CN116979096A - 一种燃料电池电堆阳极模拟装置及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池电堆阳极模拟装置，包括：氢气主流道、第一比例阀、加湿***、换热***、氢气消耗模拟组件和电堆模拟器控制器，氢气主流道一端设置有电堆氢气入口、相对的另一端设置有电堆氢气出口，第一比例阀设置在氢气主流道上，加湿***包括加湿器，氢气消耗模拟组件包括气体支流道、第二比例阀和气体质量流量计，气体支流道连通至第一比例阀、加湿***之间的氢气主流道，气体支流道上设置有第二比例阀、气体质量流量计。本发明还公开了一种燃料电池电堆阳极模拟方法。本发明相较于现有技术，单独模拟燃料电池电堆阳极侧的反应过程，可以用于燃料电池氢气子***零部件的测试和标定，无需在燃料电池***组装完成后标定。
Description
技术领域
本发明涉及氢能与燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆阳极模拟装置及模拟方法。
背景技术
燃料电池是一个复杂耦合的发电***。燃料电池电堆中的质子交换膜非常薄，若阴阳极压差控制不稳极易造成膜的损坏，从而极易造成燃料电池的关键核心部件电堆的损坏。燃料电池电堆需要保证其阴阳极压差在合理的范围内。
为了测试和标定燃料电池零部件和各种控制参数，获得燃料电池***在不同工况下的数据，所使用的测试***需要与所测工况相对应。
现有燃料电池***测试设备通常对整个***进行测试，此外也有对燃料电池***中单一零部件进行测试的测试设备，但是缺少对燃料电池***中燃料电池子***的测试标定设备，且现有的燃料电池***及关键零部件的测试台架需要使用氢气和真实的电堆，也就意味着需要在燃料电池***组装完成后，才能对关键零部件进行标定，标定工作中存在电堆损坏风险，且无法进行离线标定。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种燃料电池电堆阳极模拟装置及模拟方法，解决直接在燃料电池***上进行在线标定本造成的能源消耗大、易失误，导致核心部件电堆损坏、标定成本增加的问题。
为了实现上述目的，一方面，本申请公开了一种燃料电池电堆阳极模拟装置，包括：氢气主流道、第一比例阀、加湿***、换热***、氢气消耗模拟组件和电堆模拟器控制器，氢气主流道一端设置有电堆氢气入口、相对的另一端设置有电堆氢气出口，电堆氢气入口用于通入氢气，电堆氢气入口处设置有第一温度检测器、第一压力检测器和第一湿度检测器，电堆氢气出口用于排出氢气，电堆氢气出口处设置有第二温度检测器、第二压力检测器和第二湿度检测器，第一比例阀设置在氢气主流道上，第一比例阀用于通过控制开度模拟燃料电池电堆的气体流阻，加湿***包括加湿器，加湿器输出端连通湿度调整腔，湿度调整腔设置在氢气主流道上，换热***包括板式换热器，板式换热器用于加热氢气主流道内流经板式换热器的氢气，氢气消耗模拟组件包括气体支流道、第二比例阀和气体质量流量计，气体支流道连通至第一比例阀、加湿***之间的氢气主流道，气体支流道上设置有第二比例阀、气体质量流量计。
作为上述技术方案的进一步描述：
加湿***还包括第一水箱、第一水泵和第一液体质量流量计，第一水箱连接第一水泵，第一水泵连接加湿器，第一水泵与加湿器之间的流体管道上设置有第一液体质量流量计。
作为上述技术方案的进一步描述：
加湿器为离心式加湿器或超声波加湿器。
作为上述技术方案的进一步描述：
第一水泵与加湿器之间的流体管道上还设置有加湿温度传感器。
作为上述技术方案的进一步描述：
换热***还包括电加热器、第二水泵和散热器，板式换热器设置在氢气主流道上，板式换热器连接电加热器，板式换热器和电加热器之间的流体管路上设置有换热温度传感器，第二水泵连接散热器，散热器一侧设置有散热风扇。
另一方面，本申请还公开了一种基于上述燃料电池电堆阳极模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
S1、模拟装置上电；
S2、电堆模拟器控制器接收上位机模拟燃料电池电堆工况点需求，判断工况点功率是否大于0，工况点功率大于0则执行步骤S3，工况点功率不大于0则执行步骤S10；
S3、电堆模拟器控制器从预存数据库内查表电堆手册，得到当前工况点的电堆阳极侧流阻；
S4、电堆模拟器控制器调整氢气主流道上第一比例阀的开度，模拟电堆阳极侧的流阻；
S5、电堆模拟器控制器从预存数据库内查表电堆手册，得到当前工况点的电堆阳极侧的产水量；
