CN106410243A - 一种燃料电池实验台反馈调节系统及其工作方法 - Google Patents

一种燃料电池实验台反馈调节系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池实验台反馈调节系统，主要包括氢气罐、空气瓶、燃料电池、测量仪表、数据采集及处理系统等。还公开了上述系统的工作方法。本发明对燃料电池进气气体的某单一参数进行改变，同时保持其余参数不变的情况下对燃料电池性能多次进行测试，从而得出被测燃料电池堆的最优工作参数。通过本发明的燃料电池实验台反馈调节系统及其工作方法，可以进行燃料电池的单一参数变化测试，安全稳定地测得燃料电池在改变某单一变量的情况下的性能参数，借以更全面了解被测燃料电池的性能。并且此测试反应后只生成水，不含有任何污染物，实现了污染物零排放。

Description

一种燃料电池实验台反馈调节系统及其工作方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池实验台反馈调节系统及其工作方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为直流电的电化学能量转换器。燃料电池以氢气和空气为燃料，反应后生成水，无污染且可循环利用。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高(40％-60％)。燃料电池可以是理想的全固态机械结构，该系统具有高可靠性和长寿命，由于没有移动部件，意味着燃料电池非常安静。正因为燃料电池具有以上优点，所以它可作为汽车内燃机的替代产品，也可应用于小型集中供电或分散式供电系统中，是绿色环保能源，极具发展潜力和应用前景。
根据电池所用电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、聚合物电解质膜或质子交换膜燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池五类。其中质子交换膜燃料电池可在低温工作，并且具有较高的功率密度,所以在应用上很有吸引力。
在燃料电池单一参数对性能影响的测试中，需要多次测量，目的是要减小其他因素对实验结果的影响。专利(CN201210028345)给出的燃料电池堆控制系统中，各个参数在发生改变时没有进行反馈调节，这样在改变其中某一参数时，其他参数也可能随之发生变化，这样会造成很大的误差。
发明内容
本发明的目的是为了全面高效测试质子交换膜燃料电池的动态性能，在改变某单一变量(如压力、湿度、温度)的同时控制其他影响因素(主要是压力、湿度、温度)不变的情况下对燃料电池堆进行一系列测量，进而分析某单一参数改变对燃料电池性能的影响，进而找出燃料电池性能最佳时的各个参数的取值。
本发明提供了一种燃料电池实验台反馈调节系统，主要包括氢气罐、电控开关阀一、过滤器一、电控减压阀一、流量计一、压力表一、湿度计一、温度计一、电控开关阀二、电控开关阀三、加湿器一、压力表二、湿度计二、温度计二、数据采集及处理系统、氮气瓶、电控开关阀四、手动排水阀一、废水收集器一、过滤器二、去离子储水罐一、质子交换膜燃料电池、压力表三、湿度计三、温度计三、空气瓶、电控开关阀五、过滤器三、电控减压阀二、流量计二、压力表四、湿度计四、温度计四、电控开关阀六、电控开关阀七、加湿器二、手动排水阀二、废水收集器二、过滤器四、去离子储水罐二、背压阀、储水罐、手动排水阀三、废水收集器三。
氢气罐经电控开关阀一连接过滤器一。
过滤器一依次经过电控减压阀一、流量计一、压力表一、湿度计一、温度计一，再分别经过电控开关阀二、电控开关阀三连接至加湿器一。
质子交换膜燃料电池的阳极依次经过温度计二、湿度计二、压力表二连接在电控开关阀二和加湿器一之间。
质子交换膜燃料电池与数据采集及处理系统之间依次串接有压力表三、湿度计三和温度计三。数据采集及处理系统同时与温度计二连接。
空气瓶经电控开关阀五连接过滤器三。
过滤器三依次经过电控减压阀二、流量计二、压力表四、湿度计四、温度计四，再分别经过电控开关阀六、电控开关阀七连接至加湿器二。
