CN107507995B - 一种燃料电池非对称加湿控制系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池非对称加湿控制系统，包括燃料供给机构、空气供给机构、燃料电池堆、加湿器以及控制器；所述燃料供给机构通过第一管路与所述燃料电池堆连通，所述空气供给机构通过第二管路与所述燃料电池堆连通，所述第一管路和所述第二管路上分别设有加湿三通阀，两加湿管路分别连接在所述第一管路和所述第二管路上的所述加湿三通阀与所述燃料电池堆之间，且两所述加湿管路分别经过所述加湿器，所述加湿器可分别对两所述加湿管路内的物料进行加湿，所述加湿三通阀和所述加湿器分别与所述控制器连接。本发明结构简单，且燃料和空气可以进行非对称加湿，交叉变换湿度，从而能够测试燃料电池在阴阳极非对称加湿条件下的性能参数。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体地说涉及一种燃料电池非对称加湿控制系统及工作方法。
背景技术
燃料电池是将化学能直接转化成电能的装置(以氢能源为主)，只发生电化学反应，没有燃烧过程。由于燃料电池直接把化学能转化成电能，打破了卡诺循环，因而其工作效率通常远远高于内燃机并且能量密度大。燃料电池可以作为全固态机械结构，即没有可移动的部件，在没有发生相对运动的系统中，其具有高可靠性和长寿命，并且燃料电池以氢气和空气为燃料时生成水，无污染且可以循环利用。由于燃料电池具有效率高、无污染、无噪音、寿命长和高可靠性等优点，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。
根据电解质的不同，燃料电池可分为磷酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池五大类，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，所以在应用上很受欢迎。在对燃料电池参数的测试中，要进行多次测试，因此要降低其他不必要因素对实验的影响，测试的目的是为了寻找最佳操作工况。
申请号为201210028345的中国专利申请给出了一种燃料电池堆控制系统，其控制加湿过程时没有设置反馈调节，这样会造成很大的误差，并且安全装置设置的也不合理，若发现问题时立即停止工作，会造成气体残余，会损坏实验设备以及对人员安全有很大危险，安全性有待提高。本发明是对质子交换膜燃料电池参数控制所设计的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种燃料电池非对称加湿控制系统以及基于该系统的测试湿度对燃料电池的性能影响的工作方法和测试燃料电池阻抗性能的工作方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种燃料电池非对称加湿控制系统，包括燃料供给机构、空气供给机构、燃料电池堆、加湿器以及控制器；
所述燃料供给机构通过第一管路与所述燃料电池堆连通，所述空气供给机构通过第二管路与所述燃料电池堆连通，所述第一管路和所述第二管路上分别设有加湿三通阀，两加湿管路分别连接在所述第一管路和所述第二管路上的所述加湿三通阀与所述燃料电池堆之间，且两所述加湿管路分别经过所述加湿器，所述加湿器可分别对两所述加湿管路内的物料进行加湿，所述加湿三通阀和所述加湿器分别与所述控制器连接。
进一步地，还包括氮气供给机构，所述第一管路上设有三通减压阀，氮气供给机构与所述三通减压阀连通，所述三通减压阀与所述控制器连接。
进一步地，还包括用于对所述燃料电池堆进行冷却的冷却机构。
进一步地，所述第一管路和所述第二管路上还分别设有温度传感器，所述温度传感器与所述控制器连接。
进一步地，所述第一管路和所述第二管路上还分别设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器连接。
进一步地，所述第一管路和所述第二管路上还分别设有过滤器。