S6、电堆模拟器控制器计算当前工况点的产热量；
S7、电堆模拟器控制器根据产热量控制板式换热器温度升高，模拟电堆出口温度；
S8、电堆模拟器控制器计算电堆当前工况点氢气的消耗量，通过控制第二比例阀开度，并使用气体质量流量计作为反馈环节进行组合控制，模拟电堆的氢气消耗量；
S9、在根据电堆上一工况点氢气消耗量调整第二比例阀开度的基础上，重复上述步骤S2-步骤S8；
S10、模拟装置停止运行。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，电堆模拟器控制器控制第一比例阀的开度可以模拟燃料电池电堆在不同功率下的流阻情况，电堆模拟器控制器控制加湿器进行氢气的加湿，模拟电堆在不同的运行功率下的阳极侧产水或阴极侧渗透水分情况，电堆模拟器控制器控制板式换热器的温度达到模拟燃料电池电堆出口温度。模拟装置中还设置了氢气消耗模拟组件，在第一比例阀模拟了燃料电池电堆的气体流阻的基础上，通过控制氢气消耗模拟组件中第二比例阀的开度，可以从气体支流道排出一部分通入的氢气，从而模拟燃料电池电堆在不同的功率点下氢气的消耗量，同时通过气体质量流量计监测氢气排出量，从而使得电堆模拟器控制器可以利用气体质量流量计来做一个闭环的PID控制，使第二比例阀模拟氢气的消耗值更准确。模拟装置单独模拟燃料电池电堆阳极侧的反应过程，可以用于燃料电池氢气子***零部件的测试和离线标定，无需在燃料电池***组装完成后标定。
2、本发明中，采集电堆入口的温度、压力、湿度和出口的温度、压力、湿度，与模拟装置中对电堆氢气入口处氢气的温度、压力、湿度和电堆氢气出口处的氢气的温度、压力、湿度进行对比，验证电堆模拟器控制器控制模拟装置模拟的燃料电池电堆阳极，与实际是否存在偏差。如果有偏差，电堆模拟器控制器会实时闭环控制，使电堆模拟器能够模拟真实的反应过程。这样利用该燃料电池阳极侧电堆模拟器，加上燃料电池原有氢气子***零部件后，可以对氢气子***零部件进行测试和标定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为一种燃料电池电堆阳极模拟装置的架构图。
图2为一种燃料电池电堆阳极模拟方法的流程图。
图3为基于本申请中一种燃料电池电堆阳极模拟装置搭建的燃料电池氢气子***关键零部件测试标定台架***架构图。
图4为基于本申请中一种燃料电池电堆阳极模拟装置搭建的燃料电池氢气子***关键零部件测试标定台架三维示意图一。
图5为基于本申请中一种燃料电池电堆阳极模拟装置搭建的燃料电池氢气子***关键零部件测试标定台架三维示意图二。
图6为基于本申请中一种燃料电池电堆阳极模拟装置搭建的燃料电池氢气子***关键零部件测试标定流程图。
图例说明：
1、氢气主流道；2、第一比例阀；3、加湿***；31、第一水箱；32、第一水泵；33、第一液体质量流量计；34、加湿器；4、换热***；41、板式换热器；42、电加热器；421、换热温度传感器；43、第二水泵；44、散热器；441、散热风扇；5、氢气消耗模拟组件；51、气体支流道；52、第二比例阀；53、气体质量流量计；
1A、标定用水箱；3A、标定用水泵；4A、标定用储水桶；8A、标定用氢气入口流量计；7A、标定用第一开关阀；9A、标定用比例阀；10A、标定用引射器；11A、标定用第二开关阀；12A、标定用第三开关阀；6A、标定用第四开关阀；13A、标定用氢气循环泵；14A、标定用第五开关阀；15A、标定用排氢阀；16A、标定用水汽分离器；17A、标定用排水阀；18A、标定用测循环氢气的流量计；19A、标定用压力传感器；20A、标定用氢气消耗量流量计；21A、标定用增湿器；22A、标定用水流量计。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一方面，本申请公开了一种燃料电池电堆阳极模拟装置，包括：氢气主流道1、第一比例阀2、加湿***3、换热***4、氢气消耗模拟组件5和电堆模拟器控制器，氢气主流道1一端设置有电堆氢气入口、相对的另一端设置有电堆氢气出口，电堆氢气入口用于通入氢气，电堆氢气入口处设置有第一温度检测器、第一压力检测器和第一湿度检测器，对电堆氢气入口处氢气的温度、压力、湿度进行测量，电堆氢气出口用于排出氢气，电堆氢气出口处设置有第二温度检测器、第二压力检测器和第二湿度检测器，对电堆氢气出口处的氢气的温度、压力、湿度进行测量，第一比例阀2设置在氢气主流道1上，第一比例阀2用于通过控制开度模拟燃料电池电堆的气体流阻，加湿***3包括加湿器34，加湿器34输出端连通湿度调整腔，湿度调整腔设置在氢气主流道1上，换热***4包括板式换热器41，板式换热器41用于加热氢气主流道1内流经板式换热器41的氢气，氢气消耗模拟组件5包括气体支流道51、第二比例阀52和气体质量流量计53，气体支流道51连通至第一比例阀2、加湿***3之间的氢气主流道1，气体支流道51上设置有第二比例阀52、气体质量流量计53。
