CN106950502A - 一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，包括壳体、空气进气管、空气排放口、循环水路、阴极容积调节腔、流阻调节器和空气消耗口，空气进气管与阴极容积调节腔设于壳体的下方，空气排放口设于壳体的上部，流阻调节器设于阴极容积调节腔的上方，流阻调节器之间设有加热件，循环水路上部设有喷洒机构。与现有技术相比，本发明根据已知燃料电池电堆所表现的静态容积、气体流阻、及所消耗氧气规律和原理进行模拟，由已知的燃料电池的参数进行快速配置，用于燃料电池系统匹配开发过程中替代真实电堆，加快匹配测试过程，提高系统开发效率。

Description

一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置。

背景技术

燃料电池是通过燃料(比如氢气)发生电化学反应而直接产生电能。由于燃料电池具有效率高、零排放、运行平稳、无噪声等一系列优良性能，被视为未来汽车最有可能的动力来源，燃料电池汽车是未来汽车产业发展的趋势。燃料电池采用电化学反应将化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，理论效率最高可以达到80％。由于在化学反应过程中，电池内部活化极化、欧姆极化及气体浓茶扩散效应的影响，发电效率远低于80％的水平，但也高达45-50％，远高于内燃机的水平。这同时带来一个问题，即有将近50％的内能无法转换为电能被加以利用，比如一个标称75kW额定功率的电堆，在额定功率输出时效率仅为50％，那么有额外75kW的热量需要被带走。

燃料电池堆在运行过程中需要供给适当的空气，否则燃料电池电堆会因为空气不足而无法提供正确的功率，导致电堆因为缺气而产生不正常工作，损坏电堆，因此恰当的空气供应子系统对燃料电池系统工作是非常必要的。这里恰当的空气供应子系统需要对压缩机等零部件进行合理匹配和优化，并对压缩机的控制算法进行匹配和验证。在这一过程中，往往需要将已经设计好的空气子系统与电堆连接起来，进行实际运行测试，测试过程中同时需要供应氢气、提供电子负载、提供相应的冷却设施等，这使空气供应子系统匹配、优化、验证过程变得非常耗时耗能。

目前已公开的专利文献中，有不少公司提出了空气供应辅助系统的设计方案。上海新源动力有限公司专利“一种强化氢气安全排放的燃料电池空气供应系统”(公开号CN103456973A)，其特点在于环境空气经过空气供应机械之后，一部分通过加湿器进入电堆，然后再排出来；另一部分通过一个支路系统，直接对电堆尾部排出的氢气进行稀释，使得氢尾气排浓度降低，使燃料电池更加安全；另一个专利“用于氢燃料电池中空气系统的测试装置”(公开号CN204439800U)，其特点在于外部空气通过进气调节阀与空气压缩机的进气口相连；中冷器的进气口与空气压缩机口的出气口相连通；增湿器的进气口与中冷器的出气口相连通，增湿器的出气口通过管路切换阀与待测的燃料电池堆的空气进口相连通，燃料电池堆的阴极出口通过管路切换阀与所述增湿器的水汽入口相连通；还包括空气旁路通道，空气旁路通道包括串接的用于模拟电堆管阻的空气调节阀以及加湿加温器，该测试装置还具有各类的传感器，更有利于控制部分对于本发明的测试装置的控制调节。

益达科技有限责任公司的专利“用于在低负载或者冷温度操作期间调节燃料电池空气流动的系统和方法”(公开号CN102884664A)，公开了一种在燃料电池低负载及冷温度环境下，通过热管理驱动组件，改变热管理流体的流速，包括改变热管理流体在燃料电池系统内的整体供给速率和/或为热管理流体提供可选的流动路径，使得由燃料电池系统供给的热管理流体的一部分不与燃料电池堆相接触。

西南交通大学专利“基于最大净功率策略的质子交换膜燃料电池空气供应系统控制”(公开号CN103384014A)，公开了一种基于最大净功率策略的质子交换膜燃料电池空气供应系统控制，分析基于电堆运行温度、OER和负载电流之间的净输出功率最优化特征，采用一种基于有效信息的自适应粒子群优化算法求解“最优运行条件”，并根据不同负载电流下的“最优运行条件”约束范围，在滚动优化时采用基于有效信息的自适应粒子群优化算法求解最优预测控制律。

