浅析氢燃料电池发动机及其辅助系统状态监测与故障诊断

摘 要：氢燃料电池发动机作为氢能车辆核心动力单元，其电堆运行状态健康监测和故障诊断直接影响车辆使用和电堆的寿命。当前采用的监测手段主要是对电堆电流和电堆单片电压的监控，通过判断电堆各个单体的电压一致性，以及是否有出现个别单体电压低的问题来判断电堆的健康状态。存在的问题是没有对先期机械故障即早期零部件失效进行监控，电堆能否正常工作也受制于提供空气和冷却的主要零件空压机和水泵的影响，当前仅通过电压巡检器对电堆单体电压的监测被动的报警，当报警时已经出现零件机械结构问题需要车辆进站维修更换零部件，影响车辆的正常出勤。所以有必要通过振动信号进行空压机、水泵等零部件故障的先期诊断评估，并在车辆保养或者闲时进行维修，可避免影响车辆正常营运，减少客户抱怨。

关键词：氢燃料电池发动机 故障诊断 电堆

氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）中提出稳慎推动氢能在交通、储能、发电、工业等领域的多元应用。在2021年国家推出五大示范运营城市群奖补政策，进入示范城市群名单的各城市都在如火如荼的推行氢能车辆，受限于加氢站的建设速度当前氢能在交通领域的应用主要集中在商用车领域，商用车作为盈利工具其出勤率要求极高，出现故障后车辆进站维修将直接影响收入。同时商用车日运行里程长，平均日里程达到300km以上，该工况导致氢燃料电池发动机长时间运行，直接导致电堆故障率增加。

1 当前氢燃料电池发动机及其辅助系统状态监测现状

氢燃料电池发动机的工作原理是氢气和氧气在催化剂的作用下发生电化学反应产生电和水的过程。氢燃料电池发动机在工作时需要氢气和氧气在电堆内进行反应，电堆提供反应的场所，电堆内部起到催化作用的是膜电极上的铂，提供氢气、空气和冷却液流道的是双极板。该电化学反应对氢气和氧气的温度、压力和流量均有要求，尤其是催化剂活性受反应温度影响较大。满足电堆反应要求需要大量的辅助零件介入，本文将这些零件统称为氢燃料电池发动机附件。

为了便于说明氢燃料电池发动机附件的工作以及状态监测方法，本文展示了某氢燃料电池发动机的原理图用于介绍氢气供给系统、空气供给系统、冷却液系统各子模块具体功能，如图1所示。

1.1 氢气供给系统

1.1.1 氢气供给系统构成

氢气供给系统是氢燃料电池发动机工作的燃料供给系统，车载氢气供给系统需要具备高压氢气的存储、充放和减压功能。目前车规级的高压气态储氢瓶有35MPa和70MPa两种，氢燃料电池电堆反应时对氢气的压力要求一般是280kPa，所以需要专用的减压阀进行减压。氢气供给系统构成零部件及其功用和监测信号如表1所示。

1.1.2 氢气供给系统状态监测与故障诊断分析

供氢系统控制器通过实时监控瓶口阀内置的温度压力传感器监控储氢瓶内的氢气温度和压力变化，并依据温度和压力计算出当下储氢系统剩余的氢气量，于此同时控制器还通过氢气浓度传感器监控氢气泄漏量信号。供氢系统控制器软件内设置温度和压力以及氢气泄漏量的阈值，并划分几个报警等级。最后将报警和相关信号同步到整车控制器，由整车控制器进行下一步深度处理。

1.2 空气供给系统

1.2.1 空气供给系统构成

氢燃料电池发动机的电堆电化学反应需要氢气和氧气，氢气由车载的供氢系统提供。氧气一般在航天领域使用，在车辆上应用需要考虑成本和储氧系统重量等因素，结合空气成分中就含有约21%的氧气，所以车辆上不使用纯氧，而是直接使用空气经过空气供给系统处理后提供。

氢燃料电池发动机的电堆电化学反应除了对空气的温度、湿度、压力、流量有要求以外，其催化剂对空气成分也有较高要求，为避免催化剂中毒需要将空气中的硫化物、氮氧化物等过滤掉。空气供给系统构成零部件及其功用和监测信号如表2所示。

1.2.2 空气供给系统状态监测与故障诊断分析

空气系统控制器通过实时监空压机转速、空压机温度和电流电压信号确定空压机工作状态。通过空压机转速和背压阀开度的联合控制进去电堆参加反应空气的压力和流量，通过流量传感器监测流量是否正常。

空气系统控制器软件内设置温度和压力以及空气流量的阈值，并划分几个报警等级。最后将报警和相关信号同步到整车控制器，由整车控制器进行下一步深度处理。

1.3 冷却系统

氢燃料电池发动机的电堆电化学反应产生的热需要通过冷却液带走，冷却系统主要有水泵、三通阀、去离子罐、电加热器、散热器风扇总成、膨胀水箱等零件构成，冷却系统与空气供给系统监测手段类似本文不再赘述。

2 当前氢燃料电池发动机状态监测手段存在的问题和改进建议

氢燃料电池发动机及其辅助系统状态监测和故障诊断存在的问题主要是被动的监测电压、电流、压力、氢气浓度等物理信号，这些信号出现问题时已经有机械零部件故障。即当前监测方式未从机械结构前期失效角度进行信号监控和针对机械系统的故障诊断。

2.1 空气供给系统故障实例

实际应用过程中空气供给系统监测的信号是空气流量、空压机转速、空压机电流、空压机电压、背压阀开度、旁通阀开度、截止阀位置。

问题发生时以上信号均在设计阈值范围内，但电堆因为空气供应不足导致堵水单体电压一致性出现问题。通过增大空气流量的方式测试，故障有所减轻，故怀疑空气供给系统发生泄漏。泄漏分为三种情况，具体如表3所示。

经过逐一排除最终定位到加湿器内部裂纹导致内漏，故障图片如图3所示。

2.2 改进建议

依靠当前氢燃料电池发动机现有的传感器检测的信号不能准确识别机械故障，包活裂纹和先期磨损等失效。

建议增加振动信号的状态监测，通过对正常氢燃料发动机各零部件及整机系统的振动信号采集和分析。通过对振动信号的频谱分析、时域分析和特征提取，最终实现可以通过振动识别出氢燃料电池发动机及其辅助系统中存在的故障，如加湿器内部裂纹、空压机轴承磨损、水泵叶片故障等。

3 结语

当前氢能产业处于初级阶段，氢燃料电池发动机不像传统内燃机那样成熟。经过2021年到2024年初这3年的示范应用，终端市场上普遍暴露出来电堆的耐久问题。因为电堆寿命问题导致更换氢燃料电池发动机频繁（每台车平均每年都要更换一次，有些使用工况恶劣更换时间则更短），机械结构问题尚未被充分重视，进而导致各氢能企业目前仍未关注机械结构失效问题，投入的研发力量也较少。

随着技术的不断突破，氢燃料电池发动机的寿命将不断提高，机械结构失效将会越来越突出，通过振动进行故障诊断的方法将会被企业应用。

参考文献：

[1]袁凯，张利军，郭旭恒.基于大数据分析的电气柜状态监测与故障诊断优化策略研究[J].中国设备工程，2024（07）．

[2]蒋莉苹.汽车发动机状态监测与故障诊断技术研究[J].汽车测试报告，2023（20）．

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