CN107908209B - 一种燃料电池测试平台及其温湿度控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温湿度控制系统，包括：加湿系统，其中的加湿器、水箱、循环水泵和水加热器通过管路连接以形成加湿水循环路径；温湿度调节系统，包括在出气管路上串联设置的第一换热器、气液分离器和第二换热器，水加热器和加湿器连接的管路上通过三通流量调节阀连通有换热管路，换热管路上依次连通有多个用于对出气管路进行温度调节的换热器，出气管路上还设置有温度检测装置以及温湿度检测装置。本发明通过多个换热器来实现气体温度和湿度的精确控制，水加热器中的水既可以用于加湿器促进气体的增湿，又可以用于换热器对最终的进气温度及露点温度进行调节，从而有效提升了热量利用率，降低了能耗。本发明还公开了一种燃料电池测试平台。

Description

一种燃料电池测试平台及其温湿度控制系统
技术领域
本发明涉及燃料电池测试技术领域，尤其涉及一种燃料电池测试平台及其温湿度控制系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
PEMFC以氢气和氧气为反应物，生成电与水，转换效率高且完全无污染、零排放，是未来车载能源的发展方向。在车辆的实际使用过程中，氢气储存在氢瓶中，经一到两级减压进入燃料电池电堆；空气通过空气压缩机泵入燃料电池电堆，为了保证氢气的充分使用，一般空气需要有一定的过量系数，然而过多的空气会造成膜的脱水，影响燃料电池寿命。因此，PEMFC在投入实际使用之前，需要在实验室环境下模拟实际使用工况进行大量的测试，燃料电池测试平台就是用于燃料电池性能测试的设备。
燃料电池测试平台一般包含空气供应子系统、氢气供应子系统、散热子系统、电子负载以及控制子系统等。空气和氢气的温度、湿度、流量和压力对燃料电池的工作状态有着较大的影响。测试平台通常采用外增湿对PEMFC进行加湿处理，即在电堆外使用加湿设备，将空气加湿到所需湿度。现有技术中常用的外加湿方案有湿膜加湿、鼓泡加湿、蒸气混合加湿、多孔膜加湿以及超声波加湿等方法。然而，现有的加湿方案存在以下缺点：湿膜加湿体积较大，鼓泡加湿能耗高，蒸汽混合加湿控制难度高，多孔膜加湿可加湿区间较短，超声波加湿制造成本较高等。
发明内容
为了解决现有技术中存在的测试能耗高的技术问题，本发明提供了一种新的燃料电池测试平台的温湿度控制系统，该温湿度控制系统可以有效提升热量的利用率，大大降低测试过程的能耗。本发明还提供了一种包括该温湿度控制系统的燃料电池测试平台。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种温湿度控制系统，用于燃料电池测试平台，包括：
加湿系统，包括通过加湿管路连接以形成加湿水循环路径的加湿器、水箱、循环水泵、水加热器，所述加湿器连接于所述水箱，所述水箱通过所述循环水泵与所述水加热器相连，所述水加热器连接于所述加湿器，所述加湿器连接有进气管路和出气管路；
温湿度调节系统，包括在所述出气管路上沿出气方向串联设置的第一换热器、气液分离器和第二换热器，所述水加热器和所述加湿器连接的所述加湿管路上通过三通流量调节阀连通有换热管路，所述换热管路上依次连通有第四换热器、所述第二换热器、第三换热器以及所述第一换热器，所述气液分离器与所述第二换热器之间的所述出气管路上设置有第一温度检测装置，所述加湿器的出气口与所述第一换热器之间的所述出气管路上设置有第一温湿度检测装置，所述第二换热器的出气口设置有第二温湿度检测装置。
优选地，在上述温湿度控制系统中，所述加湿器为雾化加湿器。
优选地，在上述温湿度控制系统中，所述第三换热器和所述第四换热器分别连通有冷却水管路。
优选地，在上述温湿度控制系统中，所述第三换热器和所述第四换热器的进水口前的所述冷却水管路上均设置有流量控制阀。
优选地，在上述温湿度控制系统中，所述第三换热器和所述第一换热器之间的所述换热管路上设置有第二温度检测装置，所述第四换热器和所述第二换热器之间的所述换热管路上设置有第三温度检测装置。
优选地，在上述温湿度控制系统中，所述加湿器的出气口与所述第一换热器之间的所述出气管路上设置有第一压力检测装置，所述循环水泵与所述水加热器之间的所述加湿管路上设置有第二压力检测装置。
优选地，在上述温湿度控制系统中，所述加湿器设置有第四温度检测装置，所述水加热器与所述三通流量调节阀之间的所述加湿管路上设置有第五温度检测装置。
优选地，在上述温湿度控制系统中，还包括与所述第一温度检测装置、所述第二温湿度检测装置、所述第一温湿度检测装置以及所述加湿系统相连的闭环控制器。
