CN118136896A - 一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法及设备，属于燃料电池技术领域，用以解决现有的燃料电池故障诊断方法的诊断结果不全面的技术问题。方法包括：获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度；基于所述阴极侧磁场强度和所述阳极侧磁场强度，确定所述燃料电池的故障指标参数；基于所述故障指标参数，确定所述燃料电池发生故障。本发明中用于确定燃料电池发生故障的故障指标参数是基于阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度综合确定的，因此该方法得到的故障诊断结果更为全面。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法及设备。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，相比于传统的火力发电，燃料电池对环境的污染程度更低。
目前燃料电池仍然存在功率密度低、冷启动时间长、寿命短等亟需解决的问题，通常表现为氢饥饿、电极催化剂失活、膜损坏等现象，增加了维护成本。其根本原因在于燃料电池健康状态监测以及故障诊断方法仍然存在着一定的缺失和不足，无法对燃料电池***进行预防性维护和控制策略的自适应变化，制约着燃料电池汽车的大规模推广。
在一些技术中，在燃料电池的阴极侧放置磁通门传感器，根据阴极的外磁场的变化信息来确定燃料电池运行状态。该方法用于诊断燃料电池故障的指标不直观，且只对阴极侧的磁场信息进行采集，缺少对阳极侧的考虑，诊断结果不全面，该方法是应用在水淹或膜干故障的诊断，缺少基于外磁场对氢饥饿故障进行诊断的方法。
发明内容
本发明提供了一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法及设备，用以解决现有的燃料电池故障诊断方法的诊断结果不全面的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，包括：
获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度；
基于所述阴极侧磁场强度和所述阳极侧磁场强度，确定所述燃料电池的故障指标参数；
基于所述故障指标参数，确定所述燃料电池发生故障。
在一种可行的实施方式中，所述获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度，包括：
在所述燃料电池两侧对称设置两个磁通量传感器；
通过所述两个磁通量传感器，获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度。
在一种可行的实施方式中，所述故障指标参数包括双电池系数，所述基于所述阴极侧磁场强度和所述阳极侧磁场强度，确定所述燃料电池的故障指标参数，包括：
计算所述阴极侧磁场强度减去所述阳极侧磁场强度得到的差值；
通过所述差值确定所述燃料电池的双电池系数。
在一种可行的实施方式中，所述基于所述故障指标参数，确定所述燃料电池发生故障，包括：
在所述双电池系数大于0时，确定所述燃料电池发生氢饥饿故障。
在一种可行的实施方式中，在所述双电池系数大于0时，确定所述燃料电池发生氢饥饿故障，包括：
通过所述双电池系数的值，确定所述燃料电池发生氢饥饿故障的严重程度，所述氢饥饿故障的严重程度与所述双电池系数的值正相关。
在一种可行的实施方式中，所述燃料电池的故障指标参数包括膜电流变化系数，所述基于所述阴极侧磁场强度和所述阳极侧磁场强度，确定所述燃料电池的故障指标参数，包括：
计算所述阴极侧磁场强度与所述阳极侧磁场强度的和；
确定求和结果和时间之间的对应关系，并基于所述对应关系确定所述求和结果随时间的变化率；
基于所述求和结果随时间的变化率，确定所述燃料电池的膜电流变化系数。
在一种可行的实施方式中，所述基于所述故障指标参数，确定所述燃料电池发生故障，包括：
在所述膜电流变化系数由0变化为正值时，确定所述燃料电池发生水淹故障。
在一种可行的实施方式中，所述基于所述故障指标参数，确定所述燃料电池发生故障，包括：
在所述膜电流变化系数由0变化为负值时，确定所述燃料电池发生膜干故障。
在一种可行的实施方式中，通过所述膜电流变化系数的值，确定所述燃料电池发生水淹故障或膜干故障的严重程度，所述水淹故障或膜干故障的严重程度与所述膜电流变化系数的绝对值的大小正相关。
第二方面，本发明提供了一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断设备，所述设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有能够被所述至少一个处理器执行的指令，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一实施方式所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法。
