燃料电池电堆故障诊断方法与流程

本申请涉及能源领域，特别是涉及一种燃料电池电堆故障诊断方法。

背景技术：

在传统的燃料电池电堆故障诊断的技术中，多片堆中某一片性能下降之后的故障诊断，只能通过电压来进行粗略的判断，这样的判断十分不准确。虽然单片的交流阻抗谱测试可以很好的定性判断每一个单片的状态，但是该方法需要高精度、多通道的交流阻抗仪，并且一次测试的时间较长，诊断方法过于复杂。无法做到实时响应，影响工作效率。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的故障诊断方法结果不够精确，诊断方法过于复杂的问题，提供一种快速的燃料电池电堆故障诊断方法。

一种燃料电池电堆故障诊断方法，所述燃料电池电堆包括多个串联的燃料电池单片，所述燃料电池单片包括燃料电池膜电极组件和双极板，所述燃料电池膜电极组件和所述双极板沿着主电流方向交替设置，所述方法包括：

s10,计算所述双极板沿垂直于所述主电流方向流动的横向电流的电流值；

s20,若所述电流值大于预设阈值，则判断有异常燃料电池单片，并执行s30；

s30,根据不同所述双极板上的所述横向电流在所述双极板的平面的流动方向，确定所述异常燃料电池单片电流集中的位置。

在一个实施例中，所述步骤s10包括：

s100，检测垂直于所述主电流方向的所述双极板的两端的电势差；

s200，基于所述电势差和所述双极板电阻计算所述横向电流的电流值。

在一个实施例中，每个所述双极板垂直于所述主电流方向包括相对的第一端和第二端，所述s100包括：

s110，将位于所述燃料电池电堆最边缘的双极板的电势定义为基础电势；

s120，检测每两个相邻的所述双极板的所述第一端之间的第一电势差，通过所述基础电势和所述第一电势差获得每一个所述双极板在所述第一端的第一电势；

s130，检测每两个相邻的所述双极板之间的所述第二端的第二电势差，通过所述基础电势和所述第二电势差获得每一个所述双极板在所述第二端的第二电势；

s140，通过同一所述双极板的第一电势和第二电势，得到所述双极板的所述电势差。

在一个实施例中，通过设置于所述燃料电池电堆两端的电压巡检获得所述第一电势差和所述第二电势差。

在一个实施例中，在所述步骤s200中，所述双极板电阻通过所述双极板的电导率，所述双极板的长度、所述双极板的高度和所述双极板厚度计算获得。

在一个实施例中，若所述电流值不大于所述预设值，则判断所述燃料电池电堆处于正常状态。

在一个实施例中，所述s30中，若所有所述双极板中的所述横向电流的流向相同，则所述异常燃料电池单体位于所述主电流方向所述燃料电池电堆的两端中的至少一端。

在一个实施例中，所述s30中，若所述双极板中的所述横向电流的流向不完全相同，则所述异常燃料电池单体位于两个横向电流流向相反的所述双极板之间。

在一个实施例中，在所述步骤s30后还进一步包括：

s40，根据不同所述双极板上的所述横向电流在所述双极板的平面的流动方向，确定所述异常燃料电池单体电流集中的位置。

在一个实施例中，所述异常燃料电池单片电流集中的位置包括阴极入口、阴极出口和阳极入口等。

本申请实施例提供的所述燃料电池电堆故障诊断方法，通过计算所述双极板沿垂直于所述主电流方向流动的横向电流的电流值可以判断是否存在异常燃料电池单片。根据所述不同所述双极板上的所述横向电流在所述双极板的平面的流动方向，确定所述异常燃料电池电流的位置。通过所述电流值的大小可以判断是否存在所述异常燃料电池，然后进一步通过所述横向电流的流动方向确定所述异常燃料电池的位置。因此本申请实施例所述的燃料电池电堆故障诊断方法确定所述异常燃料电池的位置方法简单，速度快效率高。