本发明提供的用于燃料电池测试平台的温湿度控制系统，包括加湿系统和温湿度调节系统，其中，加湿系统中的加湿器、水箱、循环水泵和水加热器通过管路连接以形成加湿水循环路径，加湿器连接有进气管路和出气管路；温湿度调节系统则包括在出气管路上串联设置的第一换热器、气液分离器和第二换热器，水加热器和加湿器连接的管路上通过三通流量调节阀连通有换热管路，换热管路上依次连通有多个用于对出气管路进行温度调节的换热器，出气管路上还设置有温度检测装置以及温湿度检测装置。
测试时，气体经进气管路进入加湿器进行加湿，通过加湿系统的水温调节，一定温度的饱和湿气体从加湿器出口排出，经过第一换热器后冷却至设定的露点温度，这一过程会生成大量液态水；然后，气液分离器将凝结的液态水与饱和湿气体分离，气体进电堆前，再利用第二换热器对饱和湿气体进行加热，这一过程中气体的含湿量不变，通过控制加热温度即可解除温度与湿度的耦合关系，实现对进气相对湿度的控制，并且能达到较高精度。
本发明通过多个换热器来实现气体温度和湿度的精确控制。在该温湿度控制系统中，水加热器中的水既可以用于加湿器促进气体的增湿，又可以用于换热器对最终的进气温度及露点温度进行调节，从而有效提升了热量的利用率，降低了测试过程的能耗。
本发明还提供了一种包括上述温湿度控制系统的燃料电池测试平台。该燃料电池测试平台产生的有益效果的推导过程与上述温湿度控制系统带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明具体实施例中的温湿度控制系统的工艺原理示意图。
图1中：
1-加湿器、2-水箱、3-循环水泵、4-水加热器、5-三通流量调节阀、6-流量控制阀、7-泄压阀；
11-第一换热器、12-第二换热器、13-第三换热器、14-第四换热器、15-气液分离器；
21-第一温度检测装置、22-第二温度检测装置、23-第三温度检测装置、24-第四温度检测装置、25-第五温度检测装置；
31-第一温湿度检测装置、32-第二温湿度检测装置；
41-第一压力检测装置、42-第二压力检测装置；
51-液位检测装置；
100-进气管路、200-出气管路、300-加湿管路、400-换热管路、500-冷却水管路、600-冷却水排水管路、700-冷凝水排水管路。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参照图1，图1为本发明具体实施例中的温湿度控制系统的工艺原理示意图。
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种温湿度控制系统，用于燃料电池测试平台，该系统主要包括加湿系统和温湿度调节系统，每个部分的结构如下：
加湿系统，包括通过加湿管路300(图1中虚线箭头)连接以形成加湿水循环路径的加湿器1、水箱2、循环水泵3、水加热器4，加湿器1连接于水箱2，水箱2通过循环水泵3与水加热器4相连，水加热器4连接于加湿器1，加湿器1连接有进气管路100和出气管路200(图1中双实线箭头)。加湿系统的作用主要为对气体进行加湿，从而输出一定温度的饱和湿气体。
温湿度调节系统，包括在出气管路200上沿出气方向串联设置的第一换热器11、气液分离器15和第二换热器12，水加热器4和加湿器1连接的加湿管路300上通过三通流量调节阀5连通有换热管路400，换热管路400上依次连通有第四换热器14、第二换热器12、第三换热器13以及第一换热器11，气液分离器15与第二换热器12之间的出气管路200上设置有第一温度检测装置21，加湿器1的出气口与第一换热器11之间的出气管路200上设置有第一温湿度检测装置31，第二换热器12的出气口设置有第二温湿度检测装置32。温湿度调节系统的作用主要为对加湿系统输出的饱和湿气体进一步温度控制，从而获得具有一定温度和相对湿度的反应气体。
本方案的工作过程如下：
测试时，气体经进气管路100进入加湿器1进行加湿，通过加湿系统的水温调节，一定温度的饱和湿气体从加湿器1出口排出，经过第一换热器11后冷却至设定的露点温度，这一过程会生成大量液态水；然后，气液分离器15将凝结的液态水与饱和湿气体分离，气体进电堆前，再利用第二换热器12对饱和湿气体进行加热，这一过程中气体的含湿量不变，通过控制加热温度即可解除温度与湿度的耦合关系，实现对进气相对湿度的控制，并且能达到较高精度。
本发明通过多个换热器来实现气体温度和湿度的精确控制。在该温湿度控制系统中，水加热器4中的水既可以用于加湿器1促进气体的增湿，又可以用于换热器对最终的进气温度及露点温度进行调节，从而有效提升了热量的利用率，降低了测试过程的能耗。