电堆模拟器控制器采集传感线信号，并控制各执行部件的运行，在燃料电池关键零部件测试和标定的时候，接收台架上位机的指令，根据当前所需标定的工况点和电堆发电功率点，通过计算和查表获取电堆的流阻、产水量、产热量、氢气消耗量，通过控制各执行部件实现电堆流阻/产水/产热/氢气消耗的控制。
电堆模拟器控制器控制第一比例阀2的开度可以模拟燃料电池电堆在不同功率下的流阻情况，电堆模拟器控制器控制加湿器34进行氢气的加湿，模拟电堆在不同的运行功率下的阳极侧产水或阴极侧渗透水分情况，电堆模拟器控制器控制板式换热器41的温度达到模拟燃料电池电堆出口温度。模拟装置中还设置了氢气消耗模拟组件5，在第一比例阀2模拟了燃料电池电堆的气体流阻的基础上，通过控制氢气消耗模拟组件5中第二比例阀52的开度，可以从气体支流道51排出一部分通入的氢气，从而模拟燃料电池电堆在不同的功率点下氢气的消耗量，同时通过气体质量流量计53监测氢气排出量，从而使得电堆模拟器控制器可以利用气体质量流量计53来做一个闭环的PID控制，使第二比例阀52模拟氢气的消耗值更准确。模拟装置单独模拟燃料电池电堆阳极侧的反应过程，可以用于燃料电池氢气子***零部件的测试和离线标定，无需在燃料电池***组装完成后标定。
采集电堆入口的温度、压力、湿度和出口的温度、压力、湿度，与模拟装置中对电堆氢气入口处氢气的温度、压力、湿度和电堆氢气出口处的氢气的温度、压力、湿度进行对比，验证电堆模拟器控制器控制模拟装置模拟的燃料电池电堆阳极，与实际是否存在偏差。如果有偏差，电堆模拟器控制器会实时闭环控制，使电堆模拟器能够模拟真实的反应过程。这样利用该燃料电池阳极侧电堆模拟器，加上燃料电池原有氢气子***零部件后，可以对氢气子***零部件进行测试和标定。
加湿***3还包括第一水箱31、第一水泵32和第一液体质量流量计33，第一水箱31连接第一水泵32，第一水泵32连接加湿器34，第一水泵32与加湿器34之间的流体管道上设置有第一液体质量流量计33。
电堆模拟器控制器控制第一水泵32从第一水箱31泵水至加湿器34，加湿器34控制湿度调整腔内的湿度，使得通入湿度调整腔的氢气湿度发生变化，实现氢气的加湿，模拟电堆在不同的运行功率下的阳极侧产水或阴极侧渗透水分情况。氢气湿度的调整通过调整第一水泵32的泵水量、改变加湿器34的加湿效果来实现，泵水量通过第一液体质量流量计33反馈的水流量实现控制，
加湿器34为离心式加湿器或超声波加湿器。这样对空气进行加湿时，产生冷的小水珠，避免调整气体湿度时对空气温度造成影响，使得电堆模拟器控制器在控制气体温度、湿度时，两者的控制更为独立，互不干扰，提高控制的精确度。
第一水泵32与加湿器34之间的流体管道上还设置有加湿温度传感器。加湿温度传感器用于测量第一水泵32供给至加湿器34的水的温度，并反馈至电堆模拟器控制器。电堆模拟器控制器的模拟存在偏差(即气体温度出现偏差)、调整板式换热器41的温度时，先检测第一水泵32供给至加湿器34的水的温度，基于加湿时供给的水的温度变化，进行板式换热器41加热温度的调整。即电堆模拟器控制器进行板式换热器41温度调整时，补偿加湿时供给的水的温度变化，排除加湿***3加湿对气体温度调整的干扰。
换热***4还包括电加热器42、第二水泵43和散热器44，板式换热器41设置在氢气主流道1上，板式换热器41连接电加热器42，板式换热器41和电加热器42之间的流体管路上设置有换热温度传感器421，第二水泵43连接散热器44，散热器44一侧设置有散热风扇441。换热***4中换热介质在板式换热器41、电加热器42、第二水泵43和散热器44之间循环流动，第二水泵43用于保证换热介质的流动。流经板式换热器41处的氢气被加热，电堆模拟器控制器通过控制第二水泵43的转速、电加热器42的加热功率、散热风扇441的转速，来控制板式换热器41的温度达到模拟燃料电池电堆出口温度，模拟氢气在燃料电池电堆内的温度上升。换热温度传感器421反馈温度数据至电堆模拟器控制器，以便于电堆模拟器控制器调整电加热器42的加热功率。
