CN114520352B - 气体压力控制装置及电堆测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体压力控制装置及电堆测试平台，气体压力控制装置包括加湿罐、输出阀及进气组件。ΔP1＝P‑P1、ΔP2＝P2‑P1；P为目标压力值、P1为待测电堆入口的压力值、P2为加湿罐内部的压力值。在需要提升待测电堆的气体压力时，气体流量控制点的气压先升高至目标压力值。当ΔP1大于a且ΔP2小于b时进气组件的目标流量增大，故能够使加湿罐快速升压以使电堆的入口尽快达到目标压力值。在需要降低待测电堆的气体压力时，气体流量控制点的气压先降低至目标压力值。当ΔP1小于c且ΔP2大于d时排气阀在开启，气体能够同时由输出阀及排气管路排出，故能够快速降低加湿罐及电堆内的气压，以使电堆的入口能够尽快达到目标压力值。因此，动态响应速率显著提升。

Description

气体压力控制装置及电堆测试平台

技术领域

本发明涉及燃料电池测试技术领域，特别涉及一种气体压力控制装置及电堆测试平台。

背景技术

电堆测试平台是燃料电池开发、性能评价、耐久性测试等不可或缺的设备。燃料电池的正常运行需要适当的反应气体流量。在测试过程中，需要切换进入电堆的气体压力，以测试不同气体压工况下电堆的工作状态。

气体的压力可通过气体流量控制点进行控制。但是，气体流量控制点与电堆入口之间一般包含加湿罐、加热器、管件等元件，故不可避免地存在较大地容腔。因此，当气体流量控制点的压力快速变化时，电堆入口的实际气体压力变化会存在滞后，并不会立即与气体流量控制点的需求的压力达到一致。也就是说，现有电堆测试平台的动态响应速率较低。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种提升动态响应速率的气体压力控制装置及电堆测试平台。

一种气体压力控制装置，包括加湿罐、输出阀及连接气体流量控制点与所述加湿罐的进气组件，待测电堆的入口及出口能够分别与所述加湿罐的出口及所述输出阀的入口连通，所述进气组件允许气体以目标流量流过，且在ΔP1大于a且ΔP2小于b时所述进气组件能够增大所述目标流量；所述气体压力控制装置还包括与所述待测电堆及所述输出阀并联的排气管路，所述排气管路包括排气阀，所述排气阀在ΔP1小于c且ΔP2大于d时开启；

其中，a、b、d均大于0、c小于0；ΔP1=P-PΔP2=P2-P1；P为所述气体流量控制点的目标压力值、P1为所述待测电堆入口的压力值、P2为所述加湿罐内部的压力值。

在其中一个实施例中，还包括设于所述气体流量控制点的气源，所述进气组件的入口与所述气源连通。

在其中一个实施例中，所述进气组件包括流量控制器，所述流量控制器的两端分别与所述流量控制点及所述加湿罐连通，所述流量控制器的控制流量可调，且在ΔP1大于a且ΔP2小于b时，所述流量控制器能够增大所述控制流量。

在其中一个实施例中，所述进气组件包括流量控制器及与所述流量控制器并联的充气管路，所述流量控制器的两端分别与所述流量控制点及所述加湿罐连通，所述充气管路包括充气阀，所述充气阀在ΔP1大于a且ΔP2小于b时开启。

