氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统、轨道交通车辆技术方案

本发明专利技术公开了一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统，包括在车辆启动时获取启动时刻高压储氢罐内氢气的温度和压强，并计算启动时刻高压储氢罐内氢气质量；在车辆运行时获取运行时刻高压储氢罐内氢气的温度和压强，计算运行时刻高压储氢罐内氢气质量；计算氢燃料电池电堆发电所消耗的氢气质量；计算高压储氢罐所输出的氢气质量；计算泄漏参数；根据泄漏参数判断是否存在氢气泄漏；该方法及系统不受传感器布置位置的限制，能够检测出任意情况下的氢气泄漏现象，覆盖面广；相较于传统方法，温度传感器和压强传感器具有灵敏度高、性能稳定、使用寿命长的特点。使用寿命长的特点。使用寿命长的特点。

【技术实现步骤摘要】
氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统、轨道交通车辆


[0001]本专利技术属于轨道交通车辆氢燃料电池系统
，尤其涉及一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统、轨道交通车辆。

技术介绍

[0002]氢燃料电池系统通常包括高压储氢罐、供氢管路、氢燃料电池模块以及散热冷却装置，高压储氢罐通过供氢管路向氢燃料电池模块供应氢气，在供氢管路上设置阀门，通过控制阀门的开闭来控制高压储氢罐向氢燃料电池模块的通气量，在氢燃料电池模块内利用氢和氧之间的电化学反应产生电能。氢燃料电池系统作为一种能量转换装置，具有零污染、高效率、低噪声等优点，高度契合未来轨道交通车辆对牵引供电系统的要求。目前，氢燃料电池系统的关键技术指标包括能量密度、功率密度、效率、体积和使用寿命等，已满足轨道交通车辆牵引供电的需求。氢燃料电池机车、工程车、动车组和有轨电车等产品相继研发成功，并投入商业运营。
[0003]氢燃料电池系统以氢气(H2)为燃料。氢气是一种易燃、易爆的危险气体，在空气中爆炸浓度极限4％～75％(体积分数)，自燃点500℃，最小点火能量0.019mJ，火焰温度2045℃，一旦泄漏容易引发火灾和爆炸，对司乘人员的生命安全构成严重的威胁。因此，氢气泄漏检测是氢燃料电池系统必不可少的安全功能之一。
[0004]目前，氢燃料电池系统的氢气泄漏检测主要通过氢气浓度传感器实现。当发生氢气泄漏时，泄漏的H2分子与氢气浓度传感器的敏感元件反应产生电信号并发送至控制器；控制器根据电信号解析出氢气浓度，并向截止阀发送关闭指令，从而关断氢气回路，阻止氢气继续泄漏。根据H2分子与敏感元件的反应原理，氢气浓度传感器可分为半导体型、热电型和电化学型等类型。
[0005]采用氢气浓度传感器检测氢气泄漏，需要将传感器安装在氢燃料电池系统易发生泄漏的位置(如高压储氢罐罐口)以及易发生氢气聚集的位置(如装置顶部布置多个氢气浓度传感器)，该方法具有如下不足之处：
[0006](1)需要设置多个氢气浓度传感器，系统结构复杂，成本高；
[0007](2)仅能探测氢气浓度传感器安装位置附近发生的氢气泄漏，覆盖面有限；
[0008](3)氢气浓度传感器的稳定性和灵敏性较差，输出信号弱，使用寿命短；
[0009](4)车辆停放期间，对氢气浓度传感器及其控制器的供电中断，因此无法对车辆停放期间的氢气泄漏问题实施有效监测。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统、轨道交通车辆，以解决采用氢气浓度传感器进行泄漏检测所存在的结构复杂，成本高，覆盖面有限，使用寿命短，以及无法监测车辆停放期间的氢气泄漏问题。
[0011]本专利技术是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种氢燃料电池系统氢气
泄漏检测方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1：在车辆启动时，获取启动时刻t0高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据启动时刻t0高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在启动时刻t0高压储氢罐内氢气质量m0；
[0013]步骤2：在车辆运行时，设每个检测周期为Δt，以运行时刻t为当前检测周期的终点时刻，运行时刻t－Δt为当前检测周期的起点时刻，获取起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m
t－Δt
；
[0014]获取终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m
t
；
[0015]步骤3：在车辆运行时，按照电流传感器采样周期持续采集氢燃料电池系统的输出电流i；
[0016]步骤4：根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m
t－Δt
和终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m
t
计算当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m
sup
；
[0017]步骤5：根据当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的输出电流i的波形计算当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q；根据当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m
con
；
[0018]步骤6：根据当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m
sup
、氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m
con
和当前检测周期Δt内所述氢燃料电池系统主动排放的氢气质量m
ex
，计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的泄漏参数L；
[0019]步骤7：判断所述泄漏参数L是否小于等于运行时氢气泄漏安全阈值，如果是，则当前检测周期Δt内不存在氢气泄漏，否则当前检测周期Δt内存在氢气泄漏；
[0020]步骤8：重复步骤2～7，对下一个检测周期Δt内的氢气泄漏进行检测，直到车辆停止运行。
