CN112186225A - 一种燃料电池电堆测试台及背压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池生产技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆测试台及背压控制方法，燃料电池电堆测试台包括与燃料电池电堆连通的氢气系统、空气系统、冷却系统，以及用于控制所述氢气系统、空气系统、冷却系统的控制系统；所述氢气系统包括氢气进气模块和氢气排气模块，所述氢气进气模块与燃料电池电堆的进气口连通，所述氢气排气模块与燃料电池电堆的出气口连通。本发明通过特定的控制算法和控制器结构，消除了机械式背压阀固有误差特性的影响，并搭配并联的开关阀，实现全流量范围内背压盲区的最小化，相比电控式背压阀，本发明的背压控制精度更高，动态误差更小，同时，在大流量时背压范围更宽。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池生产加工技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆测试台及背压控制方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高，同时燃料电池用燃料和氧气作为原料，且没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。常见的燃料电池有氢氧燃料电池、固体氧化物燃料电池和甲醇燃料电池等。由于传统化石燃料在人类大规模开发利用的情况下越来越少，近年来，环保能源如氢能源的开发利用日益受到关注，氢氧燃料电池作为氢能源应用的一个重要方向越来越被人们重视，从而不断地进行研究开发，新产品层出不穷。燃料电池规模化生产以降低成本日益成为一种共识和趋势。燃料电池检测设备作为加速产业落地的重要一环，其需求量与日俱增，各项性能指标要求也越来越高，越来越多样化。其中一项重要指标是背压控制精度，然而，在面对大范围流量与大范围压力工况时背压控制精度往往难以保证。
燃料电池电堆检测设备往往采取两种背压方式：电控式背压和机械式背压。电控式背压实时检测背压点压力值并通过闭环控制算法实时调节阀门开度。由于严重的模型非线性，传统控制算法难以适应不同流量和压力工况，往往只能在工况点附近保持满意的控制精度。另外，现有的厂商能提供的电控式背压阀流量系数普遍较小，对大功率的电堆检测设备而言，大流量时压损过大，低背压值难以达到。而机械式背压阀以其良好的动态性能、较低的压损逐渐受到市场认可，它从原理上更容易适应大范围变化的工况，其入口压力自动跟随参考压力，且保持近似相等。但流量增大时，背压误差也会增大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种燃料电池电堆测试台，以及一种应用前述燃料电池电堆测试台的背压控制方法。
本发明采用如下方案实现：
一种燃料电池电堆测试台，用于测试燃料电池电堆，燃料电池电堆具有进气口和出气口，包括与燃料电池电堆连通的氢气系统、与燃料电池电堆连通的空气系统、与燃料电池电堆连通的冷却系统，以及用于控制所述氢气系统、空气系统、冷却系统的控制系统；所述氢气系统包括氢气进气模块和氢气排气模块，所述氢气进气模块与燃料电池电堆的进气口连通，所述氢气排气模块与燃料电池电堆的出气口连通；所述氢气排气模块包括与燃料电池电堆的出气口连通的末端处理单元，设置于末端处理单元和燃料电池电堆出气口之间的机械式背压阀，以及设置于机械式背压阀和燃料电池电堆的出气口之间的第一压力传感器。
进一步的，所述氢气排气模块还包括第一开关阀，所述第一开关阀与所述机械式背压阀构成并联关系。
进一步的，所述氢气排气模块还包括第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀，所述第一开关阀与所述机械式背压阀并联后与所述第二开关阀串联，所述第三开关阀的一端与所述末端处理单元连通，第三开关阀的另一端连通于所述第二开关阀与所述燃料电池电堆的排气口之间。
