值大于水淹阈值时，判定所述燃料电池处于水淹状态，以在线监测所述燃料电池的当前状态；
所述反应气体包括氢气和空气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述燃料电池处于膜干状态时，还包括：
确定膜干状态等级，以根据所述膜干状态等级确定膜运行参数调整值，其中，所述运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度；
根据所述运行参数调整值调控所述运行参数中的一种或多种，以减缓膜干的程度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述燃料电池处于水淹状态时，还包括：
确定水淹状态等级，以根据所述水淹状态等级确定膜运行参数调整值，其中，所述运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度；
根据所述运行参数调整值调控所述运行参数中的一种或多种，以减缓水淹的程度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述燃料电池处于水淹状态时的压力降变化规律设置所述水淹阈值。
5.一种基于定频阻抗和气体压力值的电堆水管理调控装置，其特征在于，包括：
测量模块，用于通过DCDC周期性的施加固定高频交流电压激励给燃料电池的电堆，以测量所述电堆的高频阻抗，其中，激励的信号幅值为电堆工作电压或电流的5%-10%，频率为300Hz以上；
判断模块，用于判断所述高频阻抗是否大于膜干阈值；以及
调控模块，用于在如果所述高频阻抗大于所述膜干阈值时，判定所述燃料电池处于膜干状态，否则，采集所述燃料电池的反应气体的压力值，并在所述压力值大于水淹阈值时，判定所述燃料电池处于水淹状态，以在线监测所述燃料电池的当前状态；
所述反应气体包括氢气和空气。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，当所述燃料电池处于膜干状态时，所述调控模块进一步用于确定膜干状态等级，以根据所述膜干状态等级确定膜运行参数调整值，其中，所述运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度，根据所述运行参数调整值调控所述运行参数中的一种或多种，以减缓膜干的程度。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，当所述燃料电池处于水淹状态时，所述调控模块进一步用于确定水淹状态等级，以根据所述水淹状态等级确定运行参数调整值，其中，所述运行参数包括电堆工作温度、出口流量、电堆压力、进气湿度和电流密度，根据所述运行参数调整值调控所述运行参数中的一种或多种，以减缓水淹的程度。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
设置模块，用于根据所述燃料电池处于水淹状态时的压力降变化规律设置所述水淹阈值。
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