CN111864232B - 气体纯度检测方法及供氢系统的氢气纯度检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体纯度检测方法及供氢系统的氢气纯度检测装置，其包括：1)预存待检测气体的标准流阻曲线；2)在输送管路中，获取待检测气体的当前流阻曲线，将当前流阻曲线与标准流阻曲线进行比较，当当前流阻曲线偏离标准流阻曲线时，则输出气体纯度不纯的信号；其中，当前流阻曲线的获取过程为：在输送管路上设置节流组件，实时采集输送管路中的流量Q，并且计算获取节流组件前方与节流组件后方的管路内压力差dp，以此绘制成当前流阻曲线，其中X轴为流量Q、Y轴为管路内压力差。本发明可高效判断气体纯度且判断精准，可应用于对燃料电池汽车氢气供应系统中氢气纯度的判断。

Description

气体纯度检测方法及供氢系统的氢气纯度检测装置
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车供氢系统领域，特别是涉及一种气体纯度检测方法及供氢系统的氢气纯度检测装置。
背景技术
燃料电池汽车是一种不经过燃料燃烧，直接通过燃料电池发生电化学反应将燃料和氧化物中的化学能转换成电能来驱动电机的新能源动力汽车。当前车载燃料电池系统所使用的燃料一般为99％以上的高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高纯氢重整气。而从含氢燃料重整得到高纯氢重整气的几种主要方法有氯碱工业副产制氢、化工原料制氢(甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等)、新型制氢方法(生物质、光化学等)和石化资源制氢(石油裂解、水煤气法等)。
在燃料电池氢瓶进行置换或者采用的重整氢气未经严格检测时，氢瓶内的气体会存在较多的气体杂质，如N2、O2、H2O、CO、氮氧化物、氯化物、甲烷等气体；而供氢气体杂质含量过多，会直接导致车用氢燃料电池阳极催化剂中毒，出现严重的性能下降,大大减少车用燃料电池的使用寿命。因此需要提前对燃料电池汽车供气系统的氢气进行及时的不纯检测识别，以保证后端供入燃料电池系统的氢气品质达到使用要求。
传统的气体不纯检测方法，主要是将目标气体经过收集后，将气体样本放在特定的质谱仪装置上进行分析检测，以确定气体各组分的含量如专利CN201911102094.2；这种方法虽然能准确的确定出每种气体的具体含量，但是复杂的收集和检测过程，需要消耗大量的时间和人员精力。
其次，也有专利CN201810634256.6通过燃料电池系统阳极模型来检测阳极子系统里面的组分含量，进而通过阳极子系统的组分来反算出新氢的组分含量，但该方法需要足够准确的燃料电池阳极组分估计模型，从工程化应用角度考虑，该方法较为复杂，模型中涉及到燃料电池等多物理场计算过程，需要大量的系统和电堆试验数据才能将模型估计验证准确。
随着国内外在线运营的燃料电池汽车日趋增加，为避免燃料电池因前端氢气气源不纯，而引发的燃料电池电堆性能和寿命的大幅下降，因此需要对进入燃料电池系统的氢气进行提前的纯度检测，以避免出现电堆不必要的损害。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种气体纯度检测方法及供氢系统的氢气纯度检测装置，用于解决现有技术中无法快速准确检测供氢系统中氢气纯度的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种气体纯度检测方法，其包括：
1)预存待检测气体的标准流阻曲线，所述标准流阻曲线为：待检测气体的纯度大于等于99％时的流阻曲线；
2)在输送管路中，获取所述待检测气体的当前流阻曲线，将当前流阻曲线与所述标准流阻曲线进行比较，当当前流阻曲线偏离所述标准流阻曲线时，则输出气体纯度不纯的信号；其中，当前流阻曲线的获取过程为：在输送管路上设置节流组件，实时采集输送管路中的流量Q，并且计算获取节流组件前方与节流组件后方的管路内压力差dp，以此绘制成当前流阻曲线，其中X轴为流量Q、Y轴为管路内压力差。
