CN110993991A

CN110993991A - 一种燃料电池氢气供应回路的特性模拟装置及方法

Info

Publication number: CN110993991A
Application number: CN201911067546.8A
Authority: CN
Inventors: 聂巍; 高波; 胡旦; 李霞林; 赵胜
Original assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Current assignee: Wuhan Hydrogen Energy and Fuel Cell Industry Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-11-04
Also published as: CN110993991B

Abstract

本发明公开了一种燃料电池氢气供应回路的特性模拟装置，由压力传感器，比例调节阀，球阀，Purge阀，缓冲罐，流量质量控制器，流量计通过管路连接；还公开了模拟死端工作模式和Purge工作模式的方法，通过模拟实际应用中的调节阀、容积、管径、电磁阀等化工参数，实现实际工作条件下的特性模拟，一方面可用于气路设计中的阀体和管径特性匹配，另一方面可用于入口比例调节阀的控制参数标定。本发明既可以模拟气路设计的主要工作特性，又具有安全性高，成本低的特点。

Description

一种燃料电池氢气供应回路的特性模拟装置及方法

技术领域

本发明属于氢燃料电池的应用技术领域，涉及一种用于燃料电池阳极氢气供应回路的化工及控制特性匹配测试的装置，以及模拟方法。

背景技术

燃料电池正常运行时需要阳极提供足够的氢气，阴极提供足够的氧气，如果反应气体短缺，燃料电池的性能及寿命会受到很大的影响。氢气供应模块负责为燃料电池电堆阳极提供反应所需的氢气，需要确保阳极提供足够的氢气流量、氢气压力和适宜的湿度。为了增加燃料电池汽车的续驶里程，提高氢气的利用率，需要设计氢能的高效利用方案，同时需要避免阳极的氮气累积及水淹问题的出现。

为了提高氢气的利用率，燃料电池的阳极气体供应系统工作在间歇性排气工作模式，阳极反应所需的足够的氢气只需要保证燃料电池的阳极有足够的压力即可。

然而，在实际的燃料电池系统中，阳极压力的调节显得非常棘手，且存在很大的安全风险，这主要基于以下因素：第一，氢回路的压力控制直接关系到阴阳极的压差平衡，当阴阳极的压力差超过质子交换膜的耐受极限时，导致电堆损坏；第二，当电堆的负载电流发生扰动或者Purge阀开闭转换时，氢回路的压力会发生剧烈波动，进而影响到阴阳极的压差平衡；第三，在实际调节过程中，因为控制参数或控制逻辑的原因可能导致被调节量的超调很大，严重时会导致膜的破裂，风险成本很高；第四，如果化工部件的容积、管径和阀径不匹配时，阳极压力无法通过控制稳定，压力的波动会非常大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃料电池氢气供应回路的特性模拟装置，实现电堆、氢气回路死端、氢气回路Purge排气等部件或工作模式的模拟，以达到化工匹配和控制参数标定的低成本、便利性测试与分析的良好效果。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种燃料电池氢气供应回路的特性模拟装置，包括比例调节阀、电堆模拟单元、流量计、Purge阀、压力传感器及管路；所述的电堆模拟单元包括球阀一、球阀二、缓冲罐、流量质量控制器及管路；所述的比例调节阀位于电堆模拟单元的前方，一端连接进气管路，一端通过管路与电堆模拟单元连接；所述电堆模拟单元另一端通过管路与流量计连接；所述球阀一的一端与比例调节阀连接，另一端与球阀二及缓冲罐的一端连接；球阀二的另一端与流量计连接，流量计的另一端连接Purge阀，Purge阀的另一端通过管路放空，无连接；缓冲罐的另一端与流量质量控制器连接，流量质量控制器的另一端通过管路放空，无连接；所述缓冲罐的容积等于燃料电池电堆内的腔体容积；所述球阀一和球阀二的开度相等，均等于电堆内最小流道截面积的尺寸；所述的压力传感器包括测量比例调节阀入口压力的压力传感器一、测量比例调节阀出口压力的压力传感器二、测量缓冲罐支路压力的压力传感器三以及测量流量计前端压力的压力传感器四。

