CN214588927U - 一种燃料电池测试台的节能供气*** - Google Patents

一种燃料电池测试台的节能供气*** Download PDF

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董义文
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Abstract

本实用新型属于燃料电池测试领域，公开了一种燃料电池测试台的节能供气***，包括主路，主路包括依次顺序连接的空滤器、空压机、冷却器、主路阀、流量计、增湿器；所述增湿器末端与电堆阴极入口相连接，所述电堆出口与背压阀连接；所述测试台内还设有一条支路，所述支路入口连接端设在冷却器和主路阀之间，所述支路出口连接端设在电堆和背压阀之间；所述支路上设有支路调节阀。该***结构简单，能够显著降低能耗，节省成本，提高生产效率。

Description

一种燃料电池测试台的节能供气***
技术领域
本实用新型属于燃料电池测试领域，本实用新型涉及一种燃料电池测试台的节能供气***，涉及一种测试台内置或邻近设置的节能供气***。具体为涉及一种质子交换膜燃料电池测试和活化台的电池阴极空气供应***。
背景技术
燃料电池的研究和生产需要进行测试。测试使用的设备一般称作测试台。测试台由几个子***组成，包括电堆的阳极燃料氢气供应、电堆的冷却、电堆的阴极氧化剂空气供应、对生成的电力消耗用的电子负载，以及控制***如PLC***等组成。其中，阴极空气供应是主要的能量消耗子***，需要重点降低其能量消耗。
燃料电池测试，特别是增压型氢质子交换膜燃料电池测试，需要使用空压机为电堆提供增压的阴极空气作为反应氧化剂，其运行压力一般随功率上升而上升。这是由于随着功率输出的提高，电流密度相应增加，消耗氧气的速率上升，需要采用增压方式提高氧气浓度，降低所谓浓差扩散对氧气传递带来的不利影响。
应用中的燃料电池发动机***的供气空压机随电堆输出高低来改变转速，高输出对应高转速高压高气量，低输出对应低转速低压低气量。另一方面，气体在流场中受到的阻力随气体流量的增加快速增加，这是高流量需要高压的另外一个主要原因。
对于空气的提供，特别是对于大功率测试，一般由测试台外的远程供气***，包括压缩和储存罐，经过管道和阀门等，克服阻力，输送到测试台。空压机提供高压气源，其气体压力大多采用0.7MPag，然后在测试台减压，到达燃料电池在0.02～0.20MPag使用，少量可能在0.30MPag使用，大比例的压缩功被浪费掉，并且供气***占地和设备造价都比较多。特别是在大功率测试中，采用连接远程的常规压缩和储存供应的方式，空间、造价和能量消耗都远超测试台本体内置或邻近配制的低压供气方式。
电堆运行具有低功率采用空气低压、低流量，高功率采用空气高压、高流量的特点，因此，内置或邻近配制压缩机供气的测试台，如果整体技术不做研究，直接使用的空压机在使用中容易发生空压机特有的某段流量的喘振。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种燃料电池测试台的阴极空气供应子***，简称一种燃料电池测试台的节能供气***，该***结构简单，能够显著降低能耗，节省成本，提高生产效率。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池测试台的节能供气***，包括主路，主路包括依次顺序连接的空滤器、空压机、冷却器、主路阀、流量计、增湿器；所述增湿器末端与电堆阴极入口相连接，所述电堆出口与背压阀连接；所述***还设有一条支路，所述支路入口连接端设在冷却器和主路阀之间，所述支路出口连接端设在电堆和背压阀之间；所述支路上设有支路调节阀。
进一步的，所述空压机为低压空压机；所述空压机设置在测试台内部或设置在测试台外部邻近处。
进一步的，所述空压机设置在测试台内部时，空压机与测试台相隔1～5m；