苏州欧拉工程技术有限公司的专利“燃料电池系统的空气供应及能量回收装置”(公开号CN103441291B)公开了一种燃料电池系统的空气供应及能量回收装置，该装置上离心压缩机、向心透平膨胀机分别安装在高速电机的输出轴两端，且离心压缩机、向心透平膨胀机与输出轴同轴连接，其中通过在向心透平膨胀机上设置可调喷嘴装置，使得电池反应堆反应后具有一定能量的气体通过可调喷嘴装置上的喷嘴喷至叶轮的叶片上而驱动叶轮旋转，叶轮旋转进而驱动输出轴旋转而驱动高速电机工作，节省了高速电机的电能消耗，使反应后气体中的能量得到充分的回收利用，提高了燃料电池系统中空气供应的效率和能量回收利用的效率，大幅地节约了生产成本。

上述公开的技术仅仅在于给出了不同的燃料电池空气供应辅助系统设计特定方案，而没有给出针对开发过程、开发方法及开发过程中使用的设备，在设计空气供应子系统时，会面临以下问题：(1)仅仅根据现有电堆特性参数，在没有实物的情况下不能快速设计出一个良好的空气供应辅助系统；(2)空气供应辅助系统中的关键零部件参数不能良好的进行匹配。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，能够根据实际电堆参数(阴极体积、气体流动阻力特性、工作温度及极化特性曲线)，利用物理模型模拟实际电堆，并在此物理模型的基础上用于验证空气供应子系统零部件的匹配是否合理、控制算法是否可行。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，包括壳体、安装电动水泵的循环水路、模拟电堆空气进气的空气进气管、排放多余空气的空气排放口、对空气流过的体积进行调节的阴极容积调节腔、对空气流过的压力损失进行调节的流阻调节器以及模拟氧气消耗的空气消耗口，所述的空气进气管以及阴极容积调节腔设于壳体的底部，所述的空气排放口设于壳体的顶部，所述的流阻调节器设于阴极容积调节腔的上部，所述的流阻调节器之间设有连接控制计算机的加热件，所述的循环水路上部设有喷洒机构，该装置还设有连接控制计算机的压力传感器和温度传感器。

进一步地，所述的空气进气管由两个周身均匀开孔的圆形套筒组成，调节两个圆筒的重合角度，改变圆周身开孔的重合度，可改变空气进气量。

进一步地，所述的阴极容积调节腔为活塞结构，通过对活塞杆的推动，就可以改变容积。

进一步地，所述的流阻调节器由多片穿在滑竿上的流阻滑片组成，流阻滑片之间设有可伸缩联动结构，更进一步地，所述的可伸缩联动结构为铰接形成的菱形结构，通过对可伸缩联动结构前后伸缩调节，可使流阻滑片沿滑竿方向前后滑动，均匀调节流阻滑片之间的间隙，达到流阻调节的功能。

进一步地，所述的空气消耗口前端依次安装连接控制计算机的电动阀门和流量传感器。

进一步地，所述的加热件为加热棒或加热丝。

进一步地，所述的喷洒机构为喷雾喷头。

所述的空气进气管用于模拟电堆空气入口；循环水路用于对内部流场进行加湿，并对装置进行加热；空气消耗口用于计量控制氧气消耗；流量传感器用于检测模拟氧气的实际流量，对模拟氧气消耗量形成闭环控制回路；电动阀门用于控制开度，使流出空气的流量等于设定值；电动水泵用于将水进行循环利用，使加热均匀，并能够将水从底部抽到顶部，形成喷射效果，对内部零部件进行喷水加湿；通过阴极容积调节腔对内部空气流过的体积进行调节，达到模拟实际电堆不同阴极容积的效果；加热丝或加热棒用于加热，使内部温度稳定在一个设定的值；流阻调节器对内部空气流过的压力损失进行调节，以达到模拟实际电堆不同阴极流阻的模拟效果；压力传感器检测内部空气的压力；温度传感器检测内部空气的温度；空气排放口用于排放多余的空气；壳体用于对内部零部件进行保护和封装。

该测试装置在运行之前，对其内部容积和流阻进行标定，阴极容积调节腔与流阻调节器的控制通过手动来实现，并通过测量对流阻进行标定。在该模拟装置运行过程中，通过控制计算机控制加热件，实现内部温度的稳定；控制电动阀门实现电堆氧气消耗速率的实时模拟；控制电动水泵实现对内部零部件的加湿，达到对流经空气的加湿目的。

