CN112234230B - 一种燃料电池测试气体温湿度控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池测试气体温湿度控制系统，包括连接在氢气源和电堆之间的供气回路以及与供气回路连接的加湿水回路和冷却水回路，供气回路与电堆直接相连，为电堆输入满足设定压力、流量和温度、湿度的反应气体，加湿水回路与供气回路经过同一个加湿器，同时连接在加湿器的两端，为气体进行增湿，同时发生温度交换，冷却水回路与供气回路同时连接在换热器的两端，对已加湿气体进行换热；还公开了其控制方法；本发明控制方法精度高，响应快，适用于各种加湿和温度调节方式，有利于降低结构复杂度和系统成本。

Description

一种燃料电池测试气体温湿度控制系统和方法

技术领域

本发明属于燃料电池测试技术领域，具体涉及一种燃料电池测试气体温湿度控制系统和方法。

背景技术

燃料电池是一种能有效控制燃料和氧化剂的化学反应、并将其中的化学能直接转化为电能的电化学装置，其发电效率不受卡诺循环的限制，是一种高效、清洁的新型电源，被誉为继火电、水电及核电之外的第四种发电方式。

燃料电池运行需要特定的压力、温度、湿度条件，任何一个因素都会对燃料电池的功率输出产生影响。应用于燃料电池的测试系统用于模拟各种实际工况，需要为燃料电池提供准确的供气温度、湿度、流量和压力等参数，并通过控制电子负载的方式吸收功率。

在燃料电池测试系统中，反应气体通过流量调节和压力调节，满足燃料电池的流量、压力工作要求；反应气体进入温湿度控制单元，经过温湿度控制单元处理，可以满足燃料电池对反应气体温度、湿度的要求。

燃料电池测试过程中会面临各种不同工况，例如，保持气体湿度不变，调整其温度；或者保持气体温度不变，调整其湿度，由于温度和湿度之间存在紧密关系，相互影响，同时将温度和湿度快速调整到设定值具有一定难度。

CN108232250A提出一种质子交换膜燃料电池空气湿度控制系统，首先对进气温度进行调节，然后对进气湿度进行调节，即使增加保温处理，进气湿度调节后还是会不同程度改变进气温度，尤其当设定湿度与进气湿度偏差较大时，进气温度变化幅度更大，很难稳定到设定温度。

CN109597452A提出一种大功率燃料电池测试平台气体温湿度调控系统，利用电堆循环冷却水升高进堆增湿气体温度，只用于指定的增湿器，其中使用了两个换热器，增加了测试设备的体积和结构复杂度。CN101447575提出了一种燃料电池湿度控制方法，但其加湿器无法调节，仅能通过调节干气流量来调节空气湿度。CN103560261A提出一种通过调节湿气流量的方法来控制干气的湿度，但其仅适用于膜加湿装置。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种燃料电池测试气体温湿度控制系统，以解决现有技术中存在的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池测试气体温湿度控制系统，包括连接在氢气源和电堆之间的供气回路以及与供气回路连接的加湿水回路和冷却水回路；所述的供气回路与电堆直接相连，为电堆输入满足设定压力、流量和温度、湿度的反应气体，按照气体流动方向依次包括手动球阀、减压阀、压力表、精细过滤器、单向阀、压力控制器、质量流量控制器、电磁阀、压力传感器、一级加热器、加湿器、换热器、气液分离器、二级加热器和流量传感器；所述的加湿水回路与供气回路经过同一个加湿器，同时连接在加湿器的两端，为气体进行增湿，同时发生温度交换，按照水流方向依次包括作为补水阀的电磁阀、作为储水箱的去离子水罐、第一循环水泵、去离子水加热器和流量计；所述的冷却水回路与供气回路同时连接在换热器的两端，对已加湿气体进行换热，按照水流方向依次包括冷却塔、冷却水过滤器和第二循环水泵。