优选的，所述当前流阻曲线偏离所述标准流阻曲线的程度越大，则所述待检测气体的当前状态越不纯。
优选的，所述输送管路为燃料电池车中与燃料电池系统相连的供氢管路。
优选的，所述节流组件为相连的高压截断阀和过滤件。
优选的，所述输送管路上在所述节流组件的前方设有流量传感器和第一压力传感器，在所述节流组件的后方设有第二压力传感器，流量传感器用于获取流量Q，所述管路内压力差dp由第一压力传感器的采集值和第二压力传感器的采集值相减得出。
本发明还提供一种供氢系统的氢气纯度检测装置，其包括：
供氢组件，包括氢瓶组件以及与氢瓶组件相连的供氢管路；
节流组件，置于所述供氢管路上；
检测组件，包括控制器，以及置于所述供氢管路上的流量传感器、获取所述节流组件前后压力差的采集传感器，所述流量传感器位于节流组件的前方，所述控制器与流量传感器、采集传感器相连，所述控制器被配置为：根据所述流量传感器采集的流量、采集传感器采集的压力差来获取氢气的当前流阻曲线，并且基于氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线的偏离程度，判断氢气纯度。
优选的，所述检测组件还包括与所述控制器相连的报警单元，当氢气不纯时所述报警单元发出警报。
优选的，所述控制器中还设置有氢气纯度符合要求的边界流阻曲线，将氢气的当前流阻曲线与所述边界流阻曲线比对，若当前流组曲线的斜率高于该边界流阻曲线的斜率，则控制器输出需要更换氢瓶的信号。
优选的，所述控制器中还设置有斜率偏离度预警值，控制器根据同一流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的对应点，计算对应点处的切线斜率，计算两个切线斜率的差值，将所述差值与斜率偏离度预警值进行比较，当差值大于斜率偏离度预警值时，控制器输出需要更换氢瓶的信号。
优选的，所述控制器中还设置有斜率偏离度预警值，控制器根据两个流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的四个对应点，计算氢气的当前流阻曲线上两个对应点连线的斜率,以及预存氢气的标准流阻曲线上两个对应点连线的斜率，计算两个斜率值的差值，将所述差值与斜率偏离度预警值进行比较，当差值大于斜率偏离度预警值时，控制器输出需要更换氢瓶的信号。
优选的，所述控制器中还设置有流阻偏离度预警值，控制器根据同一流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的对应点，计算两个对应点所对应的流阻差值，将所述流阻差值与流阻偏离度预警值进行比较，当差值大于斜率偏离度预警值时，控制器输出需要更换氢瓶的信号。
如上所述，本发明的气体纯度检测方法及供氢系统的氢气纯度检测装置，具有以下有益效果：根据待检测气体的当前流阻曲线与待检测气体的标准流阻曲线进行比较，根据是否偏离来判断待检测气体的纯度，其可直接用于燃料电池车的供氢系统，提前得知氢气不纯，以此及时更换氢瓶，或者输入新的高纯度氢，来提高燃料电池系统的使用寿命。
附图说明
图1显示为本发明的供氢系统的氢气纯度检测装置示意图；
图2显示为不同组分气体的流阻曲线示意图。
元件标号说明
1 氢瓶组件
2 减压阀
3 节流组件
4 比例阀
5 循环泵
6 分水器
7 电堆
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种气体纯度检测方法，其可用于氢气纯度检测，可应用于图1所示的燃料电池汽车供氢系统中，包括：
1)预存待检测气体的标准流阻曲线，所述标准流阻曲线为：待检测气体的纯度大于等于99％时的流阻曲线；若待检测气体为氢气，则99％以上的高纯氢气其流阻曲线的斜率较小，见图2中的曲线1X_H2；