在其中一个实施例中，所述充气管路的出口连接于所述加湿罐的入口。

在其中一个实施例中，所述充气阀及所述排气阀均为电磁阀。

在其中一个实施例中，所述排气管路的进气端连接于所述加湿罐的罐体。

在其中一个实施例中，a大于或等于2，c小于或等于﹣2。

一种电堆测试平台，包括两个如上述优选实施例中任一项所述的气体压力控制装置，两个所述气体压力控制装置的所述加湿罐用于分别与所述待测电堆的阳极及阴极连通。

在其中一个实施例中，在所述待测电堆的阳极的压力值与阴极的压力值的差值超过预设值时，两个所述气体压力控制装置的所述进气组件均维持所述目标流量恒定。

上述气体压力控制装置及电堆测试平台，在需要提升待测电堆的气体压力时，气体流量控制点的气压先升高至目标压力值。而且，当ΔP1大于a且ΔP2小于b时进气组件的目标流量增大，故能够使加湿罐快速升压以使电堆的入口尽快达到目标压力值。在需要降低待测电堆的气体压力时，气体流量控制点的气压先降低至目标压力值。而且，当ΔP1小于c且ΔP2大于d时排气阀在开启。此时，气体能够同时由输出阀及排气管路排出，故能够快速降低加湿罐及电堆内的气压，以使电堆的入口能够尽快达到目标压力值。因此，动态响应速率显著提升。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例中气体压力控制装置的模块示意图；

图2为本发明另一个实施例中体压力控制装置的模块示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种气体压力控制装置10。此外，本发明还提供了一种电堆测试平台（图未示），该电堆测试平台包括两个上述气体压力控制装置10。

电堆测试平台用于对燃料电池的电堆20进行测试。具体的，两个气体压力控制装置10用于分别向电堆20的阳极及阴极通入氢气及氧气，并能够控制通气的压力及流量。

请再次参阅图1，本发明一个实施例中的气体压力控制装置10包括加湿罐100、输出阀200、进气组件300及排气管路400。

进气组件300用于连接气体流量控制点与加湿罐100，待测电堆20的入口及出口能够分别与加湿罐100的出口及输出阀200的入口连通。气体流量控制点用于提供体气体（气体可以是氢气或氧气），并能够将输出的气体调整至所需的目标压力值。目标压力值根据测试工况的不同，是动态变化的。具体在本实施例中，气体压力控制装置10还包括设于气体流量控制点的气源500，进气组件300的入口与气源500连通。气源500可以存储气体，并可调节气体输出的压力。显然，在其他实施例中，气体流量控制点也可时能够与外接气源连通的接口。

气体流量控制点输出的气体经过进气组件300进入加湿罐100，在加湿罐100内达到所需的湿度后由待测电堆20的入口进入电堆20的内部。在电堆20内发生反应完后的气体由待测电堆20的出口进入输出阀200，并通过输出阀200排出。其中，进气组件300允许气体以目标流量流过。也就是说，由流量控制点输出进入加湿罐100的气体的流量，可以通过进气组件300定量控制。而且，输出阀200还能够维持预设的输出压力。因此，进气组件300与输出阀200配合，能够保证电堆20内气压的精度及稳定性。输出阀200一般采用背压阀。具体在本实施例中，输出阀200的出口还连接尾排600，以实现气体的无害排放。

气体压力控制装置10在工作过程中需要采集三个压力值，分别为气体流量控制点输出的目标压力值（记为P）、待测电堆20入口的压力值（记为P1）以及加湿罐100内部的压力值（记为P2）。目标压力值指的是对应的测试工况下，电堆20内所需达到的压力值。其中，ΔP1=P-P1，表示电堆20入口的实际压力相较于目标压力值的差值；ΔP2=P2-P1，表示电堆20入口的实际压力相较于加湿罐100内压力的差值。

正常测试时，进气组件300的目标流量保持恒定，故电堆20内进气量及气压能维持稳定。在ΔP1大于a且ΔP2小于b时，进气组件300能够增大目标流量。a、b均为大于0的数值，ΔP1＞a，表示电堆20入口的实际压力未达到目标压力值。此时，进气组件300增大目标流量能够增加进入加湿罐100气体的瞬时流量，从而使加湿罐100快速升压，进而使电堆的入口尽快达到目标压力值。

而且，由于ΔP2＜b，故表示加湿罐100内的压力与电堆20入口的压力的差值在一定范围内。如此，在进气组件300增大目标流量时，能够保证进入电堆20的实际流量在可控范围内，从而避免引起进入电堆20的瞬时流量过高。