进一步的，所述氢气排气模块还包括第一开关阀和第二开关阀，所述第二开关阀串联于所述机械式背压阀和第一压力传感器之间，所述第一开关阀的一端与所述末端处理单元连通，第一开关阀的另一端连通于所述第二开关阀与所述燃料电池电堆的排气口之间。
进一步的，所述氢气进气模块包括与燃料电池电堆的进气口连通的氢气流量控制器，以及设置于氢气流量控制器之间的第二氢气压力传感器。
进一步的，所述氢气进气模块还设置有氢气流量控制器。
进一步的，所述机械式背压阀为气压平衡式背压阀。
一种背压控制方法，应用前述的燃料电池电堆测试台，其特征在于，控制系统实时采集燃料电池电堆进气口的压力值和燃料电池电堆排气口的压力值，将测得的两处压力值与目标值比较，通过闭环控制算法实时计算背压阀的参考压力值，控制调压阀实时输出参考压力。
进一步的，控制系统实时采集燃料电池电堆进气口的压力值和燃料电池电堆排气口的压力值，当氢气背压点设置在燃料电池电堆排气口处时，进行排气口闭环控制，将燃料电池电堆排气口压力与燃料电池电堆排气口压力的目标值实时比对，并通过第一控制器进行闭环控制计算，将计算后的控制量输出给调压阀；当氢气背压点设置在燃料电池电堆进气口处时，进行进气口闭环控制，实时比较目标值与燃料电池电堆进气口压力，通过第二控制器计算输出值，燃料电池电堆排气口的目标值，再进行排气口闭环控制。
进一步的，预先建立辨识模型，在排气口闭环控制的过程中，将氢气进气模块中的氢气流量控制器的给定值作为所述辨识模型的输入得到前馈控制量，施加到调压阀的输入量；所述给定值是在机械式背压阀前串接的流量传感器的检测值。
对比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过特定的控制算法和控制器结构，消除了机械式背压阀固有误差特性的影响，并搭配并联的开关阀，实现全流量范围内背压盲区的最小化，相比电控式背压阀，本发明的背压控制精度更高，动态误差更小，同时，在大流量时背压范围更宽。另一方面，本发明可采用双闭环控制将燃料电池电堆的特性屏蔽在内环控制之外，有效减少控制参数整定难度，提高控制性能。
附图说明
图1是本发明的一种燃料电池电堆测试台的结构示意图。
图2是本发明的一种燃料电池电堆测试台的氢气系统示意图。
图3是本发明的一种燃料电池电堆测试台氢气系统的实施例2示意图。
图4是本发明的一种燃料电池电堆测试台氢气系统的实施例3示意图。
图5是本发明的一种燃料电池电堆测试台氢气系统的背压控制优选方案示意图。
图中包括有：
100-燃料电池电堆测试台；200-氢气系统；300-空气系统；400-冷却系统；500-控制系统；600-燃料电池电堆；210-氢气进气模块；202-氢气流量控制器；203-第二压力传感器、204-第一压力传感器；205-机械式背压阀；206-第一开关阀；207-末端处理单元；208-第二开关阀；209-第三开关阀；220-氢气排气模块；701-燃料电池电堆进气口压力的目标值；702-第二控制器；703-第一控制器；704-调压阀的输入量；705-调压阀；706-机械式背压阀的压力模型；707-燃料电池电堆排气口压力；708-燃料电池电堆的压力模型；709-燃料电池电堆进气口压力；710-氢气流量控制器的给定值；711-前馈控制器；712-燃料电池电堆排气口压力的目标值。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明，下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
参照图1、图2，本发明提供的一种燃料电池电堆测试台，用于测试燃料电池电堆600，燃料电池电堆600具有进气口和出气口，包括与燃料电池电堆600连通的氢气系统200、与燃料电池电堆600连通的空气系统300、与燃料电池电堆连通的冷却系统400，以及用于控制所述氢气系统200、空气系统300、冷却系统400的控制系统500；所述氢气系统200包括氢气进气模块210和氢气排气模块220，所述氢气进气模块与燃料电池电堆的进气口连通，所述氢气排气模块与燃料电池电堆的出气口连通；所述氢气排气模块包括与燃料电池电堆的出气口连通的末端处理单元207，设置于末端处理单元207和燃料电池电堆出气口之间的机械式背压阀205，以及设置于机械式背压阀和燃料电池电堆的出气口之间的第一压力传感器。本发明中各个部件的连通可以通过管路连通。末端处理单元207可用于处理从燃料电池电堆排出的气体。