另一方面，本申请还公开了一种基于上述燃料电池电堆阳极模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
S1、模拟装置上电；
S2、电堆模拟器控制器接收上位机模拟燃料电池电堆工况点需求，判断工况点功率是否大于0，工况点功率大于0则执行步骤S3，工况点功率不大于0则执行步骤S10；
S3、电堆模拟器控制器从预存数据库内查表电堆手册，得到当前工况点的电堆阳极侧流阻；
S4、电堆模拟器控制器调整氢气主流道1上第一比例阀2的开度，模拟电堆阳极侧的流阻；
S5、电堆模拟器控制器从预存数据库内查表电堆手册，得到当前工况点的电堆阳极侧的产水量；
S6、电堆模拟器控制器计算当前工况点的产热量，具体通过产水量这一数据，根据预设的产热量计算公式，计算产热量，产热量计算公式通过以往实际测得的产水量和产热量数据对应关系总结归纳得到；
S7、电堆模拟器控制器根据产热量控制板式换热器41温度升高，模拟电堆出口温度；
S8、电堆模拟器控制器计算电堆当前工况点氢气的消耗量，通过控制第二比例阀52开度，并使用气体质量流量计53作为反馈环节进行组合控制，模拟电堆的氢气消耗量；
S9、在根据电堆上一工况点氢气消耗量调整第二比例阀52开度的基础上，重复上述步骤S2-步骤S8；
S10、模拟装置停止运行。
实施例2
燃料电池阳极侧电堆模拟器是燃料电池电堆单独的阳极侧模拟器，该模拟器可以模拟燃料电池电堆真实的阳极侧反应过程，可以利用所模拟的燃料电池运行环境来测试燃料电池氢气子***零部件。利用该燃料电池阳极侧电堆模拟器，加上燃料电池原有氢气子***零部件后，可以对氢气子***零部件进行测试和标定。特别的，针对包括比例阀、氢气循环泵或引射器、或氢气循环泵和引射器的串并联结构、排氢阀和排水阀在内的氢气子***的零部件的控制策略测试和数据标定。
利用该电堆模拟器可以搭建燃料电池氢气子***测试台，测试台架构图如图3所示，该测试台进行零部件选型后进行装配集成，其三维模型如图4-5所示。对燃料电池氢气子***中的关键零部件如比例阀、排氢阀进行离线标定的流程如图6所示。
与现有技术相比，使用电堆模拟器可以更方便的获取满足电堆对于氢气压力和流量需求的比例阀开度和循环泵转速标定数据，提前获取比例阀开度、循环泵转速、排氢阀开启时间和开启频率、并对排氢阀的开启导致的压力损失由比例阀开度进行补偿等标定量，而不用在真实的燃料电池***下获取此系列的标定值，提前获取的标定参数作为燃料电池控制器的控制参数用于真实燃料电池***的控制。避免直接控制比例阀、引射器、循环泵、排氢阀和排水阀等氢气子***零部件的方法不当可能会导致的燃料电堆的损坏，比如压力过高、流量过大、供应不足、氢饥饿、水淹、脱水、温度过高或过低等现象出现导致电堆寿命衰减或损坏。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种燃料电池电堆阳极模拟装置，其特征在于，包括：氢气主流道(1)、第一比例阀(2)、加湿***(3)、换热***(4)、氢气消耗模拟组件(5)和电堆模拟器控制器，所述氢气主流道(1)一端设置有电堆氢气入口、相对的另一端设置有电堆氢气出口，所述电堆氢气入口用于通入氢气，所述电堆氢气入口处设置有第一温度检测器、第一压力检测器和第一湿度检测器，所述电堆氢气出口用于排出氢气，所述电堆氢气出口处设置有第二温度检测器、第二压力检测器和第二湿度检测器，所述第一比例阀(2)设置在所述氢气主流道(1)上，所述第一比例阀(2)用于通过控制开度模拟燃料电池电堆的气体流阻，所述加湿***(3)包括加湿器(34)，所述加湿器(34)输出端连通湿度调整腔，所述湿度调整腔设置在所述氢气主流道(1)上，所述换热***(4)包括板式换热器(41)，所述板式换热器(41)用于加热所述氢气主流道(1)内流经所述板式换热器(41)的氢气，所述氢气消耗模拟组件(5)包括气体支流道(51)、第二比例阀(52)和气体质量流量计(53)，所述气体支流道(51)连通至所述第一比例阀(2)、所述加湿***(3)之间的所述氢气主流道(1)，所述气体支流道(51)上设置有所述第二比例阀(52)、所述气体质量流量计(53)。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆阳极模拟装置，其特征在于，所述加湿***(3)还包括第一水箱(31)、第一水泵(32)和第一液体质量流量计(33)，所述第一水箱(31)连接所述第一水泵(32)，所述第一水泵(32)连接所述加湿器(34)，所述第一水泵(32)与所述加湿器(34)之间的流体管道上设置有所述第一液体质量流量计(33)。