2)在输送管路中，获取待检测气体的当前流阻曲线，将当前流阻曲线与标准流阻曲线进行比较，当当前流阻曲线偏离标准流阻曲线时，则输出气体纯度不纯的信号，见图2所示，曲线S1、S2、S3均为不纯的流阻曲线，且其斜率越大纯度越小；其中，当前流阻曲线的获取过程为：在输送管路上设置节流组件，实时采集输送管路中的流量Q，并且计算获取节流组件前方与节流组件后方的管路内压力差dp，以此绘制成当前流阻曲线，其中X轴为流量Q、Y轴为管路内压力差。
本实施例基于不同气体组分的气体在相同温度和压力下的粘度、密度等不同，当不同组分的气体通过节流件时会表现出不同的流阻特性，即体积流量Q-流阻dp曲线有差异，以此通过实时获取当前流阻曲线，将其与预存的标准流阻曲线进行比对，判断是否偏离，当出现偏离时则判断气体不纯，其可高效判断且判断精准，可应用于对燃料电池汽车氢气供应系统中氢气纯度的判断。
本实施例还提供一种供氢系统的氢气纯度检测装置，见图1所示，其包括：
供氢组件，包括氢瓶组件1以及与氢瓶组件相连的供氢管路(即上述输送管路)；
节流组件3，置于所述供氢管路上；
检测组件，包括控制器，以及置于所述供氢管路上的流量传感器Q、获取所述节流组件前后压力差的采集传感器(本实施例中采集传感器包括第一压力传感器P2和第二压力传感器P3)，本说明书中气体在供氢管路中的输送方向为由前向后输送，所述流量传感器Q、第一压力传感器P2位于节流组件3的前方，第二压力传感器P3位于节流组件3的后方，所述控制器与流量传感器Q、第一压力传感器P2、第二压力传感器P2相连，控制器被配置为：根据所述流量传感器Q采集的流量、第一压力传感器P2和第二压力传感器P3的压力差来获取氢气的当前流阻曲线，并且基于氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线的偏离程度，判断氢气纯度。
见图2所示，本实施例中流阻曲线dp1＝f(Q1)是在以流量Q为横坐标，而流阻值dP为纵坐标的坐标系中绘制而成的。氢气的标准流阻曲线即dp0＝f(Q0)，见图2中的1x_H2，即在标准状态下，氢气在不同流量的压力变化。本实施例中流阻值dP1定义为上述第一压力传感器P2和第二压力传感器P3的压力差，即dP1＝P2-P3；当前流量Q1为：Q1＝T0/T*P2/P0*Q1，Q1为上述流量传感器Q采集的流量，T0、P0为标准状态下氢气的温度和压力，T为上述供氢管路的当前温度，P2为上述第一压力传感器P2采集到的压力。
为便于实施，本实施例中上述第一压力传感器P2和第二压力传感器P3可采用压差传感器来替代，即上述采集传感器为压差传感器，直接采集节流组件前后的压力差。对于实际应用的燃料电池汽车氢气供应系统，其采用气体一般是高纯氢气(其浓度一般为99.999％)，而氢气是已知常用气体里面密度和粘度最小的气体，一旦引入气体杂质(气体杂质浓度为5％)，其密度和粘度会发生较大变化；由于氢瓶组件1的气瓶置换或采用的气体未经严格检测等原因会使得氢瓶中有其他气体杂质的情况，那么实际使用的气体就是一个多组分的混合气，则通过上述供氢系统的氢气纯度检测装置进行在线检测，即可快速识别当前输送氢气是否不纯，以此确保燃料电池系统中电堆7的使用寿命。
为即时更换上述氢瓶，或者添加高纯度氢，本实施例中检测组件还包括与所述控制器相连的报警单元，当氢气不纯时所述报警单元发出警报。即使用者接收到警报，即刻进行氢瓶更换，避免继续使用不纯氢气，造成对燃料电池系统中的电堆破坏，影响其使用寿命。
本实施例中，当前流阻曲线偏离标准流阻曲线的程度越大，则待检测气体的当前状态越不纯。如图2所示，曲线S1、S2、S3均为不纯的流阻曲线，且其斜率越大纯度越小，本实施例中斜率为相同流量下，在流阻曲线对应点处的切斜斜率。其中，曲线S1对应的气体组分(体积比)为：0.6X_H2、0.2X_H2O、0.2N2；曲线S2对应的气体组分(体积比)为：0.7X_H2、0.2X_H2O、0.1N2；曲线S3对应的气体组分(体积比)为：0.8X_H2、0.1X_H2O、0.1N2。而两侧的曲线分别对应高纯氢气的标准流阻曲线1X_H2和高纯氮气的标准流阻曲线1X_N2。
