一种燃料电池单体缺气诊断方法与流程

本发明涉及燃料电池诊断领域，尤其是涉及一种燃料电池单体缺气诊断方法。

背景技术：

随着能源危机与环境保护问题日趋严重，世界各国和各主要汽车整车厂、零部件供应商都在致力于新能源汽车的研发与推广，纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车发展迅速。其中，燃料电池汽车具有补充能量迅速、续航里程长、清洁高效等优点，其发展前景受到广泛地肯定。

质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，pemfc)具有零排放、无污染、高效率、工作温度低等优势，被用作燃料电池汽车动力源，pemfc作为固定能源时寿命可达30000小时，作为车用动力源时寿命仅为2500-3000小时，燃料电池寿命问题严重制约了燃料电池汽车的大规模商业化。

车辆运行工况复杂多变，由此引发的反应气体供应不足、燃料电池内部气体分布不均问题是燃料电池寿命衰减的重要原因之一，缺气现象主要由工作条件、结构参数、大幅度变载等引起，会导致碳载体的腐蚀和催化剂的流失，使燃料电池寿命和性能严重衰退，因此需要在燃料电池的结构设计、工作条件选择和控制策略制定中应尽量避免燃料电池缺气现象的产生。

目前对燃料电池缺气诊断主要是通过检测电池电压、出口气体流量、电流变化或者记录和分析燃料电池运行时的噪声来进行缺气判断，也可以借助中子成像，气相色谱，x射线捕捉和红外捕捉方法，但以上检测方法采用的设备复杂，诊断成本很高。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池单体缺气诊断方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池单体缺气诊断方法，包括以下步骤：

1)定义判定是否发生缺气的临界条件以及判定是否发生严重缺气的临界条件，并进行现场标定；

2)实时采集燃料电池阴极侧在氧气流道的出口流道区域s2及入口流道区域s1的分区平均电流密度；

3)计算获得差异系数α；

4)根据差异系数α分别与判定是否发生缺气的临界条件以及判定是否发生严重缺气的临界条件进行比较，完成诊断并作出预警。

所述的步骤1)中，以阴极过量系数为2工况下的差异系数α2作为判定是否发生缺气的临界条件。

所述的步骤1)中，以阴极过量系数为1.5工况下的差异系数α1.5作为判定是否发生严重缺气的临界条件。

所述的步骤2)中，对燃料电池阴极石墨板端面进行开沟槽分区，制作pcb板，通过将pcb板设置在石墨板与集流板之间实时采集阴极石墨板氧气流道的出口流道区域s2的分区平均电流密度s2以及氧气流道的入口流道区域s1的分区平均电流密度s1。

所述的步骤3)中，差异系数α的计算式为：

所述的步骤4)中，当在线得到的差异系数α大于α2时，则返回步骤2)继续采集分区平均电流密度，当差异系数α小于α2，且大于α1.5时，则判定为燃料电池有初步缺气的倾向，当差异系数α小于α1.5时，则判定为发生严重缺气。

所述的步骤2)中，对石墨板端面进行开沟槽分区的具体步骤如下：

201)在燃料电池石墨板对应流道进出口区域的背面加工槽道，槽道宽度为1mm，深度为3mm；

202)在开槽区域内填充环氧树脂，填充时石墨板表面放置塑料膜，用以防止石墨表面被污染；

203)填充紧实后，放置在室温环境中固化24h，保证完全硬化后将石墨板背面除其他流道对应区域以外的部分全部铣去2mm。

所述的步骤2)中，制作pcb板具体为：

pcb厚度为2mm，采用正反面布线，分别在s1和s2区域正反布置镀锡铜皮，两片铜皮经过0.1ω电阻通过接线端子相连，电流采集线通过接线端子引出s1和s2区域的电流。

为避免pcb板的电流将铜线烧断，在pcb板布线时，铜厚采用0.07mm，走线1.5mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过使用印刷电路板测试技术(pcb)在线监测燃料电池单体进出口流道所对应区域的电流密度，避免使用了复杂精密的传感器达到了实时诊断燃料电池缺气的目的，降低了诊断成本，同时，相比较现有的缺气诊断方式，具有实时性，在缺气导致的催化层降解发生之前已经能够诊断出出口区域发生缺气，避免碳载体的腐蚀和催化剂的流失。

附图说明

图1为燃料电池阴极石墨板端面开沟槽分区示意图。

图2为开沟槽、填充、固化处理后的阴极石墨板示意图。

图3为制作的pcb板结构示意图。

图4为通过fluent仿真燃料电池单体在定电压0.6v工况下，不同过量系数所对应的s1和s2分区的电流。

图5为缺气诊断的具体流程图。

图6为通过fluent动态仿真在0.6v定电压模式下，前5秒时，阴极过量系数为2，在第5秒时，将阴极过量系数改为1，s1和s2电流密度和差异系数随时间的变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明将通过对单体燃料电池石墨板背面开沟槽进行分区，利用印刷电路板测试技术对燃料电池电流进行分区采集，通过实时采集流道进出口处所对应的分区电流密度来判断燃料电池是否发生缺气，为燃料电池在线故障诊断提供方法。