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆阳极模拟装置，其特征在于，所述加湿器(34)为离心式加湿器或超声波加湿器。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池电堆阳极模拟装置，其特征在于，所述第一水泵(32)与所述加湿器(34)之间的流体管道上还设置有加湿温度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆阳极模拟装置，其特征在于，所述换热***(4)还包括电加热器(42)、第二水泵(43)和散热器(44)，所述板式换热器(41)设置在所述氢气主流道(1)上，所述板式换热器(41)连接所述电加热器(42)，所述板式换热器(41)和所述电加热器(42)之间的流体管路上设置有换热温度传感器(421)，所述第二水泵(43)连接散热器(44)，所述散热器(44)一侧设置有散热风扇(441)。
6.一种基于权利要求1-5任一所述燃料电池电堆阳极模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、模拟装置上电；
S2、电堆模拟器控制器接收上位机模拟燃料电池电堆工况点需求，判断工况点功率是否大于0，工况点功率大于0则执行步骤S3，工况点功率不大于0则执行步骤S10；
S3、电堆模拟器控制器从预存数据库内查表电堆手册，得到当前工况点的电堆阳极侧流阻；
S4、电堆模拟器控制器调整氢气主流道(1)上第一比例阀(2)的开度，模拟电堆阳极侧的流阻；
S5、电堆模拟器控制器从预存数据库内查表电堆手册，得到当前工况点的电堆阳极侧的产水量；
S6、电堆模拟器控制器计算当前工况点的产热量；
S7、电堆模拟器控制器根据产热量控制板式换热器(41)温度升高，模拟电堆出口温度；
S8、电堆模拟器控制器计算电堆当前工况点氢气的消耗量，通过控制第二比例阀(52)开度，并使用气体质量流量计(53)作为反馈环节进行组合控制，模拟电堆的氢气消耗量；
S9、在根据电堆上一工况点氢气消耗量调整第二比例阀(52)开度的基础上，重复上述步骤S2-步骤S8；
S10、模拟装置停止运行。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311000259.1A CN116979096A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 一种燃料电池电堆阳极模拟装置及模拟方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311000259.1A CN116979096A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 一种燃料电池电堆阳极模拟装置及模拟方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116979096A true CN116979096A (zh) | 2023-10-31 |
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ID=88474857
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311000259.1A Pending CN116979096A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 一种燃料电池电堆阳极模拟装置及模拟方法 |
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| CN (1) | CN116979096A (zh) |
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2023
- 2023-08-09 CN CN202311000259.1A patent/CN116979096A/zh active Pending
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