本实施例的气体纯度检测方法，其待检测气体还可为氮气的纯度检测，氮气的标准流阻曲线见图2中的曲线1X_N2，根据是否偏离该曲线1X_N2判断氮气的纯度。当待检测气体为氮气时，当前流阻曲线的斜率越小，则氮气的当前状态越不纯。本实施例中供氢管路上靠近氢瓶侧还设有第三压力传感器P1以及减压阀2，氢瓶中的高压气流通过减压阀2进入中压的供氢管路，节流组件3可为相连的高压截断阀和过滤件，在此过程中气流会在节流组件的前后形成压力差，通过上述第一压力传感器P2的采集值和第二压力传感器P3的采集值相减得出。供氢管路通过燃料电池系统的进氢管路与电堆7相连，进氢管路上一般设有比例阀4，在比例阀4的后方分出一循环支路，进行氢气循环利用，循环支路上设有循环泵5和分水器6等结构件。
控制器输出氢瓶更换信号的判断过程，可具体由以下几种方式：
一实施例为：本实施例的氢气纯度检测装置，其还可在控制器中设置氢气纯度符合要求的边界流阻曲线，以此来进行是否更换氢瓶的直接判断，若当前流组曲线的斜率低于该边界流阻曲线的斜率则直接使用；若当前流组曲线的斜率高于该边界流阻曲线的斜率，则控制器输出需要进行氢瓶更换的信号。
另一实施例为：本实施例中控制器中还设置有斜率偏离度预警值，控制器根据同一流量在氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的对应点，将在氢气的当前流阻曲线上的对应点称为当前点，将在氢气的标准流阻曲线上的对应点称为标准点，计算两曲线上对应点处的切线斜率，计算切斜斜率变化率，本实施例中切斜斜率变化率为：两个切线斜率的差值与标准点对应的切线斜率的比值，将所述切斜斜率变化率与斜率偏离度预警值进行比较，当切斜斜率变化率大于斜率偏离度预警值时，控制器输出需要更换氢瓶的信号。具体地，同一标准流量下，斜率偏离度预警值可以设置为1％及以上，优选斜率偏离度预警值为5％，当上述切斜斜率变化率大于等于5％，控制器发生报警。不同流量大小对应的斜率偏离度预警值可作适当调整。
另一实施例为：上述控制器中还设置有斜率偏离度预警值，控制器根据两个流量在上述氢气的当前流阻曲线与上述预存氢气的标准流阻曲线上的四个对应点，计算氢气的当前流阻曲线上两个对应点连线的斜率(记为当前斜率),以及预存氢气的标准流阻曲线上两个对应点连线的斜率(记为标准斜率)，计算斜率变化率，本实施例中斜率变化率为：两个斜率的差值(即当前斜率与标准斜率的差值)与标准斜率的比值，将所述斜率变化率与斜率偏离度预警值进行比较，当斜率变化率大于斜率偏离度预警值时，控制器输出需要更换氢瓶的信号。具体地，同一标准流量下，斜率偏离度预警值可以设置为1％及以上，优选斜率偏离度预警值为5％，当上述斜率变化率大于等于5％，控制器发生报警。不同流量大小对应的流阻偏离度预警值可作适当调整。
再一实施例为：所述控制器中还设置有流阻偏离度预警值，控制器根据同一流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的对应点，将在氢气的当前流阻曲线上的对应点称为当前点，将在氢气的标准流阻曲线上的对应点称为标准点，计算流阻变化率，本实施例中流阻变化率为：两个对应点所对应的流阻间的差值与标准点对应的流阻的比值，将所述流阻变化率与流阻偏离度预警值进行比较，当流阻变化率大于斜率偏离度预警值时，控制器输出需要更换氢瓶的信号。具体地，同一标准流量下，流阻偏离度预警值可以设置为1％及以上，优选流阻偏离度预警值为5％，当上述流阻变化率大于等于5％，控制器发生报警。不同流量大小对应的流阻偏离度预警值可作适当调整。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种气体纯度检测方法，其特征在于，包括：
1)预存待检测气体的标准流阻曲线，所述标准流阻曲线为：待检测气体的纯度大于等于99％时的流阻曲线；