一种基于所述燃料电池非对称加湿控制系统的测试变量对燃料电池的性能影响的工作方法，包括以下步骤：
(1)通过所述控制器，闭合两所述加湿管路，使燃料从所述燃料电池堆的阳极进入，空气从所述燃料电池堆的阴极进入；
(2)在燃料和空气稳定传输后，保持除测试变量以外的其它变量不变，对测试变量进行不同程度的改变操作，每次操作完成后，待所述燃料电池堆工作达到稳定时，记录各变量以及所述燃料电池堆的发电特性数据。
进一步地，当测试变量为燃料湿度和空气湿度时，则在步骤(2)中，通过所述控制器，打开两所述加湿管路，启动所述加湿器，分别对燃料和空气进行不同湿度的加湿操作。
进一步地，当工作出现异常时，将氮气通入所述第一管路内进行扫气处理。
一种基于所述燃料电池非对称加湿控制系统的测试燃料电池阻抗性能的工作方法，包括以下步骤：
通过所述控制器，闭合两所述加湿管路，使氮气从所述燃料电池堆的阳极进入，空气从所述燃料电池堆的阴极进入，在氮气和空气稳定传输后，记录所述燃料电池堆的阻抗特性数据。
本发明的有益效果体现在：
本发明燃料电池非对称加湿控制系统结构简单，容易制作，在燃料输送通道和空气输送通道上，分别形成了一条加湿通路和不加湿通路，可以分别对燃料和空气进行全部加湿、部分加湿和不加湿操作，且燃料和空气可以进行非对称加湿，交叉变换湿度，从而能够测试燃料电池在阴阳极非对称加湿条件下的性能参数，更全面了解燃料电池堆性能。
本发明燃料电池非对称加湿控制系统在实验测试中能够实现各个参数的单一控制而不受其他因素的影响，而且在稳定参数的过程中可以进行燃料气体和空气湿度非对称加湿，通过交叉实验来寻找燃料电池工作的最佳工况，而且本系统可以实现自动控制，方便操作。
本发明测试变量对燃料电池的性能影响的工作方法，因采用了本发明控制系统，因此可以使燃料气体和空气在各自设定的其他变量相同的环境下，分别测出阴阳极不同湿度，尤其是在阴阳极非对称加湿条件下对质子交换膜燃料电池的性能影响，以及其他变量的影响，从而更全面了解燃料电池堆性能，而且该方法操作简单，实施方便。
本发明测试燃料电池阻抗性能的工作方法操作简单，而且使用氮气，安全性高。
本发明提供了一种测试不同加湿比较的燃料电池堆系统，方法安全，比较稳定测得燃料电池在阴阳极非对称加湿条件下的性能参数，更全面了解电堆性能，并且此燃料电池的测试反应后只生成水，不含有任何污染物，实现了污染物的零排放。
附图说明
图1是本发明燃料电池非对称加湿控制系统一实施例的结构示意图。
附图中各部件的标记为：1燃料供给机构、2三通减压阀、3压力传感器、4温度传感器、5过滤器、6加湿三通阀、7冷却机构、8燃料电池堆、9加湿器、10控制器、11氮气供给机构、12空气供给机构、13压力阀、a第一管路、b第二管路、c加湿管路。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1。
本发明燃料电池非对称加湿控制系统，包括燃料供给机构1、空气供给机构12、燃料电池堆8、加湿器9以及控制器10；
所述燃料供给机构1通过第一管路a与所述燃料电池堆8连通，所述空气供给机构12通过第二管路b与所述燃料电池堆8连通，所述第一管路a和所述第二管路b上分别设有加湿三通阀6，两加湿管路c分别连接在所述第一管路a和所述第二管路b上的所述加湿三通阀6与所述燃料电池堆8之间，且两所述加湿管路c分别经过所述加湿器9，所述加湿器9可分别对两所述加湿管路c内的物料进行加湿，所述加湿器9与所述控制器10连接。
显然，上述加湿三通阀6具有一个进口和两个出口，加湿管路c与加湿三通阀6的另一个出口连接，其各接口的通断由控制器控制。
具体实施中，燃料供给机构1采用装有燃料的燃料罐，因燃料电池多以氢能源为主，因此根据实际情况可选用氢气罐或氢气堆；空气供给机构12一般选用空气压缩机即可；控制器10可以选用计算机(computer)，能够接受和发出信号，处理信号，进行计算，具有存储记忆功能。