所述氢气排气模块还包括第一开关阀206，所述第一开关阀与所述机械式背压阀构成并联关系。也即第一开关阀和机械式背压阀并联后两端分别和末端处理单元207、燃料电池电堆连通，第一压力传感器设置在图2中所示的第一开关阀、机械式背压阀右侧的连接处。
所述氢气进气模块包括与燃料电池电堆的进气口连通的氢气流量控制器，以及设置于氢气流量控制器之间的第二氢气压力传感器。所述氢气进气模块还设置有氢气流量控制器。所述机械式背压阀为气压平衡式背压阀，气压平衡式背压阀相比传统的弹簧式背压阀背压精度更高。
氢气流量控制器202靠近燃料电池电堆测试台100的供气端（标号201指代供气端或与供气端连接的部件），检测并控制气流量。第二压力传感器203靠近氢气进气模块210的输出端。氢气进气模块210的输出端通过管路与燃料电池电堆600的氢气进气口相连。燃料电池电堆600的氢气排气口通过管路与氢气排气模块220的入口相连。氢气进气模块210的出口端和/或氢气排气模块220的入口端设置有第二压力传感器/203第一压力传感器204，用于检测所述燃料电池电堆的氢气进气口和/或氢气排气口压力值。燃料电池电堆600的氢气排气口经过管路与氢气排气模块220的入口端相连，在氢气排气模块220的入口端通过管路连接一个机械式背压阀205，机械式背压阀205再与一个第一开关阀206并联，然后通过管路与氢气排气模块220的末端处理部分207相连。并联的第一开关阀206在需要与大气连通时打开，否则关闭。空气系统300与氢气系统200结构相同或相似，除非特别说明，本发明的氢气系统200的结构拓扑和氢气背压控制方法完全适用于空气系统300。冷却系统400的出口和入口分别通过管路与燃料电池电堆600的冷却水入口和冷却水出口相连，通过水循环保证燃料电池电堆600的入口温度与出口温度在目标范围内。
实施例2
参照图1、图3，所述氢气排气模块还包括第一开关阀206、第二开关阀208、第三开关阀209，所述第一开关阀与所述机械式背压阀并联后与所述第二开关阀串联，所述第三开关阀的一端与所述末端处理单元207连通，第三开关阀的另一端连通于所述第二开关阀与所述燃料电池电堆的排气口之间。也即机械式背压阀和第一开关阀并联之后，两者的并联体再与第二开关阀串联，第三开关阀连通在第二开关阀和燃料电池电堆的排气口之间的管路，第一压力传感器设置在图4中所示的第三开关阀和前述管路连接处。本实施例的其他部分结构均与实施例1相同，在此不再做累赘叙述。
机械式背压阀205与第一开关阀206的并连体前先串联一个第二开关阀208，再与第三开关阀209并联。在管路需要与大气连通时，打开第一开关阀206、第二开关阀208，关闭第三开关阀209，否则关闭第二开关阀208。当脉冲排模式时，关闭第一开关阀206、第二开关阀208，周期性的打开或关闭第三开关阀209。本方案适用于所有功率范围的燃料电池电堆测试台。
实施例3
参照图1、图4，所述氢气排气模块还包括第一开关阀206和第二开关阀208，所述第二开关阀串联于所述机械式背压阀205和第一压力传感器204之间，所述第一开关阀的一端与所述末端处理单元连通，第一开关阀的另一端连通于所述第二开关阀与所述燃料电池电堆的排气口之间（第一压力传感器设置于该处）。本实施例的其他部分结构均与实施例1相同，在此不再做累赘叙述。
氢气排气模块220中的机械式背压阀205前可以先串联一个第二开关阀208，再与第一开关阀206并联。第二开关阀208在不需要背压时关闭。第一开关阀206在管路需要与大气连通时打开，或脉冲排模式时，周期性的打开和关闭。第一开关阀206要求在脉冲排模式时开关速度较快，难以同时适应大流量的需求。所以本方案适用于小功率电堆测试台或不需要脉冲排模式的电堆测试台。
参照图5，本发明还提供了一种背压控制方法，应用前述的燃料电池电堆测试台，控制系统500实时采集燃料电池电堆进气口的压力值和燃料电池电堆排气口的压力值，将测得的两处压力值与目标值比较，通过闭环控制算法实时计算机械式背压阀的参考压力值，控制调压阀实时输出参考压力。