为避免压力的波动导致进气组件300频繁调整目标流量，a的具体数值需要根据压力的波动范围确定。具体在本实施例中，a大于或等于2。b的具体数值体现出目标流量下加湿罐100至电堆200入口的流阻，可提前进行模拟或测试标定。

排气管路400与待测电堆20及输出阀200并联，排气管路400包括排气阀410。具体的，排气阀410的两端分别连接两根管道，两根管道的分别与电堆20的上游及输出阀200的下游连通。正常测试时，排气阀410处于关闭状态，气体只能经过输出阀200排出，从而维持电堆20内气压的稳定。

进一步的，在ΔP1小于c且ΔP2大于d时，排气阀410开启。d为大于0的数值，c为小于0的数值。ΔP1＜c，表示电堆20入口的实际压力已高于目标压力值。此时，排气阀410开启，气体能够同时由输出阀200及排气管路400排出，故能够快速降低加湿罐100及电堆内的气压，以使电堆20入口的压力能够尽快降至目标压力值。

具体在本实施例中，排气管路400的进气端连接于加湿罐100的罐体。如此，经由排气管路400排出的气体将不用与流经电堆20的气体共用部分管道，从而能够进一步提高加湿罐100的降压速度。

而且，由于ΔP2＞d，则表示在加速排气的过程中，加湿罐100内的压力始终比电堆20入口的压力高出一定值。因此，可保证进入电堆20的气体的实际流量不低于一定值，从而避免因进入电堆20的气体瞬时流量不够而导致电堆中某一个电池单体的电压很低（即“单低”）。

为避免压力的波动导致排气阀410频繁开启，c的具体数值需要根据压力的波动范围确定。具体在本实施例中，c小于或等于﹣2。d的具体数值体现出目标流量下加湿罐100至电堆200入口的流阻，可提前进行模拟或测试标定。

由此可见，在测试工况变化，需要改变电堆20内的气压时，气体压力控制装置10通过切换进气组件300及排气管路400的工作状态，能够使得进入电堆20内的气体压力快速达到目标压力值。因此，动态响应速率显著提升。

在本实施例中，在待测电堆20的阳极的压力值与阴极的压力值的差值超过预设值时，两个气体压力控制装置10的进气组件300均维持目标流量恒定。也就是说，当电堆20的阳极与阴极之间的压差过大时，进气组件300不会增大目标流量。如此，能够保证阳极的与阴极维持压力平衡。

请再次参阅图1，在本实施例中，进气组件300包括流量控制器310及与流量控制器310并联的充气管路320，流量控制器310的两端分别与流量控制点及加湿罐100连通，充气管路320包括充气阀321，充气阀321在ΔP1大于a且ΔP2小于b时开启。

正常测试时，充气阀321处于关闭状态，气体流量控制点输出的气体将仅通过流量控制器310进入加湿罐100内，并由流量控制器310将对流经的气体的流量限定为控制流量。此时，进气组件300的目标流量即为流量控制器310的控制流量。而在测试工况变化且目标压力值提高，并满足ΔP1大于a且ΔP2小于b时，充气阀321开启。此时，气体不仅能够通过流量控制器310进入加湿罐100内，还能够通过充气管路320进入加湿罐100内。因此，进气组件300的目标流量为流量控制器310的控制流量与充气管路320的流量之和，故目标流量将显著增大。

进一步的，在本实施例中，充气管路320的出口连接于加湿罐100的入口。因此，流经充气管路320的气体能够直接进入加湿罐100，避免与流经流量控制器310的气体共用部分管道，从而能够进一步提高加湿罐100的升压速度。