上述的加湿器9可以看成是两个现有加湿器集成在一起，或是一个加湿器内含有两套加湿系统。
本发明通过在第一管路和第二管路上设置加湿三通阀，并连接加湿管路与加湿器配合，从而在燃料输送通道和空气输送通道上，分别形成了一条加湿通路和不加湿通路，可以分别对燃料和空气进行全部加湿、部分加湿和不加湿操作，且燃料和空气可以进行非对称加湿，交叉变换湿度，从而能够测试燃料电池在阴阳极非对称加湿条件下的性能参数，更全面了解燃料电池堆性能。
在一实施例中，还包括氮气供给机构11，所述第一管路a上设有三通减压阀2，氮气供给机构11与所述三通减压阀2连通，所述三通减压阀2与所述控制器10连接。具体实施中，氮气供给机构11采用氮气瓶，使用方便。设计这种结构，是为了在系统工作出现异常时，将氮气通入所述第一管路a内进行扫气处理；以及对燃料电池进行阻抗测试。显然，所述的三通减压阀2具有两个进口和一个出口，氮气供给机构11与三通减压阀2的另一个进口连通，其各接口的通断由控制器控制。
在一实施例中，还包括用于对所述燃料电池堆8进行冷却的冷却机构7。在燃料电池堆温度较高，需要降温处理时，启动冷却机构，保证系统的安全稳定运行。
在一实施例中，所述第二管路b上设有压力阀13，压力阀13与所述控制器10连接。压力阀一方面用于控制通断，另一方面可调节气体压力。
在一实施例中，所述第一管路a和所述第二管路b上还分别设有温度传感器4，所述温度传感器4与所述控制器10连接。
在一实施例中，所述第一管路a和所述第二管路b上还分别设有压力传感器3，所述压力传感器3与所述控制器10连接。
温度传感器和压力传感器和用于测量燃料和空气的温度及压力，保证在测试过程对各参数的掌控。
在一实施例中，所述第一管路a和所述第二管路b上还分别设有过滤器5。过滤器用于过滤燃料和空气中的杂质。
冷却机构7可采用由水罐和水泵构成的循环水冷却系统，水罐内的冷水进入燃料电池堆吸收热量后再回到水罐，燃料和空气进入燃料电池堆进行充分反应后，水汽进行分离处理，气体排到室外，水进入循环水冷却系统的水罐。加湿器要及时补水，一般可通过自带补水器进行补水。
整个系统采用终端控制的反馈调节，使燃料和空气的温度、压力、湿度等参数在整个系统工作时达到稳定，并将数据传输到控制器进行记录和后续处理。
本发明燃料电池非对称加湿控制系统可以根据实验测试要求，进行单变量实验。在控制单一变量时，采用了终端控制的反馈调节，使温度、压力以及其他参数在整个系统工作时达到稳定，稳定后对气体进行非对称加湿，以达到燃料电池最好性能，并将数据传输到控制器进行记录和后续处理。
下面例示一种基于上述燃料电池非对称加湿控制系统测试湿度对燃料电池的性能影响的工作方法，具体工作方法包括以下步骤：
(1)通过所述控制器10，闭合两所述加湿管路c，使燃料从所述燃料电池堆8的阳极进入，空气从所述燃料电池堆8的阴极进入；
(2)在燃料和空气稳定传输后，保持其它变量不变，通过所述控制器10，打开两所述加湿管路c，启动所述加湿器9，分别对燃料和空气进行不同湿度的加湿操作，每次加湿操作完成后，待所述燃料电池堆8工作达到稳定时，记录各变量以及所述燃料电池堆8的发电特性数据。
控制器接收各个传感器测得的数据，控制各管路上的各个阀、加湿器和冷却机构的工作，以此控制各管路的通断和流量，对燃料和空气进行不同湿度的加湿操作。
当然，本系统还可以用来测量其它变量如燃料温度、燃料压力、空气温度、空气压力对燃料电池的性能影响，具体工作方法与上述类似，差别仅在于，在则在步骤(2)中，仍保持两加湿管路的闭合，保持除测试变量以外的其它变量不变，对测试变量进行不同程度的改变操作。
在一实施例中，当工作出现异常时，将氮气通入所述第一管路a内进行扫气处理。以清除管路内的燃料气体，保护装置以及人员安全。
另外，本发明还提供一种基于上述燃料电池非对称加湿控制系统的对燃料电池进行阻抗测试，具体工作方法包括以下步骤：
通过所述控制器10，闭合两所述加湿管路c，使氮气从所述燃料电池堆8的阳极进入，空气从所述燃料电池堆8的阴极进入，在氮气和空气稳定传输后，记录所述燃料电池堆8的阻抗特性数据。