2)在输送管路中，获取所述待检测气体的当前流阻曲线，将当前流阻曲线与所述标准流阻曲线进行比较，当当前流阻曲线偏离所述标准流阻曲线时，则输出气体纯度不纯的信号；其中，当前流阻曲线的获取过程为：在输送管路上设置节流组件，所述节流组件为相连的高压截断阀和过滤件，气流会在节流组件的前后形成压力差；实时采集输送管路中的流量Q，并且计算获取节流组件前方与节流组件后方的管路内压力差dp，以此绘制成当前流阻曲线，其中X轴为流量Q、Y轴为管路内压力差。
2.根据权利要求1所述的气体纯度检测方法，其特征在于：所述当前流阻曲线偏离所述标准流阻曲线的程度越大，则所述待检测气体的当前状态越不纯。
3.根据权利要求1所述的气体纯度检测方法，其特征在于：所述输送管路为燃料电池车中与燃料电池系统相连的供氢管路。
4.根据权利要求1所述的气体纯度检测方法，其特征在于：所述输送管路上在所述节流组件的前方设有流量传感器和第一压力传感器，在所述节流组件的后方设有第二压力传感器，流量传感器用于获取流量Q，所述管路内压力差dp由第一压力传感器的采集值和第二压力传感器的采集值相减得出。
5.一种供氢系统的氢气纯度检测装置，其特征在于：包括：
供氢组件，包括氢瓶组件以及与氢瓶组件相连的供氢管路；
节流组件，置于所述供氢管路上；所述节流组件为相连的高压截断阀和过滤件；
检测组件，包括控制器，以及置于所述供氢管路上的流量传感器、获取所述节流组件前后压力差的采集传感器，所述流量传感器位于节流组件的前方，所述控制器与流量传感器、采集传感器相连，所述控制器被配置为：根据所述流量传感器采集的流量、采集传感器采集的压力差来获取氢气的当前流阻曲线，并且基于氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线的偏离程度，判断氢气纯度。
6.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置，其特征在于：所述检测组件还包括与所述控制器相连的报警单元，当控制器判断氢气不纯时，控制所述报警单元发出警报。
7.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置，其特征在于：所述控制器中还设置有氢气纯度符合要求的边界流阻曲线，将氢气的当前流阻曲线与所述边界流阻曲线比对，若当前流组曲线的斜率高于该边界流阻曲线的斜率，则控制器输出需要更换氢瓶的信号。
8.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置，其特征在于：所述控制器中还设置有斜率偏离度预警值，控制器根据同一流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的对应点，计算对应点处的切线斜率，计算切斜斜率变化率，将所述切斜斜率变化率与斜率偏离度预警值进行比较，当切斜斜率变化率大于斜率偏离度预警值时，控制器输出需要更换氢瓶的信号。
9.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置，其特征在于：所述控制器中还设置有斜率偏离度预警值，控制器根据两个流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的四个对应点，计算氢气的当前流阻曲线上两个对应点连线的斜率,以及预存氢气的标准流阻曲线上两个对应点连线的斜率，计算斜率变化率，将所述斜率变化率与斜率偏离度预警值进行比较，当斜率变化率大于斜率偏离度预警值时，控制器输出需要更换氢瓶的信号。
10.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置，其特征在于：所述控制器中还设置有流阻偏离度预警值，控制器根据同一流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的对应点，计算流阻变化率，将所述流阻变化率与流阻偏离度预警值进行比较，当流阻变化率大于斜率偏离度预警值时，控制器输出需要更换氢瓶的信号。
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