需要说明的是，本发明基于加湿量的考虑，选用雾化加湿方案，即，加湿器1优选采用雾化加湿器。水箱2的作用则用于收集冷凝水，并通过循环水泵3将冷凝水泵回到雾化加湿器中，实现加湿水的循环利用。加湿器1设置有液位检测装置51，用于指示加湿器1的液位。水加热器4的作用则是对加湿水加热，从而可以使气体经过雾化加湿器后得到一定的加热，即可获得一定温度的饱和湿气体，通过加湿水的水温调节可以实现饱和湿气体的温度调节。本方案可以通过人工手动调节或控制系统的自动调节来调节水加热器4的加热功率以及循环水泵3的功率，从而调节加湿水的流量和温度，进而调节加湿器1输出的饱和湿气体的温度。加湿器1的出气口与第一换热器11之间的出气管路200上设置有第一温湿度检测装置31，用于实时检测加湿器1输出的湿气体的相对湿度是否达到了饱和，从而便于指导加湿水循环的温度和流量的调节。另外，加湿器1的出气管路200上还设置有泄压管路和泄压阀7，用于调节出气管路200的气压，保证安全运行。
优选地，加湿器1的出气口与第一换热器11之间的出气管路200上设置有第一压力检测装置41，用于实时检测加湿器1输出的饱和湿气体的压力；循环水泵3与水加热器4之间的加湿管路300上设置有第二压力检测装置42，用于实时检测加湿水的压力，便于指导加湿水循环的流量调节。
在温湿度调节系统中，水加热器4和加湿器1连接的加湿管路300上通过三通流量调节阀5连通有换热管路400，采用三通流量调节阀5对经过水加热器4的加湿水进行流量分配，就可以调节加湿量及露点控制侧和气体二次升温侧换热器的加湿水流量。如此设置，就可以利用经过加热的加湿水作为后续各个换热器的换热介质，从而使得水加热器4中的加湿水既可以用于加湿器1促进气体的增湿，又可以用于换热器对最终的进气温度及露点温度进行调节，有效地提升了热量的利用率，降低了测试过程能耗。
一定温度的饱和湿气体从加湿器1出口排出到出气管路200后，经过第一换热器后11冷却至设定的露点温度，也就是说，第一换热器11用于对气体露点温度进行精确控制，这一过程会生成大量液态冷凝水，因此，在气体进入第二换热器12之前需要连接气液分离器15将凝结的液态水与饱和湿气体分离开，气液分离器15分离出的液体冷凝水则经冷凝水排水管路700排出，如图1所示。
由于第一换热器11和第二换热器12是气体和液体的热交换，水的比热容是4.2J/(g·K)，空气的比热容约是1.4J/(g·K)，直接调节会使气体温度变化振荡剧烈，难以达到稳定状态，因此设置了第三换热器13和第四换热器14，并使第三换热器13和第四换热器14分别连通有冷却水管路500，如图1所示，换热后的冷却水经过冷却水排水管路600排出。冷却水流经第三换热器13和第四换热器14时，可以先通过液体与液体的换热来调节换热介质(即换热管路400中的加湿水)的温度，从而间接地对进气温度和湿度进行调节。
优选地，第三换热器13和第四换热器14的进水口前的冷却水管路500上均设置有流量控制阀6。具体可采用比例流量控制阀，通过调节两个流量控制阀6，可改变流经第三换热器13和第四换热器14的冷却水的流量，从而精确控制换热介质(即换热管路400中的加湿水)的换热水温，进而实现对气体温度和湿度的精确控制。
需要说明的是，第一换热器11和第三换热器13用于对气体进行露点控制，气液分离器15与第二换热器12之间的第一温度检测装置21所实时检测的气体温度值即为气体的实时露点温度值，通过人工观察第一温度检测装置21的检测值可以了解气体的露点控制是否达到了目标露点温度，并根据该检测值来调整换热器的换热效率、冷却水流量等参数，还可以通过自动控制系统自动读取该检测值并根据该检测值自动调整露点控制参数。
需要说明的是，第二换热器12和第四换热器14用于给气体进行升温，从而使进气温度达到目标值。为了便于实时观测进气温度和相对湿度，并根据进气温度和相对湿度来调整各换热器的换热效率或冷却水流量等参数，从而精确控制进气温度和相对湿度。本方案在第二换热器12的出气口设置有第二温湿度检测装置32，如图1所示。
优选地，第三换热器13和第一换热器11之间的换热管路400上设置有第二温度检测装置22，用于实时检测流经第一换热器11的换热介质的温度，从而更精确地控制气体的露点温度；第四换热器14和第二换热器12之间的换热管路400上设置有第三温度检测装置23，用于实时检测流经第二换热器12的换热介质的温度，从而更精确地控制进气温度。
优选地，加湿器1设置有第四温度检测装置24，用于实时检测加湿器1内的雾化加湿温度，从而便于调节加湿器1输出的饱和湿气体的温度。水加热器4与三通流量调节阀5之间的加湿管路300上设置有第五温度检测装置25，用于实时检测加湿管路300内的加湿水的温度。
