| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202210147605.8 | 申请日 | 2022-02-17 |
| 公开(公告)号 | CN114324484B | 公开(公告)日 | 2024-07-02 |
| 申请人 | 北京亿华通科技股份有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 曹季冬; 方川; 赵川; 李飞强; | 第一发明人 | 曹季冬 |
| 权利人 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：北京市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：北京市海淀区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：北京市海淀区西小口路66号中关村东升科技园B-6号楼C座七层C701室 | 邮编 | 当前专利权人邮编：100192 |
| 主IPC国际分类 | G01N27/04 | 所有IPC国际分类 | G01N27/04 ; G01F23/296 |
| 专利引用数量 | 3 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 7 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 北京共腾律师事务所 | 专利代理人 | 姚星; |
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 质子交换膜 燃料 电池 的 健康状态 监测装置，属于 燃料电池 技术领域，解决了 现有技术 无法在燃料电池使用过程中实时在线监测质子交换膜健康状态的问题。该工装包括集液 箱体 ，设于集液箱体内用于采集液体液位高度的液位 传感器 、用于采集液体电导率的电导率传感器，设于集液箱体外用于根据实时液位高度控制集液箱体自动排 水 和根据实时液体电导率输出质子交换膜健康状态的 控制器 。其中，集液箱体的上表面设有用于与电堆 阴极 或 阳极 混合尾排连接的进水口、用于连通外部大气的排气口，集液箱体的下表面设有用于与车辆尾排管道连接的排水口。控制器的输入端分别与电导率传感器、 液位传感器 的输出端连接，输出端与集液箱体的排水口控制端连接。 | ||
| 权利要求 | 1.一种质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置，其特征在于，包括集液箱体(6)，电磁阀(8)，设于集液箱体(6)内的液位传感器(5)、电导率传感器(4)，以及设于集液箱体(6)外的控制器；其中， |
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| 说明书全文 | 一种质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置技术领域背景技术[0002] 燃料电池是一种通过电化学方式将化学能转变为电能的发电装置，氢气在阳极失去电子被氧化为氢质子，质子通过质子交换膜传递到阴极，在阴极与氧气反应生成水，电子通过外电路传导形成电流。质子交换膜是一种高分子聚合物，在燃料电池运行过程中会容易发生机械衰减和化学衰减，机械衰减主要是干湿循环导致，化学衰减是自由基攻击质子交换膜主链末端和支链造成的化学结构被破坏。 [0003] 现有技术对质子交换膜的衰退分析主要集中在膜电极层面，一般通过扫描电镜和离子色谱仪（TVOC）测试判断质子交换膜的衰减程度。扫描电镜可直接观察膜材料的表面状态和截面厚度，如果发现穿孔、裂纹、减薄等现象，表明质子交换膜已发生衰减。TVOC可进行尾排水成分分析，检测是否含有质子交换膜成分，但所用设备较为昂贵，成本较高。上述现有技术均无法实现在燃料电池使用过程中对质子交换膜的衰减进行直接识别，在线监测。 