所述的一种燃料电池测试气体温湿度控制系统，其一级加热器和加湿器之间、加湿器和换热器之间、气液分离器和二级加热器之间以及流量传感器和电堆之间均设置有湿度传感器和温度传感器。所述的流量传感器和湿度传感器之间还设置有压力传感器。

所述的一种燃料电池测试气体温湿度控制系统，其去离子水罐上以及流量计和加湿器之间、换热器出口与冷却塔之间设置有温度传感器。

所述的一种燃料电池测试气体温湿度控制系统，其加湿器为内含多条气管的中空纤维材质，气管内为气体，气管外为去离子水，所述的加湿器和电磁阀之间设置有压力表，所述的去离子水加热器和流量计之间设置有加湿水流量控制阀。

本发明的目的之二是提供一种燃料电池测试气体温湿度控制方法，包括以下步骤：

步骤1，通过上位机设定气压、流量、温度、湿度目标值；

步骤2，实时监控供气回路、加湿水回路和冷却水回路中的各传感器，采集实际值作为反馈信号；

步骤3，控制单元基于目标值和实际值的差异情况，对供气回路中的压力控制器和质量流量控制器下发指令，将供气管道内气体压力和流量控制在目标值；

步骤4，基于实际温度和设定温度的差异，向供气回路中的一级加热器发送指令，使得气体温度保持在目标值以上；

步骤5，基于实际加湿水温度和气体设定温度的差异，向加湿水回路中的去离子水加热器发送指令，将加湿水温度控制在设定气体温度以上，对气体进行充分加湿，确保经过加湿器后气体湿度达到100%或高于设定湿度，并且气体温度保持在设定温度以上；

步骤6，湿空气在定压冷却（降温）过程中，发生凝结现象（达到饱和）时的温度为露点温度，基于设定的温度和湿度目标值，根据湿温度换算公式，向供气回路的 换热器下发指令，将气体定压冷却到露点温度；

步骤7，通过气液分离器将饱和湿度气体送入二级加热器，按照设定温度和实际温度的差异，向二级加热器下发指令，最终让气体温度和湿度都满足设定要求。

进一步，当原始气体温度低于设定温度目标值时，启动一级加热器提高气体温度，如果气体温度仍小于设定温度则启动二级加热器；当气体湿度低于设定湿度目标值时，启用加湿器；当加湿水温度低于设定温度目标值时，启动去离子水加热器提高加湿水温度。

再进一步，所述步骤6中的露点温度通过如下步骤计算得到：

步骤61，计算饱和水气压：

，公式中

是饱和水气压，单位为hPa；

是 水面温度为0℃时的饱和水气压，单位为hPa；

为实际温度，单位是℃；

步骤62，目标值设定温度表示为

，目标值设定相对湿度表示为

，满足设定温 度和湿度时单位质量气体内的水含量表示为

(

），在

不变的情况下，其露点温度 表示为

，

表示

时饱和水气压，

表示

时的饱和水气压，相对湿度

是温 度

下实际水气压与饱和水气压的比重值，其中的实际水气压等同于露点温度

下的饱 和水气压，各变量之间关系如下所示：

；

步骤63，满足设定湿度水含量的露点温度，可以通过以下的温湿度换算公式计算获得：

。

本发明系统工作时，首先对原始气体进行升温增湿，使得气体温度高于设定温度，并且保证气体达到饱和湿度，从而其绝对湿度高于设定温度、湿度下的绝对湿度，然后基于温湿度换算公式，对湿气进行冷却，通过降低露点温度的方式降低气体内绝对湿度，气液分离器将冷却后产生的液态水分离排出，将湿气进行升温处理，升到设定温度时，气体相对湿度也将满足设定要求。