具体在本实施例中，充气阀321及排气阀410均为电磁阀。电磁阀响应快速，且调节方便。

请参阅图2，在另一个实施例中，进气组件300包括流量控制器310，流量控制器310的两端分别与流量控制点及加湿罐100连通，流量控制器310的控制流量可调，且在ΔP1大于a且ΔP2小于b时，流量控制器310能够增大控制流量。

具体的，气体流量控制点输出的气体将通过流量控制器310进入加湿罐100内，流量控制器310能够将流经的气体的流量限定为上述控制流量。因此，流量控制器310的控制流量即为进气组件300的目标流量。可见，通过调节流量控制器310的控制流量，便可对进气组件300的目标流量实现调节，气体压力控制装置10的结构更加简化。

上述气体压力控制装置10及电堆测试平台，在需要提升待测电堆20的气体压力时，气体流量控制点的气压先升高至目标压力值。而且，当ΔP1大于a且ΔP2小于b时进气组件300的目标流量增大，故能够使加湿罐100快速升压以使电堆的入口尽快达到目标压力值。在需要降低待测电堆20的气体压力时，气体流量控制点的气压先降低至目标压力值。而且，当ΔP1小于c且ΔP2大于d时排气阀410在开启。此时，气体能够同时由输出阀200及排气管路400排出，故能够快速降低加湿罐100及电堆20内的气压，以使电堆20的入口能够尽快达到目标压力值。因此，动态响应速率显著提升。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种气体压力控制装置，包括加湿罐、输出阀及连接气体流量控制点与所述加湿罐的进气组件，待测电堆的入口及出口能够分别与所述加湿罐的出口及所述输出阀的入口连通，其特征在于，所述进气组件允许气体以目标流量流过，且在ΔP1大于a且ΔP2小于b时所述进气组件能够增大所述目标流量；所述气体压力控制装置还包括与所述待测电堆及所述输出阀并联的排气管路，所述排气管路包括排气阀，所述排气阀在ΔP1小于c且ΔP2大于d时开启；

其中，a、b、d均大于0、c小于0；ΔP1=P-P1、ΔP2=P2-P1；P为所述气体流量控制点的目标压力值、P1为所述待测电堆入口的压力值、P2为所述加湿罐内部的压力值。

2.根据权利要求1所述的气体压力控制装置，其特征在于，还包括设于所述气体流量控制点的气源，所述进气组件的入口与所述气源连通。

3.根据权利要求1所述的气体压力控制装置，其特征在于，所述进气组件包括流量控制器，所述流量控制器的两端分别与所述流量控制点及所述加湿罐连通，所述流量控制器的控制流量可调，且在ΔP1大于a且ΔP2小于b时，所述流量控制器能够增大所述控制流量。

4.根据权利要求1所述的气体压力控制装置，其特征在于，所述进气组件包括流量控制器及与所述流量控制器并联的充气管路，所述流量控制器的两端分别与所述流量控制点及所述加湿罐连通，所述充气管路包括充气阀，所述充气阀在ΔP1大于a且ΔP2小于b时开启。

5.根据权利要求4所述的气体压力控制装置，其特征在于，所述充气管路的出口连接于所述加湿罐的入口。

6.根据权利要求4所述的气体压力控制装置，其特征在于，所述充气阀及所述排气阀均为电磁阀。

7.根据权利要求1所述的气体压力控制装置，其特征在于，所述排气管路的进气端连接于所述加湿罐的罐体。

8.根据权利要求1所述的气体压力控制装置，其特征在于，a大于或等于2，c小于或等于﹣2。

9.一种电堆测试平台，其特征在于，包括两个如上述权利要求1至8任一项所述的气体压力控制装置，两个所述气体压力控制装置的所述加湿罐用于分别与所述待测电堆的阳极及阴极连通。

10.根据权利要求9所述的电堆测试平台，其特征在于，在所述待测电堆的阳极的压力值与阴极的压力值的差值超过预设值时，两个所述气体压力控制装置的所述进气组件均维持所述目标流量恒定。