淺析氫燃料電池發動機及其輔助系統狀態監測與故障診斷

摘 要：氫燃料電池發動機作為氫能車輛核心動力單元，其電堆運行狀態健康監測和故障診斷直接影響車輛使用和電堆的壽命。當前采用的監測手段主要是對電堆電流和電堆單片電壓的監控，通過判斷電堆各個單體的電壓一致性，以及是否有出現個別單體電壓低的問題來判斷電堆的健康狀態。存在的問題是沒有對先期機械故障即早期零部件失效進行監控，電堆能否正常工作也受制于提供空氣和冷卻的主要零件空壓機和水泵的影響，當前僅通過電壓巡檢器對電堆單體電壓的監測被動的報警，當報警時已經出現零件機械結構問題需要車輛進站維修更換零部件，影響車輛的正常出勤。所以有必要通過振動信號進行空壓機、水泵等零部件故障的先期診斷評估，并在車輛保養或者閑時進行維修，可避免影響車輛正常營運，減少客戶抱怨。

關鍵詞：氫燃料電池發動機 故障診斷 電堆

氫能產業發展中長期規劃（2021-2035 年）中提出穩慎推動氫能在交通、儲能、發電、工業等領域的多元應用。在2021年國家推出五大示范運營城市群獎補政策，進入示范城市群名單的各城市都在如火如荼的推行氫能車輛，受限于加氫站的建設速度當前氫能在交通領域的應用主要集中在商用車領域，商用車作為盈利工具其出勤率要求極高，出現故障后車輛進站維修將直接影響收入。同時商用車日運行里程長，平均日里程達到300km以上，該工況導致氫燃料電池發動機長時間運行，直接導致電堆故障率增加。

1 當前氫燃料電池發動機及其輔助系統狀態監測現狀

氫燃料電池發動機的工作原理是氫氣和氧氣在催化劑的作用下發生電化學反應產生電和水的過程。氫燃料電池發動機在工作時需要氫氣和氧氣在電堆內進行反應，電堆提供反應的場所，電堆內部起到催化作用的是膜電極上的鉑，提供氫氣、空氣和冷卻液流道的是雙極板。該電化學反應對氫氣和氧氣的溫度、壓力和流量均有要求，尤其是催化劑活性受反應溫度影響較大。滿足電堆反應要求需要大量的輔助零件介入，本文將這些零件統稱為氫燃料電池發動機附件。

為了便于說明氫燃料電池發動機附件的工作以及狀態監測方法，本文展示了某氫燃料電池發動機的原理圖用于介紹氫氣供給系統、空氣供給系統、冷卻液系統各子模塊具體功能，如圖1所示。

1.1 氫氣供給系統

1.1.1 氫氣供給系統構成

氫氣供給系統是氫燃料電池發動機工作的燃料供給系統，車載氫氣供給系統需要具備高壓氫氣的存儲、充放和減壓功能。目前車規級的高壓氣態儲氫瓶有35MPa和70MPa兩種，氫燃料電池電堆反應時對氫氣的壓力要求一般是280kPa，所以需要專用的減壓閥進行減壓。氫氣供給系統構成零部件及其功用和監測信號如表1所示。

1.1.2 氫氣供給系統狀態監測與故障診斷分析

供氫系統控制器通過實時監控瓶口閥內置的溫度壓力傳感器監控儲氫瓶內的氫氣溫度和壓力變化，并依據溫度和壓力計算出當下儲氫系統剩余的氫氣量，于此同時控制器還通過氫氣濃度傳感器監控氫氣泄漏量信號。供氫系統控制器軟件內設置溫度和壓力以及氫氣泄漏量的閾值，并劃分幾個報警等級。最后將報警和相關信號同步到整車控制器，由整車控制器進行下一步深度處理。

1.2 空氣供給系統

1.2.1 空氣供給系統構成

氫燃料電池發動機的電堆電化學反應需要氫氣和氧氣，氫氣由車載的供氫系統提供。氧氣一般在航天領域使用，在車輛上應用需要考慮成本和儲氧系統重量等因素，結合空氣成分中就含有約21%的氧氣，所以車輛上不使用純氧，而是直接使用空氣經過空氣供給系統處理后提供。

氫燃料電池發動機的電堆電化學反應除了對空氣的溫度、濕度、壓力、流量有要求以外，其催化劑對空氣成分也有較高要求，為避免催化劑中毒需要將空氣中的硫化物、氮氧化物等過濾掉。空氣供給系統構成零部件及其功用和監測信號如表2所示。

1.2.2 空氣供給系統狀態監測與故障診斷分析

空氣系統控制器通過實時監空壓機轉速、空壓機溫度和電流電壓信號確定空壓機工作狀態。通過空壓機轉速和背壓閥開度的聯合控制進去電堆參加反應空氣的壓力和流量，通過流量傳感器監測流量是否正常。

空氣系統控制器軟件內設置溫度和壓力以及空氣流量的閾值，并劃分幾個報警等級。最后將報警和相關信號同步到整車控制器，由整車控制器進行下一步深度處理。

1.3 冷卻系統

氫燃料電池發動機的電堆電化學反應產生的熱需要通過冷卻液帶走，冷卻系統主要有水泵、三通閥、去離子罐、電加熱器、散熱器風扇總成、膨脹水箱等零件構成，冷卻系統與空氣供給系統監測手段類似本文不再贅述。

2 當前氫燃料電池發動機狀態監測手段存在的問題和改進建議

氫燃料電池發動機及其輔助系統狀態監測和故障診斷存在的問題主要是被動的監測電壓、電流、壓力、氫氣濃度等物理信號，這些信號出現問題時已經有機械零部件故障。即當前監測方式未從機械結構前期失效角度進行信號監控和針對機械系統的故障診斷。

2.1 空氣供給系統故障實例

實際應用過程中空氣供給系統監測的信號是空氣流量、空壓機轉速、空壓機電流、空壓機電壓、背壓閥開度、旁通閥開度、截止閥位置。

問題發生時以上信號均在設計閾值范圍內，但電堆因為空氣供應不足導致堵水單體電壓一致性出現問題。通過增大空氣流量的方式測試，故障有所減輕，故懷疑空氣供給系統發生泄漏。泄漏分為三種情況，具體如表3所示。

經過逐一排除最終定位到加濕器內部裂紋導致內漏，故障圖片如圖3所示。

2.2 改進建議

依靠當前氫燃料電池發動機現有的傳感器檢測的信號不能準確識別機械故障，包活裂紋和先期磨損等失效。

建議增加振動信號的狀態監測，通過對正常氫燃料發動機各零部件及整機系統的振動信號采集和分析。通過對振動信號的頻譜分析、時域分析和特征提取，最終實現可以通過振動識別出氫燃料電池發動機及其輔助系統中存在的故障，如加濕器內部裂紋、空壓機軸承磨損、水泵葉片故障等。

3 結語

當前氫能產業處于初級階段，氫燃料電池發動機不像傳統內燃機那樣成熟。經過2021年到2024年初這3年的示范應用，終端市場上普遍暴露出來電堆的耐久問題。因為電堆壽命問題導致更換氫燃料電池發動機頻繁（每臺車平均每年都要更換一次，有些使用工況惡劣更換時間則更短），機械結構問題尚未被充分重視，進而導致各氫能企業目前仍未關注機械結構失效問題，投入的研發力量也較少。

隨著技術的不斷突破，氫燃料電池發動機的壽命將不斷提高，機械結構失效將會越來越突出，通過振動進行故障診斷的方法將會被企業應用。

參考文獻：

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