其运行规律如下：

首先空气从空气进气管进入模拟装置，然后经过流阻调节器，空气在流阻调节器中被充分加热、加湿并且其流动速度得到下降，即压力发生了损失。空气经过流阻调节器中状态的变化就是模拟其在真实电堆中发生的变化——温度被加热为电堆工作温度、湿度为饱和空气湿度、压力损失为电堆压力损失。空气经过流阻调节器之后发生分流：一部分经过空气消耗口排出；另一部分经过空气排放口排出，空气消耗口排出的流量模拟电池消耗的量，空气排放口排掉多余的气体。

经过空气消耗口排出的空气流量m_air为：

m_air＝M_O2In/4F

其中，I为计算机设定的电流，n为所模拟电堆中单电池的数量，F为法拉第常数，M_O2为氧气的摩尔分子量，在运行过程中，电流I为变量。

空气流量的值通过控制流程和算法实现：利用上述公式计算出期望的空气流量，再利用流量传感器对实时空气流量进行检测，作为闭环反馈信号；利用期望值和实际测量值的差进行控制；然后根据电动阀门的特性，设计控制器(如PID控制)，对电动阀门进行调节；模拟装置内部温度需要稳定在一个设定值(50-80℃)，运行过程中，由于受到外部进入该模拟装置气流及模拟装置外壳散热的影响，需要实时调整加热件的发热功率，以稳定内部的温度。内部温度通过控制流程和算法来实现：利用温度传感器对实时空气温度进行检测，作为闭环反馈信号；利用设定值和实际测量值的差进行控制；然后根据模拟器的散热特性，设计控制器(如PID控制)，对加热件的发热功率进行调节；控制电动水泵处于运行状态，将内部的水从底部抽到顶部，经过喷洒，流到流阻调节器上，使流阻调节器表明湿润，当空气流经时水蒸发，实现对空气的加湿。

与现有技术相比，本发明通过加热机构和循环水根据已知燃料电池电堆的产热与散热特性和原理进行相应的模拟，由已知的燃料电池的参数进行快速配置，使其构成一个完全相同或非常类似的系统，用于燃料电池系统匹配开发过程中替代真实电堆，加快匹配测试过程，提高系统开发效率，能够根据实际电堆参数(阴极体积、气体流动阻力特性、工作温度及极化特性曲线)，利用物理模型模拟实际电堆，并在此物理模型的基础上用于验证空气供应子系统零部件的匹配是否合理、控制算法是否可行。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明具体实施例的结构示意图；

图3为本发明对氧气消耗模拟控制的算法框图；

图4为本发明对装置内部温度控制的算法框图；

图中：0-控制计算机；1-空气进气管；2-循环水路；3-空气消耗口；4-流量传感器；5-电动阀门；6-电动水泵；7-阴极容积调节腔；8-加热件；9-流阻调节器；10-压力传感器；11-温度传感器；12-空气排放口；13-壳体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，参照图1、图2，包括壳体13、安装电动水泵6的循环水路2、模拟电堆空气进气的空气进气管1、排放多余空气的空气排放口12、对空气流过的体积进行调节的阴极容积调节腔7、对空气流过的压力损失进行调节的流阻调节器9以及模拟氧气消耗的空气消耗口3，空气消耗口3前端依次安装连接控制计算机0的电动阀门5和流量传感器4。空气进气管1以及阴极容积调节腔7设于壳体13的底部，空气排放口12设于壳体13的顶部，流阻调节器9设于阴极容积调节腔7的上部，流阻调节器9之间设有连接控制计算机0的加热件8，加热件8为加热棒或加热丝，循环水路2上部设有喷洒机构，喷洒机构为喷雾喷头，该装置还设有连接控制计算机0的压力传感器10和温度传感器11，空气进气管1由两个周身均匀开孔的圆形套筒组成，调节两个圆筒的重合角度，改变圆周身开孔的重合度，可改变空气进气量，阴极容积调节腔7为活塞结构，通过对活塞杆的推动，就可以改变容积，流阻调节器9由多片穿在滑竿上的流阻滑片组成，流阻滑片之间设有菱形可伸缩联动结构，通过对可伸缩联动结构前后伸缩调节，可使流阻滑片沿滑竿方向前后滑动，均匀调节流阻滑片之间的间隙，达到流阻调节的功能。