如图5所示的特征为：701-燃料电池电堆进气口压力的目标值；702-第二控制器（用于控制燃料电池电堆进气口压力的控制器）；703-第一控制器（用于控制燃料电池电堆排气口压力的控制器）；704-调压阀的输入量；705-调压阀；706-机械式背压阀的压力模型（该模型指代机械式背压阀205）；707-燃料电池电堆排气口压力；708-燃料电池电堆的压力模型（该模型指代燃料电池电堆600）；709-燃料电池电堆进气口压力；710-氢气流量控制器的给定值；711-前馈控制器；712-燃料电池电堆排气口压力的目标值。
具体地说，控制系统500实时采集第一压力传感器204或第二压力传感器203的压力值，并与目标值比较，通过特定的闭环控制算法实时计算机械式背压阀205（图5中机械式背压阀的压力模型706也即指代机械式背压阀）的参考压力值，并下达指令到下游控制器，如PLC，再通过调压阀等执行器实时输出参考压力。通过所述闭环控制，一方面可以消除机械式背压阀205固有的误差特性影响，即随流量和压力变化，实际背压值与目标值的差值也在变化；另一方面，通过机械式背压阀205搭配并联的开关阀206，实现全流量范围内背压盲区的最小化。
控制系统500实时采集燃料电池电堆进气口的压力值和燃料电池电堆排气口的压力值，当氢气背压点设置在燃料电池电堆排气口处时，进行排气口闭环控制，将燃料电池电堆排气口压力707与燃料电池电堆排气口压力的目标值712实时比对，并通过第一控制器703进行闭环控制计算，将计算后的控制量输出给调压阀705；当氢气背压点设置在燃料电池电堆进气口处时，进行进气口闭环控制，实时比较进气口目标值701（燃料电池电堆进气口压力的目标值）与燃料电池电堆进气口压力709，通过第二控制器702计算输出值，燃料电池电堆排气口压力的目标值712（燃料电池电堆排气口压力的目标值），再进行排气口闭环控制。
具体地说，控制系统500实时采集燃料电池电堆600的氢气排气口压力（也即燃料电池电堆排气口压力707）和氢气进气口压力（燃料电池电堆进气口压力709）。当氢气背压点设置在第一压力传感器204的检测点时，氢气排气口压力与其背压燃料电池电堆排气口压力的目标值712（也即燃料电池电堆排气口压力的目标值）实时比对，并通过控制器703进行闭环控制计算，将计算后的控制量输出给调压阀705。当氢气背压点设置在压力传感器203的检测点时，进行进气口闭环控制，即实时比较进气口目标值701与氢气进气口压力709，通过控制器702计算输出值，氢气排气口压力707的燃料电池电堆排气口压力的目标值712，再进行前述排气口闭环控制（也即进行双闭环控制）。采用双闭环控制将燃料电池电堆的特性屏蔽在内环控制之外，有效减少了控制参数整定难度，提高了控制性能。
预先建立辨识模型，在排气口闭环控制的过程中，将氢气进气模块中的氢气流量控制器的给定值作为所述辨识模型的输入得到前馈控制量，施加到调压阀的输入量；所述给定值是在背压阀前串接的流量传感器的检测值。具体地说，在燃料电池电堆排气口压力707的闭环控制中，可考虑施加氢气流量的前馈控制。当参考压力给定时，机械式背压阀的实际背压值会随着氢气流量的增大而增大，这一过程往往是非线性的，可针对该过程展开测试获取实验数据，然后进行辨识，建立辨识模型。在控制的过程中再将氢气进气模块200中的氢气流量控制器202的给定值作为所述辨识模型的输入得到前馈控制量，施加到调压阀的输入量704。
前馈控制器711的输入值也可以是氢气流量控制器202的检测值，此时前馈控制变成了反馈控制。当然，氢气流量控制器202的检测值并不能准确反映流过机械式背压阀205的瞬时流量，为此，可以在机械式背压阀205前串接流量传感器，将检测值传递并赋值到氢气流量控制器的给定值710。
