CN111106366B - 一种燃料电池电堆测试台及其背压控制方法 - Google Patents

一种燃料电池电堆测试台及其背压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆测试台及其背压控制方法。该测试台，包括氢气系统和空气系统，氢气系统通过进气管路与燃料电池电堆的氢气入口连通，空气系统通过进气管路与燃料电池电堆的空气入口连通，进气管路上均设有用于检测其流量的流量计，燃料电池电堆的氢气出口和空气出口均设有出气管路，出气管路上均并联设置有第一背压阀和第二背压阀，第一背压阀的背压范围小于第二背压阀的背压范围，进气管路或/和出气管路与第一背压阀和第二背压阀之间的管路段上设有用于检测其压力的压力传感器。本发明的背压控制方法利用双背压阀，两路控制，用不同流量快速实现背压控制；实现更高精度的控制，同时实现更大功率范围的覆盖，节约客户的测试台成本。

Description

一种燃料电池电堆测试台及其背压控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池检测技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆测试台及其背压控制方法。
背景技术
由于燃料电池目前大力的推广，对电堆测试台的需求也越来越多，常规的测试台控制，流量、加湿罐、背压、加热等基本控制已经很成熟。
但是在使用中，第一，客户更多愿意覆盖的功率范围值越大越好，但是在大测试台上，做小流量的背压控制，其时间会很久，对于在线测试条件就会失真；其次，在测试过程中，背压阀的频繁开闭，会影响其使用寿命，特别是在跑加速工况时。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种功率覆盖大和响应快的燃料电池电堆测试台及其背压控制方法。
本发明的一种燃料电池电堆测试台，包括氢气系统和空气系统，所述氢气系统与燃料电池电堆的氢气入口通过进气管路连通，所述空气系统通过进气管路与燃料电池电堆的空气入口连通，所述进气管路上均设有用于检测其流量的流量计，所述燃料电池电堆的氢气出口和空气出口均设有出气管路，所述出气管路上均并联设置有第一背压阀和第二背压阀，所述第一背压阀的背压范围小于所述第二背压阀的背压范围，所述进气管路或/和所述出气管路与第一背压阀和第二背压阀之间的管路段上设有用于检测其压力的压力传感器。
优选的，所述第一背压阀的最大背压值为第二背压阀的最大背压值的1％～10％。
优选的，所述第一背压阀和第二背压阀为电磁阀；还包括控制器，所述控制器分别与所述流量计、压力传感器、第一背压阀和第二背压阀电连接。
优选的，所述压力传感器的个数为两个，一个设置在所述出气管路与第一背压阀和第二背压阀之间的总管路段上，另一个设置在所述所述出气管路与第一背压阀或第二背压阀之间的支管路段上。
上述的一种燃料电池电堆测试台的背压控制方法，当流量计检测到进气管路上的气体流量小于预设流量值时，关闭第二背压阀，打开第一背压阀，调节所述第一背压阀，使得所述压力传感器检测到的压力处于预设压力值范围内；当流量计检测到进气管路上的气体流量大于预设流量值时，第一背压阀全开、同时打开第二背压阀，先通过第二背压阀快速调节压力稳定，然后调节第一背压阀以达到使用的精度，以使得所述压力传感器检测到的压力处于预设压力值范围内。
优选的，当流量计检测到进气管路上的气体流量大于预设流量值时，所述第一背压阀全开、同时打开所述第二背压阀，先调节所述第二背压阀，当所述压力传感器检测到的压力值与预设压力值的差值P在±2.5％范围内时，停止调节第二背压阀，然后通过调节第一背压阀，当所述压力传感器检测到的压力值与预设压力值的差值在±0.5％范围内时，停止调节第一背压阀。
优选的，当流量计检测到进气管路上的气体流量大于预设流量值时，所述第一背压阀全开、同时打开所述第二背压阀，调节所述第二背压阀，当所述压力传感器检测到的压力值与预设压力值的差值P大于±5％时，以第一调节速度V1调节第二背压阀，当所述压力传感器检测到的压力值与预设压力值的差值P在±5％～±3.75％范围内时，以第二调节速度V2调节第二背压阀，当所述压力传感器检测到的压力值与预设压力值的差值P在±3.75％～±2.5％范围内时，以第三调节速度V3调节第二背压阀，其中V1>V2>V3。
