本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜类的氢燃料电池电堆内部破损泄漏的检测方法及装置。
背景技术：
根据氢/空质子交换膜燃料电池的工作机理，电堆工作时内部长时间处于高温、高压、潮湿、酸性等相对恶劣的环境。这会加速燃料电池内部各个部件的侵蚀老化。因而，燃料电池在经过长时间运行之后，有可能出现电堆内部破损，包括极板的腐蚀破裂，膜片破损以及密封圈老化失效等故障。一旦出现类似故障，氢气与空气会在单侧流道内发生混合泄漏。当氢气浓度达到一定临界值时，在催化剂作用下，将会导致氢气发生剧烈反应甚至爆炸的危险。
然而，氢燃料电池电堆完成成组安装后，由于密封、压紧等工艺要求一般无法再进行拆分检测。这就给这一类的故障检测提出了很高的要求。很多时候，电堆的内部破损是在电堆工作的过程中发生的。这就需要燃料电池控制系统对这一类故障进行实时检测，以便对燃料电池进行及时关停。但是，在电堆内部发生破损泄漏初期，泄露点通常较小，一般的检测方法很难检测出来。因而及时、有效的电堆内部破损泄漏的检测方法和装置，对于燃料电池系统的安全运行是至关重要的。
技术实现要素：
本发明主要是解决现有技术所存在的缺乏对氢气微量泄漏进行有效检测的方法的技术问题，提供一种简单、快速、灵敏度和准确度高的氢燃料电池电堆内部破损泄漏的检测方法及装置。
本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种氢燃料电池电堆内部破损泄漏的检测方法，基于后述的检测装置，包括以下步骤：
S01、氢气压力传感器采集燃料电池电堆氢气出口压力P1；空气压力传感器采集燃料电池电堆空气出口压力P2；
S02、计算氢气出口压力P1和空气出口压力P2的压力差△P，计算公式为：△P＝P1-P2；
S03、如果压力差△P大于第一预定阈值Pmax，燃料电池控制器控制空压机增大空气入口的输入气体压力；如果压力差△P小于第二预定阈值Pmin，燃料电池控制器控制空压机减小空气入口的输入气体压力；
S04、氢气浓度传感器检测气体分离装置顶端的氢气浓度C并发送给燃料电池控制器，如果氢气浓度C大于第三预定阈值C0，则进入步骤S05；
S05、燃料电池控制器关闭电堆并向外发送氢气泄漏报警信号。
本方案分别采集燃料电池电堆氢气出口和空气出口的压力，调节空压机的工作状态，确保电堆内部氢气压力相对高于空气压力。当氢燃料电池发生电堆内部破损泄漏的之后，氢气会在压差作用下向空气侧泄漏，部分氢气会随着空气一起从空气流道排出到电堆外。然后在电堆空气出口处加装一个气体分离器，利用氢气密度比空气小很多的特点，将氢气从空气中分离出来。当空气内包含泄漏氢气时，氢气会在气体分离器上部堆积，而空气则从气体分离装置下部开口处排出。在气体分离器上部加装一个氢气浓度传感器，当氢气浓度高于设定值时，传感器发送报警信号，让控制器及时关闭电堆，从而达到故障检测并且安全关闭的目的。
空压机以每秒1％的速率逐步增大或减小空气入口的输入气体压力直至压力差△P为第一预定阈值和第二预定阈值的均值。
作为优选，所述第一预定阈值Pmax由以下公式确定：
Pmax＝Kmax×P1
式中，Kmax为上限比例，K0为上限基准比例，PB为标准气压，T为电堆温度，TB为标准温度，S为温度系数。
作为优选，所述第二预定阈值Pmin由以下公式确定：
Pmin＝Kmin×P1
式中，Kmin为下限比例，K1为上限基准比例，PB为标准气压，T为电堆温度，TB为标准温度，S为温度系数。
当堆内的气压越高，上限比例和下限比例都相应降低；堆内温度越高，上限比例和下限比例适当进行降低修正。上限基准比例一般为50％，下限比例一般为10％，并可以根据实际需要进行调整。标准气压、标准温度和温度系数根据不同的电堆而设定，属于经验参数。
作为优选，所述第三预定阈值C0为3.5％。第三预定阈值可以根据需要设定，但是不能大于氢气的爆炸浓度。
一种氢燃料电池电堆内部破损泄漏的检测装置，运行有前述的检测方法，包括：
燃料电池控制器，所述燃料电池控制器接收各个传感器的信号，并控制空压机的工作状态；所述燃料电池还通过关闭信号连接到电堆，并通过报警信号连接外部设备；
氢气压力传感器，用于采集氢燃料电池电堆氢气出口的压力并将采集结果发送到燃料电池控制器；
空气压力传感器，用于采集氢燃料电池电堆空气出口的压力并将采集结果发送到燃料电池控制器；
气体分离装置，所述气体分离装置内部为空腔，气体分离装置的入口连接氢燃料电池电堆的空气出口，气体分离装置的入口设置在侧壁的中部，气体分离装置的出口设置在装置底板上，气体分离装置的顶部设有氢气浓度传感器，所述氢气浓度传感器连接燃料电池控制器。
作为优选，所述气体分离装置上部为锥形或台形(例如圆锥或圆台)，氢气浓度传感器安装在锥形或台形的顶部。
锥形或台形空腔更利于氢气的富集，提高装置的检测灵敏度。
作为优选，所述锥形或台形的顶部设有排气阀。
当电堆停止并报警以后，可以通过打开排气阀来释放气体分离装置中的氢气。
作为优选，所述气体分离装置内部设有若干块扰流板，扰流板与气体分离装置的入口垂直并且中部开有通孔，相邻的两块扰流板的通孔保持错位，即相邻两块扰流板的通孔不在同一直线上。