本发明具有以下技术效果：

1，本发明仅需调节气体和加湿水温度的升降来响应湿度要求，加湿器仅用来将气体增湿到充分饱和，该控制方法精度高，响应快；

2，本发明对加湿器和加热器的要求低，选择范围广，适用于各种加湿和温度调节方式；

3，本发明换热器件较少，有利于降低结构复杂度和系统成本。

附图说明

图1为本发明控制系统的结构框图；

图2为本发明控制系统的原理示意图；

图3为本发明控制方法的流程框图。

各附图标记为：1—电堆，2—氢气源，3—换热器，4—冷却塔，5—加湿器，6—精细过滤器，7—质量流量控制器，8—去离子水罐，9—去离子水加热器，10—第一循环水泵，11—温度传感器，12—湿度传感器，13—压力传感器，14—流量传感器，15—气液分离器，16—第二循环水泵，17—冷却水过滤器，18—手动球阀，19—减压阀，20—单向阀，21—一级加热器，22—二级加热器，23—压力控制器，24—电磁阀，25—压力表，26—流量计，27—加湿水流量控制阀。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

本发明要解决的技术问题包括：

1）已有技术方案中，加湿效果主要依赖于加湿器的性能，气体流动的非线性、迟滞性导致对加湿器进行准确调节十分困难。

2）已有技术方案对于加湿器类型有明确要求，适用性差，方案推广范围有限。

3）已有技术方案中换热器件较多，换热器均需要配备完整的管理模块，增加了系统复杂度和成本。

参照图1所示，本发明公开的一种燃料电池测试气体温湿度控制系统，包括连接在氢气源2和电堆1之间的供气回路以及与供气回路连接的加湿水回路和冷却水回路。

其中所述的供气回路与电堆1直接相连，为电堆1输入满足设定压力、流量和温度、湿度的反应气体，按照气体流动方向依次包括手动球阀18、减压阀19、压力表25、精细过滤器6、单向阀20、压力控制器23、质量流量控制器7、电磁阀24、压力传感器13、气体一级加热器21、湿度传感器12、温度传感器11、加湿器5、湿度传感器12、温度传感器11、换热器3、气液分离器15、温度传感器11、湿度传感器12、气体二级加热器22、流量传感器14、压力传感器13、湿度传感器12、温度传感器11。

其中所述的加湿水回路与供气回路经过同一个加湿器5，同时连接在加湿器5的两端，为气体进行增湿，同时发生温度交换，按照水流方向依次包括作为补水阀的电磁阀24、温度传感器11、作为储水箱的去离子水罐8、第一循环水泵10、去离子水加热器9、加湿水流量控制阀27和流量计26。

本发明实施例选用的加湿器5为中空纤维材质，其包含数百条气管，管内是流动的气体，管外为去离子水，去离子水分子能够穿过管壁快速渗透到管内，干气与水分子充分结合达到快速增湿目的，中空纤维材质加湿器5对于管内外压差范围有要求，因此，为了更好的保护加湿器5，该实施例在加湿水回路中增配加湿水流量控制阀27和压力表25来调节水压，保证压差在安全范围内。

其中所述的冷却水回路与供气回路同时连接在换热器3的两端，对已加湿气体进行换热，按照水流方向依次包括温度传感器11、冷却塔4、冷却水过滤器17和第二循环水泵16。

本发明测试气体温湿度控制系统的基本流程如图2所示，首先对原始气体进行升温增湿，使得气体温度高于设定温度，并且保证气体达到饱和湿度，从而其绝对湿度高于设定温度、湿度下的绝对湿度，然后基于温湿度换算公式，对湿气进行冷却，通过降低露点温度的方式降低气体内绝对湿度，气液分离器15将冷却后产生的液态水分离排出，将湿气进行升温处理，升到设定温度时，气体相对湿度也将满足设定要求。