优选的，所述调节第一背压阀以达到使用的精度的步骤包括：当所述压力传感器检测到的压力值与预设压力值的差值P在±2.5％～±1％范围内时，以第四调节速度V4调节第一背压阀；当所述压力传感器检测到的压力值与预设压力值的差值P在±1％～±0.5％范围内时，以第五调节速度V5调节第一背压阀，其中V1>V2>V3>V4>V5。
优选的，所述预设流量值为流量计的满程值的20％。
优选的，还包括对流量计的精度进行检测，氢气系统或空气系统的给气流量为A，所述流量计检测到进气管路上的气体流量为B，流量计的满程值为C，精度值D＝A*0.2％+C*0.8％，若A-D≤B≤A+D，则流量计检测值准确，进行下一步的检测，否则流程计测量不准确。
本发明的一种燃料电池电堆测试台利用双背压阀，两路控制，用不同流量可以快速去实现背压控制；在流量小时，关闭第二背压阀，直接用第一背压阀来调节压力至预设压力值，在流量大时，先用第二背压阀调节，再用第一背压阀调整压力至预设压力值，实现更高精度的控制，同时实现更大功率范围的覆盖，节约客户的测试台成本。
附图说明
图1为本发明的一种燃料电池电堆测试台的结构示意图；
图2为本发明的一种燃料电池电堆测试台的压力传感器另一种安装方式的结构示意图。
1-氢气系统；2-空气系统；3-压力传感器；4-燃料电池电堆；41-氢气入口；42-空气入口；43-氢气出口；44-空气出口；5-进气管路；6-流量计；7-出气管路；8-第一背压阀；9-第二背压阀；10-控制器。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本发明的一种燃料电池电堆测试台，包括氢气系统1和空气系统2，氢气系统1与燃料电池电堆4的氢气入口41通过进气管路5连通，空气系统2通过进气管路5与燃料电池电堆4的空气入口42通过进气管路5连通，进气管路5上均设有用于检测其流量的流量计6，燃料电池电堆4的氢气出口43和空气出口44均设有出气管路7，出气管路7上均并联设置有第一背压阀8和第二背压阀9，第一背压阀8的背压范围小于第二背压阀9的背压范围，进气管路5或/和出气管路7与第一背压阀8和第二背压阀9之间的管路段上设有用于检测其压力的压力传感器3。
本发明的一种燃料电池电堆测试台利用双背压阀，两路控制，用不同流量可以快速去实现背压控制；在流量小时，关闭第二背压阀9，直接用第一背压阀8来调节压力至预设压力值，在流量大时，先用第二背压阀9调节，再用第一背压阀8调整压力至预设压力值，实现更高精度的控制，同时实现更大功率范围的覆盖，减少了检测时间，节约客户的测试成本。
第一背压阀8的最大背压值可以为第二背压阀9的最大背压值的1％～10％。这样可以使得第一背压阀8在调整压力时，更为精确。
第一背压阀8和第二背压阀9可以是手动阀，通过手动调节，也可以为均为电磁阀。
在第一背压阀8和第二背压阀9均为电磁阀时，还可以包括控制器10，控制器10分别与流量计6、压力传感器3、第一背压阀8和第二背压阀9电连接。在流量计6检测到进气管路5的流量小于某一值时，控制器10接收到信号，控制器10关闭第二背压阀9，打开第一背压阀8，调节第一背压阀8至压力传感器3检测到进气管路5的压力与预设值一致；在在流量计6检测到进气管路5的流量大于某一值时，控制器10接收到信号，控制器10打开第二背压阀9和第一背压阀8，先调节第二背压阀9至压力传感器3检测到进气管路5的压力与预设值的差值在一定范围内时，再开始调节第一背压阀8至压力传感器3检测到进气管路5的压力与预设值一致。
如图1所示，压力传感器3可以设置在进气管路5上。
如图2所示，在另一种可实施的方式中，压力传感器3的个数为两个，一个设置在出气管路7与第一背压阀8和第二背压阀9之间的总管路段上，另一个设置在出气管路7与第一背压阀8或第二背压阀9之间的支管路段上。当两个压力传感器3数值接近时，出口压力采用两个压力传感器3的数学平均值作为出口压力值，当一个压力传感器3故障时，采用另外一个传感器3数值为出口压力实际值。
上述的一种燃料电池电堆测试台的背压控制方法，当流量计6检测到进气管路5上的气体流量小于预设流量值时，关闭第二背压阀9，打开第一背压阀8，调节第一背压阀8，使得压力传感器3检测到的压力处于预设压力值范围内；当流量计6检测到进气管路5上的气体流量大于预设流量值时，第一背压阀8全开，同时打开第二背压阀9，通过第二背压阀9快速调节压力稳定，然后通过第一背压阀8调节，达到使用的精度，以使得压力传感器3检测到的压力处于预设压力值范围内。减少了检测时间，实现更高精度的控制，同时实现更大功率范围的覆盖，节约客户的测试成本。