从入口进入气体分离装置的空气冲击到扰流板上，空气流速放缓，有足够的时间让氢气从空气中分离并聚集到顶部。
本发明带来的实质性效果是，能够及时、有效地检测到电堆内部破损泄漏，并采取适当的保护措施，提高了氢燃料电池的安全性。
附图说明
图1是本发明的一种装置结构示意图；
图中：1、燃料电池控制器；2、氢气压力传感器；3、空气压力传感器；4、气体分离装置；5、氢气浓度传感器；6、排气阀；7、氢燃料电池电堆；8、氢气循环泵；9、进氢组件；10、空压机；11、过滤器；12、扰流板。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种氢燃料电池电堆内部破损泄漏的检测装置，如图1所示，包括燃料电池控制器1、氢气压力传感器2、空气压力传感器3和气体分离装置4。氢气从进氢组件9进入到燃料电池电堆7内，空气经过过滤器11过滤后在空压机10的鼓动下进入燃料电池电堆内，氢气循环泵8将氢气出口排出的氢气再次输送到燃料电池电堆的氢气入口出，提高原料的使用率。
燃料电池控制器接收各个传感器的信号，并控制空压机的工作状态；燃料电池还通过关闭信号连接到电堆，并通过报警信号连接外部设备(上位机)；
氢气压力传感器用于采集氢燃料电池电堆氢气出口的压力并将采集结果发送到燃料电池控制器；
空气压力传感器用于采集氢燃料电池电堆空气出口的压力并将采集结果发送到燃料电池控制器；
气体分离装置内部为空腔，气体分离装置的入口连接氢燃料电池电堆的空气出口，气体分离装置的入口设置在侧壁的中部，气体分离装置的出口设置在装置底板上，气体分离装置的顶部设有氢气浓度传感器5，所述氢气浓度传感器连接燃料电池控制器。
空气在进入此装置后，如果含有部分氢气，在气体扰动的过程中，氢气密度较小，会在气体分离装置上方堆积。
气体分离装置上部为圆台形，氢气浓度传感器安装在圆台形的顶部。圆台形空腔更利于氢气的富集，提高装置的检测灵敏度。
圆台形的顶部设有排气阀6。
当电堆停止并报警以后，可以通过打开手动排气阀来释放气体分离装置中的氢气。
气体分离装置内部设有若干块扰流板12，扰流板与气体分离装置的入口垂直并且中部开有通孔，相邻的两块扰流板的通孔保持错位。从入口进入气体分离装置的空气冲击到扰流板上，空气流速放缓，有足够的时间让氢气从空气中分离并聚集到顶部。
电堆内部还设有温度传感器，温度传感器与燃料电池控制器连接。
一种氢燃料电池电堆内部破损泄漏的检测方法，基于前述的检测装置，包括以下步骤：
S01、氢气压力传感器采集燃料电池电堆氢气出口压力P1；空气压力传感器采集燃料电池电堆空气出口压力P2；
S02、计算氢气出口压力P1和空气出口压力P2的压力差△P，计算公式为：△P＝P1-P2；
S03、如果压力差△P大于第一预定阈值Pmax，燃料电池控制器控制空压机增大空气入口的输入气体压力；如果压力差△P小于第二预定阈值Pmin，燃料电池控制器控制空压机减小空气入口的输入气体压力；
S04、氢气浓度传感器检测气体分离装置顶端的氢气浓度C并发送给燃料电池控制器，如果氢气浓度C大于第三预定阈值C0，则进入步骤S05；
S05、燃料电池控制器关闭电堆并向外发送氢气泄漏报警信号。
本方案分别采集燃料电池电堆氢气出口和空气出口的压力，调节空压机的工作状态，确保电堆内部氢气压力相对高于空气压力。当氢燃料电池发生电堆内部破损泄漏的之后，氢气会在压差作用下向空气侧泄漏，部分氢气会随着空气一起从空气流道排出到电堆外。然后在电堆空气出口处加装一个气体分离器，利用氢气密度比空气小很多的特点，将氢气从空气中分离出来。当空气内包含泄漏氢气时，氢气会在气体分离器上部堆积，而空气则从气体分离装置下部开口处排出。在气体分离器上部加装一个氢气浓度传感器，当氢气浓度高于设定值时，传感器发送报警信号，让控制器及时关闭电堆，从而达到故障检测并且安全关闭的目的。
空压机以每秒1％的速率逐步增大或减小空气入口的输入气体压力直至压力差△P为第一预定阈值和第二预定阈值的均值。
第一预定阈值Pmax由以下公式确定：
Pmax＝Kmax×P1
式中，Kmax为上限比例，K0为上限基准比例，PB为标准气压，T为电堆温度，TB为标准温度，S为温度系数。
第二预定阈值Pmin由以下公式确定：
Pmin＝Kmin×P1
式中，Kmin为下限比例，K1为上限基准比例，PB为标准气压，T为电堆温度，TB为标准温度，S为温度系数。
当堆内的气压越高，上限比例和下限比例都相应降低；堆内温度越高，上限比例和下限比例适当进行降低修正。上限基准比例一般为50％，下限比例一般为10％，并可以根据实际需要进行调整。标准气压、标准温度和温度系数根据不同的电堆而设定，属于经验参数。
第三预定阈值C0为3.5％或4000PPM。第三预定阈值可以根据需要设定，但是不能大于氢气的爆炸浓度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了气体分离装置、压力传感器、浓度传感器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。