控制计算机采用NI实时控制系统PXIe-8135，运行Windows操作系统；同时配置NIPXI-6289多功能DAQ采集板卡，NI PXI-2586开关板卡，用于控制信号的输出。在运行之前，对其内部容积和流阻进行标定，阴极容积调节腔与流阻调节器的控制通过手动来实现，并通过测量对流阻进行标定。在该模拟装置运行过程中，通过控制计算机控制加热件，实现内部温度的稳定；控制电动阀门实现电堆氧气消耗速率的实时模拟；控制电动水泵实现对内部零部件的加湿，达到对流经空气的加湿目的，其运行规律如下：

首先空气从空气进气管道进入模拟装置，然后经过流阻调节器，空气在流阻调节器中被充分加热、加湿并且其流动速度得到下降，即压力发生了损失。空气经过流阻调节器中状态的变化就是模拟其在真实电堆中发生的变化——温度被加热为电堆工作温度、湿度为饱和空气湿度、压力损失为电堆压力损失。空气经过流阻调节器之后发生分流：一部分经过空气消耗口排出；另一部分经过空气消耗口排出。

经过空气消耗口排出的空气流量m_air为：

m_air＝M_O2In/4F

其中，I为计算机设定的电流，n为所模拟电堆中单电池的数量，F为法拉第常数，M_O2为氧气的摩尔分子量，在运行过程中，电流I为变量，需要实时调整空气流量的值。空气流量的值通过控制流程和算法实现，如图3所示，这是一个负反馈控制氧气流量模型，通过计算出的氧气消耗量计算模型得出氧气的消耗量，该值作为输入，被控对象是流量调节阀，该装置控制氧气的流量，根据压力传感器可得到正确的流量，通过负反馈测量环节的压力传感器将实际氧气流量与氧气消耗量对比，当氧气消耗量与氧气流量相差较大时，通过控制器加大流量调节阀的开度，增加实际流量，相反的当氧气消耗量较小时控制器会减小流量调节阀的开度来减小氧气流量，从而维持一个稳定的氧气流量。

模拟装置内部温度需要稳定在一个设定值(50-80℃)，运行过程中，由于受到外部进入该模拟装置气流及模拟装置外壳散热的影响，需要实时调整加热件的发热功率，以稳定内部的温度。内部温度通过控制流程和算法来实现，如图4所示，这是一个负反馈控制温度的模型，通过装置内部应有的温度值作为输入，被控对象是加热件，通过负反馈测量环节的模拟器温度测量将实际温度与所设定温度对比，当实际温度与所设定温度相差较大时，通过温度控制器加热棒，增加温度，相反的，当温度较高时，温度控制器会不再加热棒，从而维持一个稳定的温度。控制电动水泵处于运行状态，将内部的水从底部抽到顶部，经过喷洒，流到流阻调节器上，使流阻调节器表明湿润，当空气流经时水蒸发，实现对空气的加湿。

上述仅仅是本方案的优选实施方式，对本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润色，这些改进和润饰也属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，其特征在于，包括壳体(13)、安装电动水泵(6)的循环水路(2)、模拟电堆空气进气的空气进气管(1)、排放多余空气的空气排放口(12)、对空气流过的体积进行调节的阴极容积调节腔(7)、对空气流过的压力损失进行调节的流阻调节器(9)以及模拟氧气消耗的空气消耗口(3)，

所述的空气进气管(1)以及阴极容积调节腔(7)设于壳体(13)的底部，所述的空气排放口(12)设于壳体(13)的顶部，所述的流阻调节器(9)设于阴极容积调节腔(7)的上部，所述的流阻调节器(9)之间设有连接控制计算机(0)的加热件(8)，所述的循环水路(2)上部设有喷洒机构，该装置还设有连接控制计算机(0)的压力传感器(10)和温度传感器(11)。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，其特征在于，所述的空气进气管(1)由两个周身均匀开孔的圆形套筒组成。

3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，其特征在于，所述的阴极容积调节腔(7)为活塞结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，其特征在于，所述的流阻调节器(9)由多片穿在滑竿上的流阻滑片组成，流阻滑片之间设有可伸缩联动结构。

5.根据权利要求4所述的一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，其特征在于，所述的可伸缩联动结构为铰接形成的菱形结构。

6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，其特征在于，所述的空气消耗口(3)前端依次安装连接控制计算机(0)的电动阀门(5)和流量传感器(4)。

7.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，其特征在于，所述的加热件(8)为加热棒或加热丝。

8.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池空气供应系统电堆阴极模拟测试装置，其特征在于，所述的喷洒机构为喷雾喷头。