一种燃料电池氢气供应回路的特性模拟方法，模拟死端工作模式时步骤为：关闭Purge阀，打开比例调节阀，控制开度调节进气流量，通过缓冲罐模拟燃料电池电堆内的腔体容积，打开流量质量控制器，控制开度调节缓冲罐排出的气体流量，模拟当前燃料电池电堆的气体消耗。

一种燃料电池氢气供应回路的特性模拟方法，模拟Purge工作模式时步骤为：打开Purge阀，打开比例调节阀，控制开度调节进气流量，通过缓冲罐模拟燃料电池电堆内的腔体容积，打开流量质量控制器，控制开度调节缓冲罐排出的气体流量，模拟当前燃料电池电堆的气体消耗。

其中，所述流量计调节流量的基准如下：

其中，

为燃料电池电流，

为燃料电池节数。

本发明的有益效果是：

1，有效地模拟氢气供应系统的流量-容积-压力特性，为比例调节阀-Purge阀的口径匹配、比例调节阀的控制参数调试，提供安全、可靠、有效的实验测试环境；

2，采用流量质量控制器控制气体的消耗，有效地模拟实际运行条件下（不同电流、不同电堆节数）的气体消耗；为比例调节阀在负载突变条件下的控制特性分析和参数优化提供有效的实验测试环境；

3，通过控制模式的切换，模拟燃料电池的死端和Purge工作模式；为比例调节阀在工作模式切换条件下的控制特性分析和参数优化提供有效的实验测试环境；

4，该系统中采用电堆模拟单元，没有昂贵脆弱的电堆，具有成本低、安全性高的特点。

附图说明

图1为本发明的系统组成原理图；

图2为本发明死端工作模式图；

图3为本发明Purge工作模式图。

各附图标记为：301—压力传感器一，302—比例调节阀，303—压力传感器二，304—球阀一，305—压力传感器三，306—球阀二，307—压力传感器四，308—流量计，309—Purge阀，310—缓冲罐，311—流量质量控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图；本实施例中，对于术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中间”等指示方位或位置关系的描述，仅基于附图所示的方位或位置关系，目的在于便于描述本发明和简化描述，不能理解为对本发明的限制。

本发明主要由压力传感器一301，比例调节阀302，压力传感器二303，球阀一304，压力传感器三305，球阀二306，压力传感器四307，Purge阀309，缓冲罐310，流量质量控制器311（MFC），流量计308（MFM）构成，并按照图1进行管路连接。

根据待模拟的电堆的功率等级、流道最小截面积，选用相同容积的缓冲罐310，将球阀一304和球阀二306调节至通径等于流道的最小截面积，为了达到实际的控制及性能评估效果，压力传感器301～307的值通过AI通道接进系统控制器，比例调节阀302由系统控制器采用带功率驱动能力的PWM输出口进行控制，Purge电磁阀通过系统控制器的DO进行控制，流量质量控制器311的设定值由系统控制器的AO进行设定。

本发明模拟装置通过比例调节阀302、球阀304和306、缓冲罐310、流量质量控制器311、流量计308、Purge阀309、压力测试点及化工管路的组合，通过控制Purge阀309的开通与关闭器件，实现以下两种模式：

a），死端工作模式：如图2所示， Purge阀309关闭，此时氢气的利用率最高，燃料电池电堆消耗的气体流量通过设定流量质量控制器311来实现，通过控制流量大小来模拟电堆实际反应气体的消耗；入堆的气体流量通过调节比例调节阀的开度来调节，堆内压力与缓冲罐310容积及进出口的气体流量差有关；

b），Purge工作模式：如图3所示，Purge阀309打开，用于模拟实际运行中排空累计的氮气及液态水；燃料电池电堆消耗的气体流量通过设定流量质量控制器311来实现，通过控制流量大小来模拟电堆实际反应气体的消耗；Purge阀309打开时，堆内压力可能会降低，需要通过比例调节阀来调节开度，以稳定堆内压力；

具体的实现步骤如下：

1），运行在死端工作模式，氢气入口的压力值保持不变(如8Bar)，设定P2点的目标压力为150kPa, 根据延迟时间、超调和稳态误差等效果来修正比例调节阀302的稳态控制参数。