本发明系统的燃料电池可以作为车载电源、备用电源、家用电子产品电源等使用。也可以工作在汽车、火车、船舶等交通工具上。同时，也可应用于小型集中供电或分散式供电系统。
应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种燃料电池非对称加湿控制系统，其特征在于：包括燃料供给机构(1)、空气供给机构(12)、燃料电池堆(8)、加湿器(9)以及控制器(10)；
所述燃料供给机构(1)通过第一管路(a)与所述燃料电池堆(8)连通，所述空气供给机构(12)通过第二管路(b)与所述燃料电池堆(8)连通，所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上分别设有加湿三通阀(6)，两加湿管路(c)分别连接在所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上的所述加湿三通阀(6)与所述燃料电池堆(8)之间，且两所述加湿管路(c)分别经过所述加湿器(9)，所述加湿器(9)可分别对两所述加湿管路(c)内的物料进行加湿，所述加湿三通阀(6)和所述加湿器(9)分别与所述控制器(10)连接；
基于所述燃料电池非对称加湿控制系统的测试变量对燃料电池的性能影响的工作方法，包括以下步骤：
(1)通过所述控制器(10)，闭合两所述加湿管路(c)，使燃料从所述燃料电池堆(8)的阳极进入，空气从所述燃料电池堆(8)的阴极进入；
(2)在燃料和空气稳定传输后，保持除测试变量以外的其它变量不变，测试变量为燃料湿度和空气湿度，通过所述控制器(10)，打开两所述加湿管路(c)，分别对燃料和空气进行全部加湿、部分加湿和不加湿操作，且对燃料和空气的加湿为非对称加湿，每次操作完成后，待所述燃料电池堆(8)工作达到稳定时，记录各变量以及所述燃料电池堆(8)的发电特性数据。
2.如权利要求1所述的燃料电池非对称加湿控制系统，其特征在于：还包括氮气供给机构(11)，所述第一管路(a)上设有三通减压阀(2)，所述氮气供给机构(11)与所述三通减压阀(2)连通，所述三通减压阀(2)与所述控制器(10)连接。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池非对称加湿控制系统，其特征在于：还包括用于对所述燃料电池堆(8)进行冷却的冷却机构(7)。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池非对称加湿控制系统，其特征在于：所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上还分别设有温度传感器(4)，所述温度传感器(4)与所述控制器(10)连接。
5.如权利要求1或2所述的燃料电池非对称加湿控制系统，其特征在于：所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上还分别设有压力传感器(3)，所述压力传感器(3)与所述控制器(10)连接。
6.如权利要求1或2所述的燃料电池非对称加湿控制系统，其特征在于：所述第一管路(a)和所述第二管路(b)上还分别设有过滤器(5)。
7.如权利要求1或2所述的燃料电池非对称加湿控制系统，其特征在于：当工作出现异常时，将氮气通入所述第一管路(a)内进行扫气处理。
8.一种基于如权利要求2所述的燃料电池非对称加湿控制系统的测试燃料电池阻抗性能的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过所述控制器(10)，闭合两所述加湿管路(c)，使氮气从所述燃料电池堆(8)的阳极进入，空气从所述燃料电池堆(8)的阴极进入，在氮气和空气稳定传输后，记录所述燃料电池堆(8)的阻抗特性数据。
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