本发明通过特定的控制算法和控制器结构，消除了机械式背压阀固有误差特性的影响，并搭配并联的开关阀，实现全流量范围内背压盲区的最小化，相比电控式背压阀，本发明的背压控制精度更高，动态误差更小，同时，在大流量时背压范围更宽。另一方面，本发明可采用双闭环控制将燃料电池电堆的特性屏蔽在内环控制之外，有效减少控制参数整定难度，提高控制性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语 “连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化，是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种燃料电池电堆测试台，用于测试燃料电池电堆，燃料电池电堆具有进气口和出气口，其特征在于，包括与燃料电池电堆连通的氢气系统、与燃料电池电堆连通的空气系统、与燃料电池电堆连通的冷却系统，以及用于控制所述氢气系统、空气系统、冷却系统的控制系统；所述氢气系统包括氢气进气模块和氢气排气模块，所述氢气进气模块与燃料电池电堆的进气口连通，所述氢气排气模块与燃料电池电堆的出气口连通；所述氢气排气模块包括与燃料电池电堆的出气口连通的末端处理单元，设置于末端处理单元和燃料电池电堆出气口之间的机械式背压阀，以及设置于机械式背压阀和燃料电池电堆的出气口之间的第一压力传感器。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试台，其特征在于，所述氢气排气模块还包括第一开关阀，所述第一开关阀与所述机械式背压阀构成并联关系。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆测试台，其特征在于，所述氢气排气模块还包括第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀，所述第一开关阀与所述机械式背压阀并联后与所述第二开关阀串联，所述第三开关阀的一端与所述末端处理单元连通，第三开关阀的另一端连通于所述第二开关阀与所述燃料电池电堆的排气口之间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试台，其特征在于，所述氢气排气模块还包括第一开关阀和第二开关阀，所述第二开关阀串联于所述机械式背压阀和第一压力传感器之间，所述第一开关阀的一端与所述末端处理单元连通，第一开关阀的另一端连通于所述第二开关阀与所述燃料电池电堆的排气口之间。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试台，其特征在于，所述氢气进气模块包括与燃料电池电堆的进气口连通的氢气流量控制器，以及设置于氢气流量控制器之间的第二氢气压力传感器。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试台，其特征在于，所述氢气进气模块还设置有氢气流量控制器。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试台，其特征在于，所述机械式背压阀为气压平衡式背压阀。
8.一种背压控制方法，其特征在于，应用权利要求1-7任一所述的燃料电池电堆测试台，其特征在于，控制系统实时采集燃料电池电堆进气口的压力值和燃料电池电堆排气口的压力值，将测得的两处压力值与目标值比较，通过闭环控制算法实时计算机械式背压阀的参考压力值，控制调压阀实时输出参考压力。
9.根据权利要求8所述的背压控制方法，其特征在于，控制系统实时采集燃料电池电堆进气口的压力值和燃料电池电堆排气口的压力值，当氢气背压点设置在燃料电池电堆排气口处时，进行排气口闭环控制，将燃料电池电堆排气口压力与燃料电池电堆排气口压力的目标值实时比对，并通过第一控制器进行闭环控制计算，将计算后的控制量输出给调压阀；当氢气背压点设置在燃料电池电堆进气口处时，进行进气口闭环控制，实时比较进气口目标值与燃料电池电堆进气口压力，通过第二控制器计算输出值，燃料电池电堆排气口的燃料电池电堆排气口压力的目标值再进行排气口闭环控制。
10.根据权利要求9所述的背压控制方法，其特征在于，预先建立辨识模型，在排气口闭环控制的过程中，将氢气进气模块中的氢气流量控制器的给定值作为所述辨识模型的输入得到前馈控制量，施加到调压阀的输入量；所述给定值是在机械式背压阀前串接的流量传感器的检测值。
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|---|---|---|---|---|
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