依照气体流动方向，手动球阀18用于手动控制气体通停，手动减压阀19用来将进气压力控制稳定在5Bar以下，然后通过精细过滤器6阻拦气体杂质，单向阀20防止气体逆向流动引起危险，压力控制器23按照设定压力要求将气体压力自动精确稳定在指定值，当氮气吹扫和安全停机时，可远程自动控制气体流动通停状态，压力传感器13实时监控气体压力，一级加热器21将气体温度提升到设定值，湿度传感器12采集加热后的气体温度和湿度，如果湿度低于设定值，加湿器5将开始工作，确保高温气体的湿度超过设定湿度，其后按照温湿度换算公式，换热器3通过降低气体温度的方式将多余水分子液化，气液分离器15将液态水排出，并将湿气输入二级加热器，然后通过二级加热器22将湿气温度提高到设定温度，通过电堆1入口处设置的温度传感器11、湿度传感器12、压力传感器13和流量传感器14确认电堆1输入的反应气体满足设定温度、湿度和压力、流量要求。

参照图3所示，本发明公开的一种燃料电池测试气体温湿度控制方法，包括如下步骤：

步骤1，通过上位机设定气压、流量、温度、湿度目标值。

步骤2，实时监控供气回路、加湿水回路和冷却水回路中的各传感器，采集实际值作为反馈信号。

步骤3，控制单元基于目标值和实际值的差异情况，对供气回路中的压力控制器23和质量流量控制器7下发指令，将供气管道内气体压力和流量控制在目标值。

步骤4，基于目标值和实际值的差异/实际温度和设定温度的差异，向供气回路中的一级加热器21发送指令，使得气体温度保持在目标值以上。

步骤5，基于目标值和实际值的差异/实际加湿水温度和气体设定温度的差异，向加湿水回路中的去离子水加热器9发送指令，将加湿水温度控制在设定气体温度以上，对气体进行充分加湿，确保经过加湿器5后气体湿度达到100%或高于设定湿度，并且气体温度保持在设定温度以上。

步骤6，湿空气在定压冷却（降温）过程中，发生凝结现象（达到饱和）时的温度为露点温度，基于设定的温度和湿度目标值，根据湿温度换算公式，向供气回路的 换热器3下发指令，将气体定压冷却到露点温度。

步骤7，通过气液分离器15将饱和湿度气体送入二级加热器22，按照设定温度和实际温度的差异，向二级加热器22下发指令，最终让气体温度和湿度都满足设定要求。

饱和水气压是水汽达到饱和时的水气压强。饱和水气压大小与温度有直接关系。随着温度的升高，饱和水气压显著增大。本发明基于Magnus经验公式，建立温湿度换算公式，按照设定温度、湿度能够计算得出满足要求的露点温度。

其中Magnus饱和水气压计算公式为：

，公式中

是饱和水气压，单位为 hPa；

是水面温度为0℃时的饱和水气压，单位为hPa；

为实际温度，单位是℃。

本发明中，设定温度表示为

，设定相对湿度表示为

。满足设定温度和湿度时 的单位质量气体内水含量表示为

(

），在

不变的情况下，其露点温度表示为

，

表示

时饱和水气压，

表示

时的饱和水气压。相对湿度

是温度

下实际 水气压与饱和水气压的比重值，其中的实际水气压等同于露点温度

下的饱和水气压，各 变量之间关系如下所示：

。

满足设定湿度水含量的露点温度，可通过以下的温湿度换算公式计算获得：

。

当设定温度和设定湿度已经确定的情况下，单位质量气体内的水含量也已经是确定值，通过饱和水气压计算公式可以获得。因此，本发明首先对气体进行加热增湿到饱和湿气，确保其实际水含量不低于要求值，然后通过调节露点温度将水含量精确控制在要求值，之后，将饱和湿气升温到设定温度，最终得到满足设定温湿度要求的反应气体。

原始气体温度低于设定温度时，启动一级加热器21提高气体温度不低于设定温度，如果气体湿度低于设定湿度，启用加湿水，如果加湿水温度低于气体设定温度，启动加湿水加热器提高加湿水温度；加湿器5将气体增湿到不低于设定湿度，之后经过换热器3降低气体温度，使气体换算湿度满足设定湿度要求，如果气体温度小于设定温度，则启用二级加热器对气体进行升温，升温后的气体直接输入电堆1中。