当流量计6检测到进气管路5上的气体流量大于预设流量值时，第一背压阀8全开，同时打开第二背压阀9，先调节第二背压阀9，当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P在±2.5％范围内时，停止调节第二背压阀9，然后通过调节第一背压阀8，当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值在±0.5％范围内时，停止调节第一背压阀8。
当流量计6检测到进气管路5上的气体流量大于预设流量值时，第一背压阀8全开，同时打开第二背压阀9，调节第二背压阀9，当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P大于±5％时，以第一调节速度V1调节第二背压阀9，当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P在±5％～±3.75％范围内时，以第二调节速度V2调节第二背压阀9，当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P在±3.75％～±2.5％范围内时，以第三调节速度V3调节第二背压阀9，其中V1>V2>V3。在这里的V1>V2>V3可以根据第二背压阀9的实际规格来进行设定。
在另一种可实现的的背压控制方法中，可以包括控制器10，在流量计6检测到进气管路5上的气体流量小于预设流量值时，控制器10接收到信号，控制器10控制第二背压阀9和第一背压阀8完成上述操作，例如：当流量计6检测到进气管路5上的气体流量大于预设流量值时，控制器10控制第一背压阀8和第二背压阀9打开，并调节第二背压阀9，当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P大于±5％时，控制器10控制第二背压阀9，并以第一调节速度V1调节第二背压阀9，当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P在±5％～±3.75％范围内时，控制器10控制第二背压阀9，并以第二调节速度V2调节第二背压阀9，当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P在±3.75％～±2.5％范围内时，控制器10控制第二背压阀9，并以第三调节速度V3调节第二背压阀9。
调节第一背压阀8以达到使用的精度的步骤可以包括：当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P在±2.5％～±1％范围内时，以第四调节速度V4调节第一背压阀8；当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P在±1％～±0.5％范围内时，以第五调节速度V5调节第一背压阀8，其中V1>V2>V3>V4>V5。
当压力传感器检测到的压力值与预设压力值的偏差P在±2.5％～±1％范围内时，以第四调节速度V4调节第一背压阀8，即以第四调节速度V4调节第一背压阀8的开度，使得第一背压阀8由全开状态调整至开度相对较小的状态，进而减小检测到的实时压力值与预设压力值的偏差，使得检测到的实时压力值与预设压力值的偏差小于±1％。当压力传感器3检测到的压力值与预设压力值的差值P在±1％～±0.5％范围内时，以第五调节速度V5调节第一背压阀8，即以第五调节速度V5调节第一背压阀8的开度，使得第一背压阀8由开度相对较小的状态调整至开度更小的状态，进而进一步减小检测到的实时压力值与预设压力值的偏差，使得检测到的实时压力值与预设压力差值的偏差小于±0.5％。
这样通过两个阀门分几次以不同的速度来调节，达到快速精准的使实施细则压力处于预设压力值范围内。
预设流量值可以为流量计6的满程值的20％。