优选地，本方案提供的温湿度控制系统还包括与第一温度检测装置21、第二温湿度检测装置32、第一温湿度检测装置31以及加湿系统内各个部件相连的闭环控制器，该闭环控制器还可以连接到上文中所述的其他温度检测装置、压力检测装置以及流量控制阀等部件，闭环控制器的作用是接收各个温度、压力、温湿度检测装置反馈的检测信号，并根据实时反馈的温度、压力和相对湿度值等信息，控制水加热器、加湿器、循环水泵、流量控制阀等部件，以调节加湿水的温度、流量、换热介质温度、冷却水流量等，从而可以根据实时反馈检测值来实现最终进气温度和相对湿度的自动控制调整。
综上所述，本发明设计了一种质子交换膜燃料电池测试平台的温湿度控制系统，该温湿度控制系统通过调节两个换热器的冷却水比例阀，改变冷却水的流量来实现气体温度和相对湿度的精确控制。在该温湿度调节方案中，水加热器中的加湿水既可以用于加湿器促进气体的增湿，又可以用于换热器对最终的进气温度及露点温度进行调节，有效地提升了热量的利用率，降低了测试过程能耗。
本发明还提供了一种包括上述温湿度控制系统的燃料电池测试平台。该燃料电池测试平台产生的有益效果的推导过程与上述温湿度控制系统带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种温湿度控制系统，用于燃料电池测试平台，其特征在于，包括：
加湿系统，包括通过加湿管路(300)连接以形成加湿水循环路径的加湿器(1)、水箱(2)、循环水泵(3)、水加热器(4)，所述加湿器(1)连接于所述水箱(2)，所述水箱(2)通过所述循环水泵(3)与所述水加热器(4)相连，所述水加热器(4)连接于所述加湿器(1)，所述加湿器(1)连接有进气管路(100)和出气管路(200)；
温湿度调节系统，包括在所述出气管路(200)上沿出气方向串联设置的第一换热器(11)、气液分离器(15)和第二换热器(12)，所述水加热器(4)和所述加湿器(1)连接的所述加湿管路(300)上通过三通流量调节阀(5)连通有换热管路(400)，所述换热管路(400)上依次连通有第四换热器(14)、所述第二换热器(12)、第三换热器(13)以及所述第一换热器(11)，所述气液分离器(15)与所述第二换热器(12)之间的所述出气管路(200)上设置有第一温度检测装置(21)，所述加湿器(1)的出气口与所述第一换热器(11)之间的所述出气管路(200)上设置有第一温湿度检测装置(31)，所述第二换热器(12)的出气口设置有第二温湿度检测装置(32)，所述第三换热器(13)和所述第四换热器(14)分别连通有冷却水管路(500)。
2.根据权利要求1所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述加湿器(1)为雾化加湿器。
3.根据权利要求1所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述第三换热器(13)和所述第四换热器(14)的进水口前的所述冷却水管路(500)上均设置有流量控制阀(6)。
4.根据权利要求1所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述第三换热器(13)和所述第一换热器(11)之间的所述换热管路(400)上设置有第二温度检测装置(22)，所述第四换热器(14)和所述第二换热器(12)之间的所述换热管路(400)上设置有第三温度检测装置(23)。
5.根据权利要求1所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述加湿器(1)的出气口与所述第一换热器(11)之间的所述出气管路(200)上设置有第一压力检测装置(41)，所述循环水泵(3)与所述水加热器(4)之间的所述加湿管路(300)上设置有第二压力检测装置(42)。
6.根据权利要求1所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述加湿器(1)设置有第四温度检测装置(24)，所述水加热器(4)与所述三通流量调节阀(5)之间的所述加湿管路(300)上设置有第五温度检测装置(25)。
7.根据权利要求1所述的温湿度控制系统，其特征在于，还包括与所述第一温度检测装置(21)、所述第二温湿度检测装置(32)、所述第一温湿度检测装置(31)以及所述加湿系统相连的闭环控制器。
8.一种燃料电池测试平台，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的温湿度控制系统。
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