质子交换膜燃料电池的阴极进气通道连接在电控开关阀六和加湿器二之间的管路上。
废水收集器一经手动排水阀一连接在加湿器一上。
去离子储水罐一经过滤器二连接在加湿器一上。
废水收集器二经手动排水阀二连接在加湿器二上。
去离子储水罐二经过滤器四连接在加湿器二上。
质子交换膜燃料电池另依次经过背压阀、储水罐、手动排水阀三与废水收集器三连接。
本发明还提供了前述一种燃料电池实验台反馈调节系统的工作方法：
改变气体压力、湿度或温度中的某一变量，保持其他变量不变；
气体通过测量及控制装置后，经湿度测量及控制装置控制湿度，再由温度测量及控制装置控制进气温度；
气体进入燃料电池充分反应排出后，对水气进行分离处理，再对气体各个参数进行测量；
最后在数据采集及处理系统进行汇总分析。
本发明对燃料电池进气气体的某单一参数进行改变，同时保持其余参数不变的情况下对燃料电池性能多次进行测试，从而得出被测燃料电池堆的最优工作参数。
通过本发明的燃料电池实验台反馈调节系统及其工作方法，可以进行燃料电池的单一参数变化测试，安全稳定地测得燃料电池在改变某单一变量的情况下的性能参数，借以更全面了解被测燃料电池的性能。并且此测试反应后只生成水，不含有任何污染物，实现了污染物零排放。
附图说明
图1是本发明燃料电池实验台反馈调节系统的总体方案流程图，
图中：1-氢气罐，2-电控开关阀一，3-过滤器一，4-电控减压阀一，5-流量计一，6-压力表一，7-湿度计一，8-温度计一，9-电控开关阀二，10-电控开关阀三，11-加湿器一，12-压力表二，13-湿度计二，14-温度计二，15-数据采集及处理系统，16-氮气瓶，17-电控开关阀四，18-手动排水阀一，19-废水收集器一，20-过滤器二，21-去离子储水罐一，22-质子交换膜燃料电池，23-压力表三，24-湿度计三，25-温度计三，26-空气瓶，27-电控开关阀五，28-过滤器三，29-电控减压阀二，30-流量计二，31-压力表四，32-湿度计四，33-温度计四，34-电控开关阀六，35-电控开关阀七，36-加湿器二，37-手动排水阀二，38-废水收集器二，39-过滤器四，40-去离子储水罐二，41-背压阀，42-储水罐，43-手动排水阀三，44-废水收集器三。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明的一种燃料电池实验台反馈调节系统，主要包括氢气罐1、电控开关阀一2、过滤器一3、电控减压阀一4、流量计一5、压力表一6、湿度计一7、温度计一8、电控开关阀二9、电控开关阀三10、加湿器一11、压力表二12、湿度计二13、温度计二14、数据采集及处理系统15、氮气瓶16、电控开关阀四17、手动排水阀一18、废水收集器一19、过滤器二20、去离子储水罐一21、质子交换膜燃料电池22、压力表三23、湿度计三24、温度计三25、空气瓶26、电控开关阀五27、过滤器三28、电控减压阀二29、流量计二30、压力表四31、湿度计四32、温度计四33、电控开关阀六34、电控开关阀七35、加湿器二36、手动排水阀二37、废水收集器二38、过滤器四39、去离子储水罐二40、背压阀41、储水罐42、手动排水阀三43、废水收集器三44。
上述各部件之间的具体连接关系描述如下。
本发明的氢气罐1经电控开关阀一2连接过滤器一3。
过滤器一3依次经过电控减压阀一4、流量计一5、压力表一6、湿度计一7、温度计一8，再分别经过电控开关阀二9、电控开关阀三10连接至加湿器一11。其中电控开关阀二9控制氢气进入质子交换膜燃料电池22阳极的不加湿通路，电控开关阀三10控制氢气进入质子交换膜燃料电池22阳极的加湿通路。
废水收集器一19经手动排水阀一18连接在加湿器一11上。
去离子储水罐一21经过滤器二20连接在加湿器一11上。
质子交换膜燃料电池22的阳极依次经过温度计二14、湿度计二13、压力表二12连接在电控开关阀二9和加湿器一11之间。
质子交换膜燃料电池22与数据采集及处理系统15之间依次串接有压力表三23、湿度计三24和温度计三25。数据采集及处理系统15同时与温度计二14连接。