进一步的，所述空压机设置在测试台内部时，所述主路与支路设置在测试台内部；当空压机设置在测试台外部处时，所述空滤器、空压机、冷却器顺序连接的主路设置在测试台外部；
当空压机设置在测试台外部处时，所述背压阀通过管路连接有排气管，排气管及其管路设置在测试台外部；所述空滤器还连接有新空气管，所述冷却器与主路阀之间通过供气管连接。
进一步的，所述电堆设置在测试台外部；
进一步的，所述增湿器与电堆之间还设有气体检测器；用于检测空气温度、压力、湿度。
进一步的，所述支路调节阀开度可调。
所述，所述电堆出口与背压阀连接的线路段为尾气排放线路段。
所述测试台节能供气***包括PLC***，PLC***分别与空压机、气源阀、供气阀、气体检测器、主路阀、流量计、增湿器、支路调节阀、背压阀相连接。
低压空压机额定流量的最高压力比电堆运行压力的0.02～0.20MPag高出0.1～0.3MPa，取 0.4～0.50MPag，作为对比，常规技术使用的空压机额定流量的最高压力一般为0.60～0.70MPag，因此本***比常规技术节能，同时，压力变化幅度下降，也因此本***的喘振流量发生的气体压力点也相对下降；
根据空压机的喘振特性和空压机转速调节滞后特性，本***在接近低流量喘振发生时，保持空压机转速，打开支路调节阀，部分气体流量从支路分流，到达电堆尾气排放线路段，电堆流量由主路流量计检测，作为控制支路调节阀开度的根据，这样既加快测试***对流量的调节速度，防止喘振发生，同时也使电堆流量降低到需要值；
所述气体检测器，包括检测温度、压力、湿度，检测电堆入口空气参数，气体检测器与PLC***相连接，将检测到的空气温度、湿度、压力和流量信号传递给PLC***，PLC***将信号作为调控依据，调节温度、湿度、压力和流量；
对于具体电堆，具体使用流量计和支路调节阀、背压阀来调控；
对于具体流量，超过喘振区流量150％以上时，当电堆流量需要调整，根据空压机工作曲线，空压机转速按照特性曲线运行；
当流量处于喘振区流量150％以下时，空压机转速不变，首先调整支路调节阀开度使流量计数据为***运行设定数据，然后调节背压阀调整运行压力为设定压力，然后再调整支路调节阀，两者不同时调整。
本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：
1)***测试条件更接近真实运行条件，更能反映出电堆在实际运行的表现，并有利于通过测试获得电堆使用条件的优化；
2)在电力方面会产生节能效果，特别是对于大功率测试或活化应用；
3)减少测试台外庞大的供气***，降低设备***的复杂性，有利于灵活布局；
4)有利于开发响应速度快的空气供应***，实现动态测试；
本实用新型提供一种燃料电池测试台的节能供气***，用于燃料电池测试台的空气供应，并具有良好的流量范围适应性。当电堆流量需要调整时，根据空压机工作曲线，空压机转速按照最佳特性曲线运行，当流量处于略高于喘振区流量以及更低时，空压机转速不变，首先调整支路调节阀开度使流量计数据为***运行设定数据，然后调节背压阀调整运行压力为设定压力，然后再依次调整调节阀和背压阀。本实用新型提供的***的有益之处在于测试条件更接近真实运行条件，更能反映出电堆在实际运行的表现，并有利于获得电堆使用条件的优化；在电力方面会产生节能效果，特别是对于大功率测试或活化应用；能够减少测试台外庞大的供气***，降低设备***的复杂性，方便于设备布局；有利于开发响应速度快的空气供应***和实现动态测试。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：
图1是现有测试的空气供应***结构示意图。
图2是本实用新型实施例1测试台内置的节能供气***结构示意图。
图3是本实用新型实施例2测试台分体式的节能供气***结构示意图。