附图说明

图1为本申请实施例提供的燃料电池电堆故障诊断方法流程图；

图2为本申请实施例提供的燃料电池电堆电压测量示意图；

图3为本申请实施例提供的横向电流流动方向示意图；

图4为本申请另一个实施例提供的横向电流流动方向示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的燃料电池电堆故障诊断方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请实施例提供一种燃料电池电堆故障诊断方法。所述燃料电池电堆包括多个串联的燃料电池单片。所述燃料电池单片包括燃料电池膜电极组件和双极板。所述燃料电池膜电极组件和所述双极板沿着主电流方向交替设置。所述方法包括：

s10,计算所述双极板沿垂直于所述主电流方向流动的横向电流的电流值；

s20,若所述电流值大于预设阈值，则判断有异常燃料电池单片，并执行s30；

s30,根据不同所述双极板上的所述横向电流在所述双极板的平面的流动方向，确定所述异常燃料电池单片电流集中的位置。

在所述步骤s10中，所述主电流方向可以为在所述燃料电池膜电极组件和所述双极板层叠设置的方向。即所述燃料电池电堆正常时，所述主电流依次流过多个所述燃料电池膜电极组件和多个所述双极板。当某一个所述燃料电池单体性能出现恶化的时候，电流会集中于性能较好的区域。与其相邻的其它正常所述燃料电池单体相比，会出现较大的电流分布差异。为了平衡这种差异，电流会在正常燃料电池单体和异常燃料电池单体共用的所述双极板上流动形成所述横向电流。可以理解，位于所述燃料电池电堆最两端的双极板可以连接集流体，作为正负极，对外输出功率。

在所述步骤s20中，通过所述电流值的大小，可以判断是否有燃料电池单体出现异常。而较小的所述横向电流可以忽略，认为所述燃料电池单体属于正常状态。当所述电流值大于预设阈值时，可以判定至少一个所述燃料电池单体出现异常。可以理解，所述预设阈值可以为经验值。

在所述步骤s30中，所述横向电流可以朝向所述双极板两端两个方向流动。而根据所述双极板的电流流动方向可以确定出现异常的所述燃料电池单体的位置。根据所述横向电流的流动方向可以高效确定所述异常燃料电单体的具体位置。

本申请实施例提供的所述燃料电池电堆故障诊断方法，通过计算所述双极板沿垂直于所述主电流方向流动的横向电流的电流值可以判断是否存在异常燃料电池单体。根据所述不同所述双极板上的所述横向电流在所述双极板的平面的流动方向，确定所述异常燃料电池单体电流集中的位置。通过所述电流值的大小可以判断是否存在所述异常燃料电池单体，然后进一步通过所述横向电流的流动方向确定所述异常燃料电池单体的位置。因此本申请实施例所述的燃料电池电堆故障诊断方法确定所述异常燃料电池单体的位置方法简单，速度快效率高。

在一个实施例中，所述步骤s10包括：

s100，检测垂直于所述主电流方向的所述双极板的两端的电势差；

s200，基于所述电势差和所述双极板电阻计算所述横向电流的电流值。

在一个实施例中，每个所述双极板垂直于所述主电流方向包括相对的第一端和第二端，所述s100包括：

s110，将位于所述燃料电池电堆最边缘的双极板的电势定义为基础电势；

s120，检测每两个相邻的所述双极板的所述第一端之间的第一电势差，通过所述基础电势和所述第一电势差获得每一个所述双极板在所述第一端的第一电势；

s130，检测每两个相邻的所述双极板之间的所述第二端的第二电势差，通过所述基础电势和所述第二电势差获得每一个所述双极板在所述第二端的第二电势；

s140，通过同一所述双极板的第一电势和第二电势，得到所述双极板的所述电势差。

请参见图2，本实施例中，所述步骤s110中，所述燃料电池电堆两个最远端的双极板都是等势体。因此可以将所述位于所述燃料电池电堆一侧边缘的所述双极板的电势作为电势基准。即所述基础电势。在一个实施例中，选定燃料电池电堆负极的双极板为0v等势体，通过电压巡检记录的相邻双极板之间的电势差，可以逐一计算得到每一个所述双极板上布置巡检位置的电势。