本发明的空气瓶26经电控开关阀五27连接过滤器三28。
过滤器三28依次经过电控减压阀二29、流量计二30、压力表四31、湿度计四32、温度计四33，再分别经过电控开关阀六34、电控开关阀七35连接至加湿器二36。其中电控开关阀六34控制空气进入质子交换膜燃料电池22阴极的不加湿通路，电控开关阀七35控制空气进入质子交换膜燃料电池22阴极的加湿通路。
废水收集器二38经手动排水阀二37连接在加湿器二36上。
去离子储水罐二40经过滤器四39连接在加湿器二36上。
质子交换膜燃料电池22的阴极进气通道连接在电控开关阀六34和加湿器二36之间的管路上。
质子交换膜燃料电池22另依次经过背压阀41、储水罐42、手动排水阀三43与废水收集器三44连接。
本发明燃料电池参数控制系统的工作原理描述如下：
氢气罐1内的氢气首先经电控开关阀一2进入过滤器一3，去除氢气中的杂质和水汽后，经过电控减压阀一4由电控开关阀二9和电控开关阀三10分为两路，一路送入加湿器一11，一路进入质子交换膜燃料电池22的阳极。其中，在进入加湿器一11之前的管路上依次设置流量计一5、压力表一6、湿度计一7、温度计一8，对氢气的各项参数进行监测。在进入质子交换膜燃料电池22阳极之前的管路上依次设置压力表二12、湿度计二13、温度计二14对氢气的压力、湿度、温度进行检测，并将检测结果送至数据采集及处理系统15。
同理，空气瓶26内的空气首先经电控开关阀五27进入过滤器二28，去除空气中的杂质和水汽后，经过电控减压阀二29由电控开关阀六34和电控开关阀七35分为两路，一路送入加湿器二36，一路进入质子交换膜燃料电池22的阴极。其中，在进入加湿器二36之前的管路上依次设置流量计二30、压力表四31、湿度计四32、温度计四33，对空气的各项参数进行监测。
质子交换膜燃料电池22的反应区设置压力表三23、湿度计三24、温度计三25，对质子交换膜燃料电池22内气体压力、湿度、温度进行检测，并将检测结果送至数据采集及处理系统15。
数据采集及处理系统15根据阳极氢气各项参数以及反应区气体各项参数，对质子交换膜燃料电池22的工作状态进行自适应调整。如燃料电池内积水过多，则反应区湿度计三24检测值过高，数据采集及处理系统15指令电控开关阀三10关闭，停止对氢气加湿，并控制电控开关阀一2相应减小氢气进气量。如果反应区温度计25检测到燃料电池内温度过高，则数据采集及处理系统15指令电控开关阀三10相应增加开度，增大氢气湿度，同时控制电控开关阀一2相应减小氢气进气量。
此外，如图1所示，本发明中加湿器一、二上分别连接有补水(过滤器和去离子储水罐)和排水装置(手动排水阀和废水收集器)，能够对加湿器工作条件进行调节。
背压阀41、储水罐42、手动排水阀三43与废水收集器三44组成的排水系统，能够对质子交换膜燃料电池22工作生成的水进行自动排放、收集。
本发明通过燃料电池自身热量对进气温度进行调节，比如将进气管路的一段或一分支设置在燃料电池壳体内。对本领域技术人员来说，该技术容易实现，在此不做赘述。
基于上面介绍的一种燃料电池实验台反馈调节系统，本发明提出了一种燃料电池测试方法：
改变气体(氢气或空气)压力、湿度或温度中的某一变量，保持其他变量不变，反应气体进入燃料电池(氢气从电堆阳极进入，空气从电堆阴极进入)，气体通过各自的测量及控制装置(包括过滤器、减压阀、流量计、压力表、湿度计和温度计等一系列测量及控制装置)后，经湿度测量及控制装置(包括加湿通路、不加湿通路、加湿器)控制湿度，再由温度测量及控制装置(包括温度计)控制进气温度，气体进入燃料电池充分反应排出后，对水气进行分离处理，再对气体各个参数进行测量，最后在数据采集及处理系统进行汇总分析。
本发明的测试方法在改变气体的单一变量时，采用了反馈系统进行反馈调节，使温度、湿度、压力以及其他参数在整个实验台反馈调节系统工作时达到稳定，并通过数据采集与处理系统进行数据采集和后续处理。