图中1.现有空气供应***，2.阴极空气控制***，3.电堆，4.空气供应***，11.现有空滤器，12.高压空压机，13.现有冷却器，14.储气罐，21.气源阀，22.减压阀，23.供气阀，24.流量控制器，25.现有增湿器，26.现有气体检测器，27.现有背压阀，41.空滤器；42.空压机，43.冷却器，44.主路阀，45.流量计，46.增湿器，47.气体检测器，48.支路调节阀，49.背压阀，431.供气管，432.室内外间隔，433.新空气管，434.排气管。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本实用新型进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。
本实施例与PLC***相连接的空压机、气源阀、供气阀、增湿器气体检测器、主路阀、流量计、支路调节阀、背压阀均不限定与某一型号，所述气源阀、供气阀、主路阀、支路调节阀、背压阀为能够接受PLC***控制信号实现开闭功能的阀门均可；所述流量计型号不限、能够实现流量测量并将信号反馈给PLC***功能的仪表即可；所述气体检测器型号不限、能够实现温度测量、湿度测量、压力测量和流量测量并将信号反馈给PLC***功能的气体检测器即可。为简化和突出本项技术的表述，其中的氢气***、冷却***、控制***未予表示，但不影响技术内容的实质。
实施例1
一种测试台的节能供气***，如图2所示，包括主路，主路包括依次顺序连接的空滤器 41、空压机42、冷却器43、主路阀44、流量计45、增湿器46；所述增湿器46末端与电堆3阴极入口相连接，所述电堆3出口与背压阀49连接；所述***还设有一条支路，所述支路入口连接端设在冷却器43和主路阀44之间，所述支路出口连接端设在电堆3和背压阀49之间；所述支路上设有支路调节阀48。
所述空压机42为低压空压机；
所述电堆3设置在测试台外部；
所述增湿器46与电堆3之间还设有气体检测器47；用于检测空气温度、压力、湿度。
所述支路调节阀48开度可调。
所述测试台节能供气***包括PLC***，PLC***分别与空压机42、气源阀、供气阀、气体检测器47、主路阀44、流量计45、增湿器46、支路调节阀48、背压阀49相连接。
在测试台内使用低压空压机42，其额定流量的最高压力高于电堆运行的最高压力0.10～0.30MPa，优选为0.40～0.50MPag，其压缩产生的热量也相对对比例的高压空压机12产生的热量少，因此冷却器43需要的冷却负荷比现有冷却器13负荷小。
部分操作工况时，如同时快速截止主路和支路通气、空压机42因惯性尚未停止运转，会产生比价大的震动和噪音。为此，支路连接在冷却器43与主路阀44之间，而不采用在主路阀44与流量计45之间。
低压空压机42额定流量的最高压力低于常规技术采用的空压机，因此其喘振流量发生点的压力值相对下降，直接可控的稳定流量区间增加。
根据具体低压空压机42的喘振特性流量值，接近喘振发生时，取喘振点流量的150％流量，保持低压空压机42转速，打开支路调节阀48，部分气体流量从支路分流，到达电堆尾气排放线路段上的背压阀48，电堆3流量由主路流量计45检测，是控制支路调节阀48开度的根据，使电堆3流量降低到需要值。
对于具体电堆3，其采用的不同空压机42的最佳运行特性曲线各不相同，测试台***根据不同的空压机42特性曲线对电堆3运行有选择地模拟流量压力关系，具体使用流量计45 和支路调节阀48、背压阀49来调控。
对于具体流量，超过喘振区流量150％以上时，当电堆3流量需要调整，根据空压机42 工作曲线，空压机42转速按照最佳特性曲线运行；
当流量处于喘振区流量150％以下时，低压空压机42转速不变，首先调整支路调节阀48 开度使流量计45数据为***运行设定数据，再调节背压阀49调整运行压力为设定压力，然后再调整支路调节阀48，两者不同时调整。
实施例2
一种测试台的节能供气***，如图3所示。包括主路，主路包括依次顺序连接的空滤器 41、空压机42、冷却器43、主路阀44、流量计45、增湿器46；所述增湿器46末端与电堆3阴极入口相连接，所述电堆3出口与背压阀49连接；所述***还设有一条支路，所述支路入口连接端设在冷却器43和主路阀44之间，所述支路出口连接端设在电堆3和背压阀49之间；所述支路上设有支路调节阀48。