本发明提供的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法及设备，与现有技术相比，具有以下有益的技术效果：
（1）本发明中用于确定燃料电池发生故障的故障指标参数是基于阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度综合确定的，因此该方法得到的故障诊断结果更为全面。
（2）本发明利用氢饥饿故障发生时独有的双电池机制，导致阴极磁场和阳极磁场不均匀分布的特性，将阴极侧磁场强度与阳极侧磁场强度之间的差值，即双电池系数作为氢饥饿故障确定的依据，该故障指标参数更为直观，便于进行氢饥饿故障的确定。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法的流程图；
图2为本发明提供的燃料电池发生氢饥饿故障引起的双电池机制示意图；
图3为本发明提供的膜电流、气体扩散层和极板上的侧向电流产生的磁场示意图；
图4为本发明提供的燃料电池发生氢饥饿故障时阴极侧磁场和阳极侧磁场的示意图；
图5为本发明提供的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过附图对本发明提出的技术方案进行详细的说明。
图1为本发明提供的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下执行步骤：
S101、获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度。
作为一种可能的实现方式，可以在燃料电池的阴极侧和阳极侧分别设置磁通量传感器，两个磁通量传感器相对于燃料电池是对称的，分别用于获取阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度。
在一些实施例中，如图4所示，可以在燃料电池的阴极侧极板和阳极侧极板的两侧分别设置磁通量传感器。
S102、基于阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度，确定燃料电池的故障指标参数。
作为一种可能的实现方式，燃料电池的故障指标参数包括双电池系数，双电池系数/>可以是阴极侧磁场强度/>减去阳极侧磁场强度/>得到的差值，即为，。
在一些实施例中，可以基于安装在阴极侧的磁通量传感器的检测数值减去安装在阳极侧的磁通量传感器的检测数值得到的差值，确定双电池系数。
作为一种可能的实现方式，燃料电池的故障指标参数包括膜电流变化系数，可以计算阴极侧磁场强度/>和阳极侧磁场强度/>的和，得到求和结果；确定求和结果和时间之间的对应关系，并基于对应关系确定求和结果随时间的变化率；基于求和结果随时间的变化率，确定燃料电池的膜电流变化系数/>，即为，。
S103、基于故障指标参数，确定燃料电池发生故障。
作为一种可能的实现方式，氢饥饿故障是燃料电池在氢气供应子***上发生的一种故障类型，例如氢气供应不足或者燃料电池的负载迅速上升导致的氢气瞬态供应不足。双电池机制是由于氢饥饿故障导致单体电池分解为两部分，一部分为电池，另一部分为电解池，即电池和电解池串联的一种机制。图2所示为燃料电池发生氢饥饿故障引起的双电池机制示意图，如图2所示，燃料电池左半部分（图2所示虚线左侧区域）仍保持正常运行，阴极和阳极上发生正常的燃料电池反应，阳极发生氢气氧化反应，阴极发生氧气还原反应/>，质子H+从阳极向阴极移动；而燃料电池右半部分（图2所示虚线右侧区域）变成电解池，氧气由于浓度梯度穿过质子交换膜从阴极向阳极扩散，阴极发生碳腐蚀/>和水电解/>，阳极发生氧气还原/>，即为，燃料电池的右半部分中质子H+从阴极向阳极移动，产生反向电流。极板和气体扩散层具有导电性质，因此极板和气体扩散层上传导电子/>，即为产生侧向电流，其中，阴极侧极板和阴极侧气体扩散层上的侧向电流与膜电流方向相同，阳极侧极板和阳极侧气体扩散层上的侧向电流与膜电流方向相反。
燃料电池在没有发生氢饥饿故障时，燃料电池中的侧向电流只包括质子交换膜上的侧向电流，即膜电流；当燃料电池发生氢饥饿故障时，由于双电池机制，燃料电池上产生了除膜电流之外的侧向电流，即极板和气体扩散层上的侧向电流。
由于膜电流机制中膜电流的激发磁场和双电池机制中极板和气体扩散层上的侧向电流的激发磁场存在磁场耦合，因此上述侧向电流的外部耦合磁场可以反应侧向电流的变化。如图3所示为膜电流、气体扩散层和极板上的侧向电流产生的磁场示意图，阴极侧磁场包括膜电流、阴极侧极板和阴极侧气体扩散层上的侧向电流这三者的外部耦合磁场，阳极侧磁场包含膜电流、阳极侧极板和阳极侧气体扩散层上的的侧向电流这三者的外部耦合磁场。除此之外，在实际情形中一片单体电池往往厚度很薄，膜电极组件与极板之间的距离较近，因此阴极侧磁场和阳极侧磁场要增加对向极板和对向气体扩散层的考虑。