在进行检测前，为了保证流量计6的精度，还可以包括对流量计6的精度进行检测，氢气系统1或空气系统2的给气流量为A，流量计6检测到进气管路5上的气体流量为B，流量计6的满程值为C，精度值D＝A*0.2％+C*0.8％，若A-D≤B≤A+D，则流量计6检测值准确，进行下一步的检测，否则流程计测量不准确。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池电堆测试台，其特征在于：包括氢气系统(1)和空气系统(2)，所述氢气系统(1)与燃料电池电堆(4)的氢气入口(41)通过进气管路(5)连通，所述空气系统(2)通过进气管路(5)与燃料电池电堆(4)的空气入口(42)连通，所述进气管路(5)上均设有用于检测其流量的流量计(6)，所述燃料电池电堆(4)的氢气出口(43)和空气出口(44)均设有出气管路(7)，所述出气管路(7)上均并联设置有第一背压阀(8)和第二背压阀(9)，所述第一背压阀(8)的背压范围小于所述第二背压阀(9)的背压范围，所述进气管路(5)或/和所述出气管路(7)与第一背压阀(8)和第二背压阀(9)之间的管路段上设有用于检测其压力的压力传感器(3)；当流量计(6)检测到进气管路(5)上的气体流量小于预设流量值时，关闭第二背压阀(9)，打开第一背压阀(8)，调节所述第一背压阀(8)使得所述压力传感器(3)检测到的压力处于预设压力值范围内；当流量计(6)检测到进气管路(5)上的气体流量大于预设流量值时，第一背压阀(8)全开、同时打开第二背压阀(9)，先通过第二背压阀(9)快速调节压力稳定，然后调节第一背压阀(8)以达到使用的精度，以使得所述压力传感器(3)检测到的压力处于预设压力值范围内。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆测试台，其特征在于：所述第一背压阀(8)的最大背压值为第二背压阀(9)的最大背压值的1％～10％。
3.如权利要求1或2所述的一种燃料电池电堆测试台，其特征在于：所述第一背压阀(8)和第二背压阀(9)为电磁阀；还包括控制器(10)，所述控制器(10)分别与所述流量计(6)、压力传感器(3)、第一背压阀(8)和第二背压阀(9)电连接。
4.如权利要求1或2所述的一种燃料电池电堆测试台，其特征在于：所述压力传感器(3)的个数为两个，一个设置在所述出气管路(7)与第一背压阀(8)和第二背压阀(9)之间的总管路段上，另一个设置在所述出气管路(7)与第一背压阀(8)或第二背压阀(9)之间的支管路段上。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆测试台，其特征在于：当流量计(6)检测到进气管路(5)上的气体流量大于预设流量值时，第一背压阀(8)全开、同时开打第二背压阀(9)，先调节第二背压阀(9)，当所述压力传感器(3)检测到的压力值与预设压力值的差值P在±2.5％范围内时，停止调节第二背压阀(9)；然后通过调节第一背压阀(8)，当所述压力传感器(3)检测到的压力值与预设压力值的差值在±0.5％范围内时，停止调节第一背压阀(8)。
6.如权利要求5所述的一种燃料电池电堆测试台，其特征在于：当流量计(6)检测到进气管路(5)上的气体流量大于预设流量值时，第一背压阀(8)全开、同时打开第二背压阀(9)，调节第二背压阀(9)，当所述压力传感器(3)检测到的压力值与预设压力值的差值P大于±5％时，以第一调节速度V1调节第二背压阀(9)，当所述压力传感器(3)检测到的压力值与预设压力值的差值P在±5％～±3.75％范围内时，以第二调节速度V2调节第二背压阀(9)，当所述压力传感器(3)检测到的压力值与预设压力值的差值P在±3.75％～±2.5％范围内时，以第三调节速度V3调节第二背压阀(9)，其中V1>V2>V3。
7.如权利要求6所述的一种燃料电池电堆测试台，其特征在于：所述调节第一背压阀(8)以达到使用的精度的步骤包括：当所述压力传感器(3)检测到的压力值与预设压力值的差值P在±2.5％～±1％范围内时，以第四调节速度V4调节第一背压阀(8)；当所述压力传感器(3)检测到的压力值与预设压力值的差值P在±1％～±0.5％范围内时，以第五调节速度V5调节第一背压阀(8)，其中V1>V2>V3>V4>V5。
8.如权利要求5-7任一项所述的一种燃料电池电堆测试台，其特征在于：所述预设流量值为流量计(6)的满程值的20％。
9.如权利要求8所述的一种燃料电池电堆测试台的背压控制方法，其特征在于：还包括对流量计(6)的精度进行检测，氢气系统(1)或空气系统(2)的给气流量为A，所述流量计(6)检测到进气管路(5)上的气体流量为B，流量计(6)的满程值为C，精度值D＝A*0.2％+C*0.8％，若A-D≤B≤A+D，则流量计(6)检测值准确，进行下一步的检测，否则流程计测量不准确。
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