2），改变P2点的目标压力，分析设定目标变化时，比例调节阀302的控制性能，进一步修正比例调节阀302的控制参数。

3），改变氢气入口的压力值（如8Bar切换至5Bar），设定点的目标压力不变，分析气源压力变化时，比例调节阀302的控制性能，进一步修正比例调节阀302的控制参数。

4），改变流量质量控制器311的设定值（模拟电堆的负载跳变），其他条件不变，分析比例调节阀302的控制性能，根据扰动量的大小，增加比例调节阀302控制的前馈通道，进一步修正比例调节阀302在负载扰动条件下的控制参数。

5），通过以上两种工作模式的切换（改变排气量），其他条件不变，分析比例调节阀302的控制性能，根据扰动量的大小，增加比例调节阀302控制的前馈通道，进一步修正比例调节阀302在Purge扰动条件下的控制参数。

6），通过分析稳态和动态条件下比例调节阀302的控制性能，可以分析化工部件的匹配性能，涉及到比例调节阀302的通径是否适合快速调节压力、Purge阀309是否需要采取限流措施、是否需要在堆的入口并联一容器用于平抑压力波动。

通过本特性模拟装置的应用，一方面用于测试标定比例调节阀302的控制参数，包括控制周期、前向控制通道、反馈通道、前馈通道的比例系数等，对于实际运行中，减少堆内压力波动，维持堆内压力具有重要意义；此外，通过控制性能的分析，可以获得更有的化工特性匹配，为阀径、管径、压力平抑缓冲罐310的选型及配置提供设计依据。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

同时，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

Claims

1.一种燃料电池氢气供应回路的特性模拟装置，其特征在于：包括比例调节阀（302）、电堆模拟单元、流量计（308）、Purge阀（309）、压力传感器及管路；所述的电堆模拟单元包括球阀一（304）、球阀二（306）、缓冲罐（310）、流量质量控制器（311）及管路；所述的比例调节阀（302）位于电堆模拟单元的前方，一端连接进气管路，一端通过管路与电堆模拟单元连接；所述电堆模拟单元另一端通过管路与流量计（308）连接；所述球阀一（304）的一端与比例调节阀（302）连接，另一端与球阀二（306）及缓冲罐（310）连接；球阀二（306）的另一端与流量计（308）连接，流量计（308）的另一端连接Purge阀（309），Purge阀（309）的另一端通过管路放空，无连接；缓冲罐（310）的另一端与流量质量控制器（311）连接，流量质量控制器（311）的另一端通过管路放空，无连接；所述缓冲罐（310）的容积等于燃料电池电堆内的腔体容积；所述球阀一（304）和球阀二（306）的开度相等，均等于电堆内最小流道截面积的尺寸；所述的压力传感器包括测量比例调节阀（302）入口压力的压力传感器一（301）、测量比例调节阀（302）出口压力的压力传感器二（302）、测量缓冲罐（310）支路压力的压力传感器三（305）以及测量流量计（308）前端压力的压力传感器四（307）。

2.一种如权利要求1所述燃料电池氢气供应回路的特性模拟装置模拟死端工作模式的方法，其特征在于，步骤为：关闭Purge阀（309），打开比例调节阀（302），控制开度调节进气流量，通过缓冲罐（310）模拟燃料电池电堆内的腔体容积，打开流量质量控制器（311），控制开度调节缓冲罐（310）排出的气体流量，模拟当前燃料电池电堆的气体消耗。

3.一种如权利要求1所述燃料电池氢气供应回路的特性模拟装置模拟Purge工作模式的方法，其特征在于，步骤为：打开Purge阀（309），打开比例调节阀（302），控制开度调节进气流量，通过缓冲罐（310）模拟燃料电池电堆内的腔体容积，打开流量质量控制器（311），控制开度调节缓冲罐（310）排出的气体流量，模拟当前燃料电池电堆的气体消耗。

4.根据权利要求2或3所述的燃料电池氢气供应回路的特性模拟方法，其特征在于，所述流量计（308）调节流量的基准如下：

其中，

为燃料电池电流，

为燃料电池节数。