质子交换膜与阴极侧极板和阳极侧极板的距离相同，因此膜电流在阴极侧和阳极侧产生的磁场的磁场强度相同；阴极侧极板和阴极侧气体扩散层上的侧向电流与膜电流方向相同，因此阴极侧极板和阴极侧气体扩散层上的侧向电流产生的磁场与膜电流产生的磁场方向相同；阳极侧极板和阳极侧气体扩散层上的侧向电流与膜电流方向相反，因此阳极侧极板和阳极侧气体扩散层上的侧向电流产生的磁场与膜电流产生的磁场方向相反。
阴极侧磁场强度如下所示：
其中，为膜电流在阴极侧产生的磁场的磁场强度，/>为阴极侧气体扩散层上的侧向电流在阴极侧产生的磁场的磁场强度，/>为和膜电阴极侧极板上的侧向电流在阴极侧产生的磁场的磁场强度，/>和/>分别为阳极侧气体扩散层上的侧向电流和阳极侧极板上的侧向电流在阴极侧产生的磁场的磁场强度。
阳极侧磁场强度如下所示：
其中，为膜电流在阳极侧产生的磁场的磁场强度，/>和分别为阳极侧气体扩散层和阳极侧极板在阳极侧产生的磁场的磁场强度，和/>分别为阴极侧气体扩散层上的侧向电流和阴极侧极板上的侧向电流在阳极侧产生的磁场的磁场强度。
阴极侧磁场强度减去阳极侧磁场强度/>得到的差值，即双电池系数/>如下所示：
阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度求差值后，可以将膜电流产生的磁场消除，只保留极板和气体扩散层上的侧向电流产生的磁场，因此阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度之间的差值可以反映出燃料电池发生的氢饥饿故障。
燃料电池在没有发生氢饥饿故障时，气体扩散层和极板上不存在侧向电流，燃料电池在阴极侧和阳极侧产生的磁场，只包括膜电流在阴极侧和阳极侧产生的磁场，即，此时，阴极侧磁场强度等于阳极侧磁场强度，双电池系数/>=0。因此，当双电池系数/>=0时，说明燃料电池没有出现双电池机制，即没有发生氢饥饿故障。如图4所示为燃料电池发生氢饥饿故障时阴极侧磁场和阳极侧磁场的示意图，当燃料电池发生氢饥饿故障时，由于极板和气体扩散层上的侧向电流的存在，强化了阴极侧磁场强度，弱化了阳极侧磁场强度，导致阴极侧磁场强度大于阳极侧磁场强度，即双电池系数大于0。因此，当双电池系数大于0，即阴极侧磁场强度大于阳极侧磁场强度时，可以确定燃料电池发生氢饥饿故障。
作为一种可能的实现方式，燃料电池发生的氢饥饿故障越严重，极板和气体扩散层上的侧向电流越大，阴极侧磁场强度与阳极侧磁场强度之间的差值越大，双电池系数的值越大。因此，双电池系数/>的值越大，可以确定燃料电池发生的氢饥饿故障更严重。
作为一种可能的实现方式，水淹故障是指燃料电池内部水状态的一种故障类型，主要是由于反应生成的水没有及时排出，导致的燃料电池内部水积聚。燃料电池在正常状态下，质子交换膜的含水量不变，质子交换膜上的侧向电流即膜电流不发生变化。当燃料电池发生水淹故障时，质子交换膜的含水量增加，膜电流增加。
膜电流变化系数如下所示：
由此式可得，膜电流变化系数等于/>的导数/>，即膜电流产生的磁场的磁场强度随时间的变化率，也即膜电流变化系数可以反映出膜电流随时间的变化率。在膜电流变化系数为0时，说明燃料电池膜电流不变。在膜电流变化系数为正值时，说明燃料电池膜电流增加。因此，在膜电流变化系数由0变化为正值时，说明质子交换膜的含水量从正常状态增加，即变化为水淹状态，即可以确定燃料电池发生水淹故障。
可以理解的是，膜电流变化系数在由0变化为正值后，又由正值变化为负值，说明燃料电池膜电流增加后减小，质子交换膜的含水量正在从水淹状态向正常状态恢复，即燃料电池由水淹故障向正常状态恢复。
作为一种可能的实现方式，在膜电流变化系数为负值时，说明燃料电池膜电流减小。膜电流变化系数由0变化为负值时，说明质子交换膜的含水量从正常状态减少，即变化为膜干状态，因此可以确定燃料电池发生膜干故障。
可以理解的是，当膜电流变化系数由0变化为负值后，又由负值变化为正值，说明燃料电池膜电流减小后增加，质子交换膜的含水量正在从膜干状态向正常状态恢复，即燃料电池由膜干故障向正常状态恢复。
作为一种可能的实现方式，当膜电流变化系数由0变化为正值时，膜电流变化系数的绝对值越大，说明燃料电池的膜电流增加速度越快，燃料电池发生的水淹故障越严重。当膜电流变化系数由0变化为负值时，膜电流变化系数的绝对值越大，说明燃料电池的膜电流减小速度越快，燃料电池发生的膜干故障越严重。
与上述实施例相对应，本发明还提供了一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断设备。图5为本发明实施例提供的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断设备的结构示意图，所述设备可以包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有能够被至少一个处理器执行的指令，以使至少一个处理器能够执行如上述实施例所描述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法。