本发明提供一种用于在线监测燃料电池缺气的检测方法，选择进出口流道所对应区域的电流的差异作为评价指标来诊断燃料电池是否发生缺气现象，便于操作人员及时对燃料电池运行条件进行调整，防止长时间缺气导致催化剂腐蚀等，具体包括以下内容：

1、石墨板分区

燃料电池阴极通常使用空气，氧气的传输比氢气慢得多，氧气传输导致的质量传输极限通常比氢气严重得多，因此燃料电池通常在阴极侧发生“氧气饥饿”现象。同时，由于反应气体的在流道中的对流和在气体扩散层中的扩散过程中伴随着反应气体的消耗，通常在流道下游区域气体浓度低，最先发生缺气现象。由于气体在蛇形流道传输过程中，主要损耗来自于拐弯处的压降(图1中左图方框的位置)，同时考虑到加工方便(直接铣刀铣，操作较方便)，为了便于实时采集燃料电池进出口流道对应区域的电流密度，如图1所示，本发明对燃料电池阴极石墨板端面进行开沟槽分区。

具体分区步骤如下：

(1)在燃料电池对应流道进出口区域的背面加工槽道，槽道宽度为1mm，深度为3mm；

(2)在开槽区域内填充环氧树脂，填充时石墨板表面放置塑料膜，防止石墨表面被污染；

(3)填充紧实后，将其放置在室温环境中固化24h，保证完全硬化后将石墨板背面除图1所示“其他流道区域“以外的部分全部铣去2mm，最终如图2所示。

2、制作pcb板

pcb板厚度为2mm，采用正反面布线，在s1和s2区域正反布置镀锡铜皮，两片铜皮经过0.1ω电阻通过接线端子相连，电流采集线通过接线端子引出s1和s2区域的电流，具体布线方法如图3所示。为确保电流不会将铜线烧断，pcb布线时，铜厚采用2oz(0.07mm)，走线1.5mm。图3中虚线部分全部挖空，pcb板置于石墨板与集流板之间。

3、缺气诊断

本发明通过fluent仿真了燃料电池单体在定电压0.6v工况下，不同过量系数所对应的s1和s2分区的电流，如图4中虚线所示。

由于反应气体在流道中发生对流和在气体扩散层中发生扩散的同时，反应气体在催化层被不断消耗，因此进出口处对应的流道区域反应气体浓度始终存在差异，对应着的分区电流始终也存在一定差异，但是在反应气体充足的情况下，该差异值较小，在可接受范围内，已有学者证明，燃料电池缺气首先发生在出口处的脊附近，当该区域发生缺气时，对应的分区电流便会急剧下降，该区域与入口区域对应的分区电流的差异便会增大，本发明定义差异系数α：

其中，s1为分区1的平均电流密度，s2为分区2的平均电流密度。

差异系数α随阴极过量系数的变化趋势如图4实线所示，可以看出在阴极过量系数大于2之后，再增加空气的供应量，s1和s2之间的差异系数已经几乎不再发生变化。

通常情况下，实验人员进行实验时，采用阴极过量系数为2，阳极过量系数1.5，基于此，本发明提出，以阴极过量系数为2工况下的差异系数α2作为判定是否发生缺气的临界条件，当所测得的s1和s2差异系数大于该值时，则提醒实验人员，燃料电池有初步缺气的倾向，同时，以阴极过量系数为1.5对应工况的差异系数α1.5作为判定发生严重缺气的条件，当所测得的s1和s2差异系数大于该值时，则提醒实验人员，停止实验，排除故障，具体流程图如图5所示：

实施例：

首先，对燃料电池单体进行标定，在过量系数为2时，α2＝0.0538；在过量系数为1.5时，α1.5＝0.0891。

接着，通过fluent动态仿真，在0.6v定电压模式下，前5秒时，阴极过量系数为2，在第5秒时，将阴极过量系数改为1，s1和s2电流密度和差异系数α随时间的变化趋势如图6所示：

最后，通过数据处理可以看出，在0-5秒时，差异系数α始终为0.0538，在第5秒之后，s1和s2的差异系数逐渐增大，开始大于α2，诊断出燃料电池有初步缺气的倾向；在第5.85秒时，s1和s2的差异系数开始大于α1.5，诊断出燃料电池出口处发生严重缺气，提醒人员停止实验操作，诊断故障，本实例证明了该发明对于燃料电池缺气诊断具有实时性和准确性。