发明内容[0004] 鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置，用以解决现有技术无法在燃料电池使用过程中实时在线监测质子交换膜的健康状态的问题。 [0005] 一方面，本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置，包括集液箱体（6），设于集液箱体（6）内的液位传感器（5）、电导率传感器（4），以及设于集液箱体（6）外的控制器；其中， [0006] 集液箱体（6）的上表面分别设有用于与电堆阴极或阳极混合尾排连接的进水口（1）、用于连通外部大气的排气口（2），其下表面设有用于与车辆尾排管道连接的排水口（7）； [0007] 控制器，用于实时监测电导率传感器（4）、液位传感器（5）获得的电堆阴极或阳极尾排水的电导率、液位高度；以及，根据所述电导率结合液位高度判断质子交换膜燃料电池的健康状态；以及，在质子交换膜燃料电池的健康状态为差时，发出质子交换膜衰减的预警信号。 [0008] 上述技术方案的有益效果如下：提供的质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置通过监测电堆阴极或阳极混合尾排输出的液体（尾排水）的电导率得出质子交换膜的健康状态（是否衰减），可以实现电堆健康状态在线监测，无需拆堆，无需复杂设备，能够实时监测，有利于延长燃料电池的使用寿命。该装置避免了因生成水量太小而无法淹没电导率仪传感器位置的问题，集成了电导率传感器、液位传感器以及尾排水进出口。 [0009] 基于上述装置的进一步改进，该健康状态监测装置还包括还包括电磁阀（8）；其中， [0010] 所述电磁阀（8）的输入端与集液箱体（6）的排水口（7）连接，其输出端与车辆尾排管道连接，其控制端与控制器的输出端连接； [0011] 所述控制器，还用于在液位传感器（5）获得的液位高度大于基准值的预设倍数后，控制电磁阀（8）导通，否则，控制电磁阀（8）截止。 [0012] 进一步，该健康状态监测装置设有两个独立的集液箱体（6），每一集液箱体（6）内设有各自独立的电导率传感器（4）、液位传感器（5）；其中， [0013] 一个集液箱体（6）的进水口（1）与燃料电池电堆的阴极混合尾排连接，以对燃料电池电堆的阴极尾排水的电导率进行监测，另一个集液箱体（6）的进水口（1）与燃料电池电堆的阳极混合尾排连接，以对燃料电池电堆的阳极尾排水的电导率进行监测；所述两个集液箱体（6）的排水口（7）分别经各自独立的电磁阀（8）与车辆尾排管道连接； [0014] 控制器，还用于发出预警信号后，将阳极尾排水和阴极尾排水的电导率进行比较；根据比较结果识别电堆内发生质子交换膜衰减的位置靠近阴极还是靠近阳极。 [0015] 进一步，所述电导率传感器（4）沿竖直方向置于集液箱体（6）内部靠近底部的一侧；并且， [0016] 所述电导率传感器（4）的底部与集液箱体（6）的内侧底面之间的距离不超过1 cm。 [0017] 进一步，所述液位传感器（5）包括超声液位传感器（5）；并且， [0018] 所述超声液位传感器（5）置于集液箱体（6）的内侧壁上，并位于电导率传感器（4）的斜上方。 [0019] 进一步，所述超声液位传感器（5）的中心、电导率传感器（4）的中心二者在竖直方向上的距离在0.5 1 cm。~ [0020] 进一步，所述集液箱体（6）的进水口（1）设于其排气口（2）的下方或同一水平高度处，并位于液位传感器（5）的中心的上方；并且， [0021] 所述集液箱体（6）的进水口（1）与液位传感器（5）的中心在垂直方向上的距离大于1cm。 [0022] 进一步，所述控制器执行如下程序： [0023] 监测液位传感器（5）获得的集液箱体（6）内的实时液位高度； [0024] 判断集液箱体（6）内的实时液位高度是否超过基准值，如果是，启动超声液位传感器（5），并执行下一步，否则，控制电磁阀（8）关闭，超声液位传感器（5）关闭，执行下一时刻的集液箱体（6）内的实时液位高度的判断； [0025] 判断集液箱体（6）内的液体的实时电导率是否超过质子交换膜发生衰减的电导率基值，且实时液位高度超过基准值但不超过该基准值的设定倍数；如果是，判定当前时刻质子交换膜燃料电池的健康状态为差，将实时电导率与电导率基值的差值输入事先训练好的健康模型，得出当前时刻质子交换膜衰减的恶化程度，并执行下一步；否则，判定当前时刻质子交换膜燃料电池的健康状态为良，执行下一时刻实时电导率和实时液位高度的判断； [0026] 在质子交换膜燃料电池的健康状态为差时，发出质子交换膜衰减的恶化程度对应的预警信号； [0027] 判断集液箱体（6）内的实时液位高度是否超过基准值的预设倍数，如果是，控制电磁阀（8）开启，超声液位传感器（5）关闭，对电堆内部进行排水操作，否则，继续下一时刻实时液位高度是否超过基准值的预设倍数的判断。 [0028] 进一步，该健康状态监测装置还包括散热器； [0029] 所述集液箱体（6）的进水口（1）经所述散热器与燃料电池电堆的阴极或阳极尾排管道连接。 [0031] 电导率传感器（4）内置于一可拆卸防水柱体的下部或底部；所述可拆卸防水柱体的侧壁设有与上述螺纹接口配合安装的螺纹，通过所述螺纹与集液箱体（6）进行连接。 [0032] 与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一： [0033] 1、在出现预警后，对阴极和阳极的电导率值进行比较，能够快速定位问题所在（靠近阴极的质子交换膜降解还是靠近阴极的质子交换膜降解）。 [0034] 2、电导率传感器所在位置靠近箱体底部，可增加电导率读取频率，提高精确度。 [0035] 3、避免了因生成水量太小而无法淹没电导率传感器位置的问题，集成了在线电导率传感器、液位传感器、电磁阀以及尾排水进出口，能够自动将所测电导率与基准值进行比较，如果发现质子交换膜衰减，则发出预警通知。 [0037] 通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。 [0038] 图1示出了实施例1质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置组成示意图； [0039] 图2示出了实施例2质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置组成一示意图； [0040] 图3示出了实施例2质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置的组成二示意图； [0041] 图4示出了实施例2质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置的组成三示意图。 [0042] 附图标记： [0043] 1，1’‑ 进水口；2，2’‑ 排气口；3，3’‑ 电导率仪； [0044] 4，4’‑ 电导率传感器；5，5’‑ 液位传感器；6，6’‑ 集液箱体； [0045] 7，7’‑ 排水口；8，8’‑ 电磁阀；9‑ 车辆尾排管道。 具体实施方式[0046] 下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。 [0047] 在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。 [0048] 涉及的原理是，由于质子交换膜发生衰减后发生分解并释放出磺酸根离子和氟离子，所以通过收集燃料电池尾排水并分析其成分可以对质子交换膜的健康状态进行评价。通常情况下燃料电池尾排水的电导率呈现稳定状态，可提前进行标定并设定为基准值，在燃料电池系统运行过程中如果发生质子交换膜降解，会释放氟离子和磺酸根离子，导致尾排水电导率上升，通过在线收集尾排水并实时分析其电导率，可实现对质子交换膜衰减的预警，并作为调整操作参数的指导依据，防止质子交换膜进一步降解。由于尾排水必须淹没电导率传感器所在位置才能进行检测，而燃料电池所生成的水在管道中无法积累，导致液位较低，所以将现有电导率传感器或者电导率仪直接插入尾排水管路是不可行的。 [0049] 实施例1 [0050] 本发明的一个实施例，公开了一种质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置，如图1所示，包括集液箱体（6），设于集液箱体（6）内的液位传感器（5）、电导率传感器（4），以及设于集液箱体（6）外的控制器。 [0051] 集液箱体（6）的上表面分别设有用于与电堆阴极或阳极混合尾排连接的进水口（1）、用于连通外部大气的排气口（2），其下表面设有用于与车辆尾排管道连接的排水口（7）。 [0052] 控制器，用于实时监测电导率传感器（4）、液位传感器（5）获得的电堆阴极或阳极尾排水的电导率、液位高度；以及，根据所述电导率结合液位高度判断质子交换膜燃料电池的健康状态；以及，在质子交换膜燃料电池的健康状态为差时，发出质子交换膜衰减的预警信号。 [0053] 液位传感器5，用于采集集液箱体（6）内液体（电堆阴极或阳极尾排水）的液位高度。 [0054] 电导率传感器4，用于采集集液箱体（6）内液体（电堆阴极或阳极尾排水）的电导率。 [0055] 集液箱体6的形状可不进行限定，根据需要进行设置。 [0056] 控制器的输入端分别与电导率传感器4、液位传感器5的输出端连接，其输出端与集液箱体6的排水口7控制端连接，或参见实施例2与集液箱体6的排水口7外设的电池阀8连接。 [0057] 实施时，控制器将电导率传感器4获得的尾排水电导率与标定的质子交换膜未发生衰减的电导率基值比较，超过基值，认为质子交换膜健康状态为差，超过部分越大，说明质子交换膜健康状态越差，如果尾排水电导率低于标定的电导率基值，该时刻质子交换膜健康状态为良。 [0058] 与现有技术相比，本实施例提供的质子交换膜燃料电池的健康状态监测装置通过监测电堆阴极或阳极混合尾排输出的液体的电导率得出质子交换膜的健康状态，可以实现电堆健康状态在线监测，无需拆堆，无需复杂设备，能够实时监测，有利于延长燃料电池的使用寿命。该装置避免了因生成水量太小而无法淹没电导率仪传感器位置的问题，集成了电导率传感器、液位传感器以及尾排水进出口。 [0059] 实施例2 [0060] 在实施例1的基础上进行改进，该健康状态监测装置还包括用于控制集液箱体6储水或排水的电磁阀8，如图2 4所示。其中，所述电磁阀8的输入端与集液箱体6的排水口7连~接，其输出端与车辆尾排管道连接，其控制端与控制器的输出端连接。 [0061] 控制器，还用于在液位传感器5获得的液位高度大于基准值（该基准值是保证电导率传感器4充分工作的液位高度）的预设倍数（例如1.1 2倍）后，控制电磁阀8导通，否则，控~制电磁阀8截止。 [0062] 优选地，该健康状态监测装置设有两个独立的集液箱体6，共用一个控制器或者分别设有独立的控制器。每一集液箱体6内设有各自独立的电导率传感器4、液位传感器5，如图4所示。其中，一个集液箱体6的进水口1与燃料电池电堆的阴极混合尾排连接，另一个集液箱体6的进水口1与燃料电池电堆的阳极混合尾排连接；两个集液箱体6的排水口7分别经各自独立的电磁阀8与车辆尾排管道连接。 [0063] 控制器，还用于发出预警信号（即根据阳极尾排水和阴极尾排水的电导率判断质子交换膜健康状态为差）后，将阳极尾排水和阴极尾排水的电导率进行比较；根据比较结果识别电堆内发生质子交换膜衰减的位置靠近阴极还是靠近阳极，具体地，即电导率高的位置发生质子交换膜衰减。 [0064] 优选地，电导率传感器4沿竖直方向置于集液箱体6内部靠近底部的一侧；并且，电导率传感器4的底部与集液箱体6的内侧底面之间的距离不超过1 cm。 [0065] 优选地，液位传感器5包括超声液位传感器；并且，超声液位传感器置于集液箱体6的内侧壁上，并位于电导率传感器4的斜上方，即位于电导率传感器4的中心位置之上。 [0066] 优选地，超声液位传感器的中心、电导率传感器4的中心二者在竖直方向上的距离为0.5 1 cm。~ [0067] 优选地，集液箱体6的进水口1设于其排气口2的下方或同一水平高度处，并位于液位传感器5的中心的上方，如图2或3所示。并且，集液箱体6的进水口1与液位传感器5的中心在垂直方向上的距离大于1cm。 [0068] 优选地，控制器执行如下程序： [0069] S1.监测液位传感器5获得的集液箱体6内的实时液位高度； [0070] 判断集液箱体6内的实时液位高度是否超过基准值，如果是，启动超声液位传感器5，并执行下一步，否则，控制电磁阀8关闭，超声液位传感器5关闭，执行下一时刻的集液箱体6内的实时液位高度的判断。 [0071] S2.判断集液箱体6内的液体的实时电导率是否超过质子交换膜发生衰减的电导率基值，且实时液位高度超过基准值但不超过该基准值的设定倍数；如果是，判定当前时刻质子交换膜燃料电池的健康状态为差，将实时电导率与电导率基值的差值输入事先训练好的健康模型，得出当前时刻质子交换膜衰减的恶化程度，并执行下一步；否则，判定当前时刻质子交换膜燃料电池的健康状态为良，执行下一时刻实时电导率和实时液位高度的判断。 [0072] S3.在质子交换膜燃料电池的健康状态为差时，发出质子交换膜衰减的恶化程度对应的预警信号；再将阳极尾排水和阴极尾排水的电导率进行比较；根据比较结果识别电堆内发生质子交换膜衰减的位置靠近阴极还是靠近阳极，具体地，即电导率高的位置发生质子交换膜衰减。 [0073] S4.判断集液箱体6内的实时液位高度是否超过基准值的预设倍数，如果是，控制电磁阀8开启，超声液位传感器5关闭，对电堆内部进行排水操作，否则，继续下一时刻实时液位高度是否超过基准值的预设倍数的判断。开启时间可设定为液位降到基准值之下，或者，设置为预设时间，改预设时间需要根据箱体的体积和电磁阀的排水能力共同决定，需要提前标定，例如3 min。 [0074] 优选地，该健康状态监测装置还包括用于对电堆阴极或阳极混合尾排水进行降温的散热器。每一集液箱体6的进水口1经各自独立的散热器与燃料电池电堆的尾排管道连接。 [0075] 优选地，集液箱体6的上表面还设有均有螺纹接口的通孔。电导率传感器4内置于一可拆卸防水柱体的下部或底部，或采用现有的电导率仪3；所述可拆卸防水柱体的侧壁设有与上述螺纹接口配合安装的螺纹，通过所述螺纹与集液箱体6进行连接。 [0076] 实施时，控制器在质子交换膜健康状态为差时向用户发出相应恶化程度的预警通知。在质子交换膜健康状态为良时，控制器不向用户发出信号。 [0077] 对于图2、图3所示的结构一、结构二，燃料电池电堆在阴极和阳极的混合尾排水经过装置进水口1进入集液箱体6，此时电磁阀8处于关闭状态，液态水在集液箱体6内积累，尾排中的气体通过排气口2排出，当集液箱体6内液体积累至超声液位传感器5的检测的基准值位置，电导率传感器4读取此时的电导率数值，然后打开电磁阀8进行排水，汇入车辆系统的尾排管道9中。根据所记录的电导率与基准值进行比较，判断质子交换膜的健康状态，若出现膜降解则发出预警。若采用接口螺纹比较靠上的电导率仪，采用图2所示结构。 [0078] 对于图4所示的结构三，为分别监测阴极和阳极的膜衰减行为，可将电堆阴极和阳极的尾排水分别连接两个健康状态监测装置进行监测。燃料电池电堆阴极的尾排水经过装置进水口1进入集液箱体6，燃料电池电堆阳极的尾排水经过装置进水口1’进入集液箱体6’，此时电磁阀8和8’均处于关闭状态，液态水在集液箱体6、6’内积累，尾排中的气体通过排气口2和2’排出，当集液箱体6或6’内液体积累至超声液位传感器5、5’的检测位置，电导率传感器4、4’读取此时的电导率数值，然后打开电磁阀8或8’进行排水，汇入车辆系统的尾排管道9中。根据所记录的电导率与基准值进行比较，判断质子交换膜的健康状态，若出现膜降解则发出预警。在出现预警后，可对阴极和阳极所记录电导率值进行比较，能够快速定位问题所在。 [0079] 与实施例1相比，本实施例提供的装置具有如下有益效果： [0080] 1、在出现预警后，对阴极和阳极的电导率值进行比较，能够快速定位问题所在（靠近阴极的质子交换膜降解还是靠近阴极的质子交换膜降解）。 [0081] 2、电导率传感器所在位置靠近箱体底部，可增加电导率读取频率，提高精确度。 [0082] 3、避免了因生成水量太小而无法淹没电导率传感器位置的问题，集成了在线电导率传感器、液位传感器、电磁阀以及尾排水进出口，能够自动将所测电导率与基准值进行比较，如果发现质子交换膜衰减，则发出预警通知。 [0083] 以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。 |
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