本发明测试的燃料电池可以作为用于车载电源、家庭备用电源等。也可以用于交通工具上，如：汽车、火车、飞机、船舶、潜艇等。同时，也可应用在个人家庭、建筑或社区规模的分布式发电。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池实验台反馈调节系统，其特征在于：主要包括氢气罐(1)、电控开关阀一(2)、过滤器一(3)、电控减压阀一(4)、流量计一(5)、压力表一(6)、湿度计一(7)、温度计一(8)、电控开关阀二(9)、电控开关阀三(10)、加湿器一(11)、压力表二(12)、湿度计二(13)、温度计二(14)、数据采集及处理系统(15)、氮气瓶(16)、电控开关阀四(17)、手动排水阀一(18)、废水收集器一(19)、过滤器二(20)、去离子储水罐一(21)、质子交换膜燃料电池(22)、压力表三(23)、湿度计三(24)、温度计三(25)、空气瓶(26)、电控开关阀五(27)、过滤器三(28)、电控减压阀二(29)、流量计二(30)、压力表四(31)、湿度计四(32)、温度计四(33)、电控开关阀六(34)、电控开关阀七(35)、加湿器二(36)、手动排水阀二(37)、废水收集器二(38)、过滤器四(39)、去离子储水罐二(40)、背压阀(41)、储水罐(42)、手动排水阀三(43)、废水收集器三(44)；
氢气罐(1)经电控开关阀一(2)连接过滤器一(3)；
过滤器一(3)依次经过电控减压阀一(4)、流量计一(5)、压力表一(6)、湿度计一(7)、温度计一(8)，再分别经过电控开关阀二(9)、电控开关阀三(10)连接至加湿器一(11)；
质子交换膜燃料电池(22)的阳极依次经过温度计二(14)、湿度计二(13)、压力表二(12)连接在电控开关阀二(9)和加湿器一(11)之间；
质子交换膜燃料电池(22)与数据采集及处理系统(15)之间依次串接有压力表三(23)、湿度计三(24)和温度计三(25)；数据采集及处理系统(15)同时与温度计二14连接；
空气瓶(26)经电控开关阀五(27)连接过滤器三(28)；
过滤器三(28)依次经过电控减压阀二(29)、流量计二(30)、压力表四(31)、湿度计四(32)、温度计四(33)，再分别经过电控开关阀六(34)、电控开关阀七(35)连接至加湿器二(36)；
质子交换膜燃料电池(22)的阴极进气通道连接在电控开关阀六(34)和加湿器二(36)之间的管路上。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池实验台反馈调节系统，其特征在于：
废水收集器一(19)经手动排水阀一(18)连接在加湿器一(11)上。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池实验台反馈调节系统，其特征在于：
去离子储水罐一(21)经过滤器二(20)连接在加湿器一(11)上。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池实验台反馈调节系统，其特征在于：
废水收集器二(38)经手动排水阀二(37)连接在加湿器二(36)上。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池实验台反馈调节系统，其特征在于：
去离子储水罐二(40)经过滤器四(39)连接在加湿器二(36)上。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池实验台反馈调节系统，其特征在于：
质子交换膜燃料电池(22)另依次经过背压阀(41)、储水罐(42)、手动排水阀三(43)与废水收集器三(44)连接。
7.基于权利要求1-6任一项所述的一种燃料电池实验台反馈调节系统的工作方法，其特征在于：
改变气体压力、湿度或温度中的某一变量，保持其他变量不变；
气体通过测量及控制装置后，经湿度测量及控制装置控制湿度，再由温度测量及控制装置控制进气温度；
气体进入燃料电池充分反应排出后，对水气进行分离处理，再对气体各个参数进行测量；
最后在数据采集及处理系统进行汇总分析。
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