[0021]本专利技术所述方法在车辆运行期间，能够实时、有效地检测出氢燃料电池系统在工作期间发生的氢气泄漏问题，无需在易泄漏位置和氢气易聚集位置配置多个专门的氢气浓度传感器，系统结构简单，降低硬件成本；在进行氢气泄漏检测时不受传感器布置位置的限制，能够检测出任意位置发生的氢气泄漏现象，覆盖面广；相较于氢气浓度传感器，温度传感器和压强传感器具有灵敏度高、性能稳定、使用寿命长的特点，延长了该方法所对应的检测系统的使用寿命和可靠性。
[0022]进一步地，所述步骤2中，根据某一时刻高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在该时刻高压储氢罐内氢气的质量的具体计算公式为：
[0023][0024]其中，m为该时刻高压储氢罐内的氢气质量，μ为氢气的摩尔质量，R为摩尔气体常数，T为对应时刻高压储氢罐内氢气的温度，p为对应时刻高压储氢罐内氢气的压强，V为高压储氢罐体积。
[0025]进一步地，所述步骤4中，当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m
sup
的具体计算公式为：
[0026]m
sup
＝m
t
‑
Δt
‑
m
t
。
[0027]进一步地，所述步骤5中，当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q的具体计算公式为：
[0028][0029]其中i为电流传感器采集的氢燃料电池系统的输出电流。
[0030]优选地，所述步骤5中，当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m
con
的具体计算公式为：
[0031][0032]其中，μ为氢气的摩尔质量，Q
e
为单个电子所带电荷，N
A
为阿伏伽德罗常数。
[0033]进一步地，所述步骤6中，主动排放的氢气质量m
ex
的具体计算公式为：
[0034]m
ex
＝n...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在车辆启动时，获取启动时刻t0高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据启动时刻t0高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在启动时刻t0高压储氢罐内氢气质量m0；步骤2：在车辆运行时，设每个检测周期为Δt，以运行时刻t为当前检测周期的终点时刻，运行时刻t－Δt为当前检测周期的起点时刻，获取起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m
t－Δt
；获取终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m
t
；步骤3：在车辆运行时，按照电流传感器采样周期持续采集氢燃料电池系统的输出电流i；步骤4：根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m
t－Δt
和终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m
t
计算当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m
sup
；步骤5：根据当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的输出电流i的波形计算当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q；根据当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m
con
；步骤6：根据当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m
sup
、氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m
con
和当前检测周期Δt内所述氢燃料电池系统主动排放的氢气质量m
ex
，计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的泄漏参数L；步骤7：判断所述泄漏参数L是否小于等于运行时氢气泄漏安全阈值，如果是，则当前检测周期Δt内不存在氢气泄漏，否则当前检测周期Δt内存在氢气泄漏；步骤8：重复步骤2～7，对下一个检测周期Δt内的氢气泄漏进行检测，直到车辆停止运行。2.如权利要求1所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：所述步骤2中，根据某一时刻高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在该时刻高压储氢罐内氢气的质量的具体计算公式为：其中，m为该时刻高压储氢罐内的氢气质量，μ为氢气的摩尔质量，R为摩尔气体常数，T为对应时刻高压储氢罐内氢气的温度，p为对应时刻高压储氢罐内氢气的压强，V为高压储氢罐体积。3.如权利要求1所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：所述步骤4中，当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m
sup
的具体计算公式为：m
sup
＝m
t
‑
Δt
‑
m
t
。4.如权利要求1所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：所述步骤5中，当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q的具体计算公式为：其中i为电流传感器采集的氢燃料电池系统的输出电流；
优选地，所述步骤5中，当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m
con
的具体计算公式为：其中，μ为氢气的摩尔质量，Q
e
为单个电子所带电荷，N
A
为阿伏伽德罗常数。5.如权利要求1所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：所述步骤6中，当前检测周期Δt内主动排放的氢气质量m
ex
的具体计算公式为：m
ex
＝n
×
m
ex0
其中，n为当前检测周期Δt内主动排放氢气时排放阀的开启次数，m
ex0
为排放阀单次开启时主动排放的氢气质量；优选地，排放阀单次开启时主动排放的氢气质量m
ex0
的获取方式为：在所述氢燃料电池系统组装完成后且在装车前，通过试验使氢燃料电池系统按照设计工况运行，收集排...

【专利技术属性】
技术研发人员：江大发，蒋忠城，张俊，李旺，何妙，金淼鑫，郭冰彬，李登科，张波，罗志翔，万平，刘晓波，陈晶晶，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：