公式中，i＝1,2,3,4…n+1，代表所述双极板的序号，j＝1,2，…，n，代表燃料电池单体的序号。vcell(j)，1代表第一电势差，vcell(j)，2代表所述第二电势差，ui，1代表所述第一电势；ui，2代表所述第二电势。

在一个实施例中，通过设置于所述燃料电池电堆两端的电压巡检获得所述第一电势差和所述第二电势差。所述电压巡检可以布置在所述双极板上。所述电压巡检设备可以为两套，分别设置于所述横向电流的两端。可以理解，所述双极板上产生横向电流时，所述双极板上就会表现出所述电势差。

在一个实施例中，在所述步骤s200中，所述双极板电阻通过所述双极板的电导率，所述双极板的长度、所述双极板的高度和所述双极板厚度计算获得。

其中σ是电导率、l是双极板长度，h是双极板高度，δ是双极板厚度。双极板上的电流可以通过欧姆定律获得。基于这个方法，所有的双极板上的电流都可以计算得到。

在一个实施例中，若所述电流值不大于所述预设值，则判断所述燃料电池电堆处于正常状态。

在一个实施例中，所述s30中，若所有所述双极板中的所述横向电流的流向相同，则所述异常燃料电池单片位于所述主电流方向所述燃料电池电堆的两端中的至少一端。

在一个实施例中，所述s30中，若所述双极板中的所述横向电流的流向不完全相同，则所述异常燃料电池单片位于两个横向电流流向相反的所述双极板之间。

在所述步骤s30后还进一步包括：

s40，根据不同所述双极板上的所述横向电流在所述双极板的平面的流动方向，确定所述异常燃料电池单片电流集中的位置。

请参见图3,当位于所述燃料电池电堆的一侧的所述燃料电池单片(图示中燃料电池单片1)出现异常时，电流会朝性能较好的部分集中(图示中的左侧电流集中区)，并通过所述双极板朝向其所述燃料电池单片(图示中燃料电池单片2-4)扩散。因而可以确定所述异常燃料电池单片的位置。同理，当位于所述燃料电池电堆的另一侧的所述燃料电池单片(图示中的燃料电池单片4)出现异常时，电流集中在所述单片性能较好的一侧(图示中的右侧电流集中区)，其它所述燃料电池单片中的电流通过所述双极板逐步聚集向该侧聚集。即所述所有所述双极板中的所述横向电流的流向相同。

请参见图4，燃料电池单片7两侧的所述双极板的所述横向电流的流动方向相反。因此，在燃料电池单片7右侧区域的电流比所述燃料电池单片7的左侧电流分布密集。此时可以认为所述燃料电池单片7为所述异常燃料电池单片。

本实施例中，即所述燃料电池单片7和所述燃料电池单片6之间的所述双极板的横向电流向燃料电池单片7的右侧聚集。所述燃料电池单片7右侧的电流可以从所述燃料电池单片7和所述燃料电池单片8之间的双极板向左侧流动。因此可以认为所述燃料电池单片7右侧的电流密度最大。

在一个实施例中，所述异常燃料电池单片电流集中的位置包括阴极入口、阴极出口和阳极入口。

对于电流集中在阴极入口，研究发现导致这个的原因就是阴极水淹或者阴极缺气。而导致阴极水淹和阴极缺气的原因，一般会有阴极过量系数不足、单片温度过低(导致了水蒸气凝结积水)、阴极进气的增湿过大、内部气体扩散层衰退(亲水性增加，水更难排出)等原因。

对于电流集中在阴极出口，研究发现导致这个的原因就是膜干(内部状态太干了)。导致膜干的原因有很多种，比如阴极进气的增湿不足、单片温度过高、过量系数过大(气体太多，将水量带走)。

对于电流集中在阳极入口。研究发现一般导致这个的原因就是阳极缺气，导致阳极缺气的原因有很多种，比如阳极过量系数不足、阳极水淹、单片温度过低、内部气体扩散层衰退(亲水性增加，水更难排出)等原因。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。