所述空压机42为低压空压机；
所述电堆3设置在测试台外部；
所述增湿器46与电堆3之间还设有气体检测器47；用于检测空气温度、压力、湿度。
所述支路调节阀48开度可调。
所述测试台节能供气***包括PLC***，PLC***分别与空压机42、气源阀、供气阀、气体检测器47、主路阀44、流量计45、增湿器46、支路调节阀48、背压阀49相连接。
空压机在测试台框架邻近外置的方式，即，与测试台主体是处于分体的外部连接方式。
空压机42设置于测试台4框架之外，空压机42与测试台相隔1～5m，使用管道连接空压机42与测试台主体；空压机42连接冷却器后使用耐压软管供气管431连接，减少气流引起的震动和震动的传导。空压机42设置于测试台4放置的近处，接近于建筑的室内外间隔432，通过进气管新空气管433穿过室内外间隔432，将室外的新空气吸入，经过空滤器41后空压机42将空气压缩，再经过冷却器43冷却，耐压软管供气管431连接输送到测试台4测试框架中；电堆使用后的空气经过测试台4的控制阀49、排气管434，穿过室内外间隔432，排往建筑物室外。
对比例1：
测试台，特别是对于大功率测试，一般由测试台外的远程供气***，包括压缩和储存罐，经过管道和阀门等，输送到测试台，提供高压气源，其气体压力大多采用0.7MPag，然后在测试台减压，到达燃料电池在0.02～0.20MPag使用，少量可能在0.30MPag使用，大比例的压缩功被浪费掉。
如图1所示，现有测试台的阴极空气供应***空气供应***1主要由现有空滤器11、高压空压机12、现有冷却器13、储气罐14组成，经过阀门控制以及管道***，从距离测试台的远程位置，送达测试台的阴极空气控制***2，再经气源阀21、减压阀22、供气阀23、流量控制器24、现有增湿器25、现有气体检测器26，到达电堆3，再从电堆3返回测试台，通过现有背压阀27控制电堆3的压力，排放出去，完成阴极空气的管理。其中的高压空压机 12一般是0.7MPag规格，这也是由于必须经过储存罐15、与测试台连接的长管路压力损失、减压阀22减压损失。
这样，不仅上述压缩功因先高压再减压而浪费掉，供气***占地和设备造价也比较多，布局也受到管道在建筑物中安排的限制。在大功率测试中，采用连接远程的常规压缩和储存供应的方式，空间、造价和能量消耗都超过本实用新型提供的***，即测试台本体内采用低压供气方式。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种燃料电池测试台的节能供气***，其特征是，包括主路，主路包括依次顺序连接的空滤器(41)、空压机(42)、冷却器(43)、主路阀(44)、流量计(45)、增湿器(46)；所述增湿器(46)末端与电堆(3)阴极入口相连接，所述电堆(3)出口与背压阀(49)连接；所述测试台内还设有一条支路，所述支路入口连接端设在冷却器(43)和主路阀(44)之间，所述支路出口连接端设在电堆(3)和背压阀(49)之间；所述支路上设有支路调节阀(48)。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池测试台的节能供气***，其特征是，所述空压机(42)为低压空压机。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池测试台的节能供气***，其特征是，所述电堆(3)设置在测试台外部。
4.如权利要求3所述的一种燃料电池测试台的节能供气***，其特征是，所述增湿器(46)与电堆(3)之间还设有气体检测器(47)。
5.如权利要求4所述的一种燃料电池测试台的节能供气***，其特征是，所述空压机设置在测试台内部或设置在测试台外部相隔1-5m处。
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