作为一种可行的实现方式，上述至少一个处理器用于获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度；基于阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度，确定燃料电池的故障指标参数；基于故障指标参数，确定燃料电池发生故障。
作为一种可行的实现方式，上述终端用于获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度；基于阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度，确定燃料电池的故障指标参数；基于故障指标参数，确定燃料电池发生故障。
本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述方法包括：
获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度；
基于所述阴极侧磁场强度和所述阳极侧磁场强度，确定所述燃料电池的故障指标参数；
基于所述故障指标参数，确定所述燃料电池发生故障。
2.根据权利要求1所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度，包括：
在所述燃料电池两侧对称设置两个磁通量传感器；
通过所述两个磁通量传感器，获取燃料电池的阴极侧磁场强度和阳极侧磁场强度。
3.根据权利要求1所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述故障指标参数包括双电池系数，所述基于所述阴极侧磁场强度和所述阳极侧磁场强度，确定所述燃料电池的故障指标参数，包括：
计算所述阴极侧磁场强度减去所述阳极侧磁场强度得到的差值；
通过所述差值确定所述燃料电池的双电池系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述基于所述故障指标参数，确定所述燃料电池发生故障，包括：
在所述双电池系数大于0时，确定所述燃料电池发生氢饥饿故障。
5.根据权利要求4所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，在所述双电池系数大于0时，确定所述燃料电池发生氢饥饿故障，包括：
通过所述双电池系数的值，确定所述燃料电池发生氢饥饿故障的严重程度，所述氢饥饿故障的严重程度与所述双电池系数的值正相关。
6.根据权利要求1所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述燃料电池的故障指标参数包括膜电流变化系数，所述基于所述阴极侧磁场强度和所述阳极侧磁场强度，确定所述燃料电池的故障指标参数，包括：
计算所述阴极侧磁场强度与所述阳极侧磁场强度的和；
确定求和结果和时间之间的对应关系，并基于所述对应关系确定所述求和结果随时间的变化率；
基于所述求和结果随时间的变化率，确定所述燃料电池的膜电流变化系数。
7.根据权利要求6所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述基于所述故障指标参数，确定所述燃料电池发生故障，包括：
在所述膜电流变化系数由0变化为正值时，确定所述燃料电池发生水淹故障。
8.根据权利要求7所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述基于所述故障指标参数，确定所述燃料电池发生故障，包括：
在所述膜电流变化系数由0变化为负值时，确定所述燃料电池发生膜干故障。
9.根据权利要求8所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，通过所述膜电流变化系数的值，确定所述燃料电池发生水淹故障或膜干故障的严重程度，所述水淹故障或膜干故障的严重程度与所述膜电流变化系数的绝对值的大小正相关。
10.一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断设备，其特征在于，所述设备包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有能够被所述至少一个处理器执行的指令，以使所述至少一个处理器能够执行根据权利要求1-9中任一项所述的一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法。
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| CN202410545322.8A CN118136896B (zh) | 2024-05-06 | 一种基于外磁场测量的燃料电池故障诊断方法及设备 |
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