Magnus经验公式具备通用性和较高准确性，根据实际需要，Magnus经验公式也可以替换为其它饱和水气压计算公式。

最后应当说明的是：以上所述仅是用以说明的技术方案而非对其限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的实施例，所述领域的技术人员应当理解，未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种燃料电池测试气体温湿度控制系统，其特征在于：包括连接在氢气源（2）和电堆（1）之间的供气回路以及与供气回路连接的加湿水回路和冷却水回路；

所述的供气回路按照气体流动方向依次包括手动球阀（18）、减压阀（19）、压力表（25）、精细过滤器（6）、单向阀（20）、压力控制器（23）、质量流量控制器（7）、电磁阀（24）、压力传感器（13）、一级加热器（21）、加湿器（5）、换热器（3）、气液分离器（15）、二级加热器（22）和流量传感器（14），所述的一级加热器（21）和加湿器（5）之间、加湿器（5）和换热器（3）之间、气液分离器（15）和二级加热器（22）之间以及流量传感器（14）和电堆（1）之间均设置有湿度传感器（12）和温度传感器（11），所述的流量传感器（14）和湿度传感器（12）之间还设置有压力传感器（13）；

所述的加湿水回路与供气回路同时连接在加湿器（5）的两端，按照水流方向依次包括电磁阀（24）、去离子水罐（8）、第一循环水泵（10）、去离子水加热器（9）和流量计（26），所述的去离子水罐（8）上以及流量计（26）和加湿器（5）之间、换热器（3）出口与冷却塔（4）之间均设置有温度传感器（11），所述的加湿器（5）为内含多条气管的中空纤维材质，气管内为气体，气管外为去离子水，所述的加湿器（5）和电磁阀（24）之间设置有压力表（25），所述的去离子水加热器（9）和流量计（26）之间设置有加湿水流量控制阀（27）；

所述的冷却水回路与供气回路同时连接在换热器（3）的两端，按照水流方向依次包括冷却塔（4）、冷却水过滤器（17）和第二循环水泵（16）。

2.一种燃料电池测试气体温湿度控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的控制系统，包括以下步骤：

步骤1，设定气压、流量、温度、湿度目标值；

步骤2，实时监控供气回路、加湿水回路和冷却水回路中的传感器，采集实际值作为反馈信号；

步骤3，基于目标值和实际值的差异，对压力控制器（23）和质量流量控制器（7）下发指令，将气体压力和流量控制在目标值；

步骤4，基于目标值和实际值的差异，向一级加热器（21）发送指令，使得气体温度保持在目标值以上；

步骤5，基于目标值和实际值的差异，向去离子水加热器（9）发送指令，将加湿水温度控制在设定气体温度以上，确保经过加湿器（5）后气体湿度达到或高于设定湿度，并且气体温度保持在设定温度以上；

步骤6，基于设定的温度和湿度目标值，根据湿温度换算公式，向换热器（3）下发指令，将气体定压冷却到露点温度，露点温度通过如下步骤计算得到：

步骤61，计算饱和水气压：

，公式中

是饱和水气压，

是水面温度为0℃时 的饱和水气压，

为实际温度；

步骤62，目标值设定温度表示为，目标值设定相对湿度表示为，满足设定温度和湿度时 的单位质量气体内水含量表示为

(

），在

不变的情况下，其露点温度表示为

，

表示

时饱和水气压，

表示

时的饱和水气压，相对湿度

是温度

下实际 水气压与饱和水气压的比重值，其中的实际水气压等同于露点温度

下的饱和水气压，各 变量之间关系如下所示：

；

步骤63，满足设定湿度水含量的露点温度，可以通过以下的温湿度换算公式计算获得：

；

步骤7，通过气液分离器（15）将饱和湿度气体送入二级加热器（22），按照设定温度和实际温度的差异，向二级加热器（22）下发指令，最终让气体温度和湿度都满足设定要求；

当原始气体温度低于设定温度目标值时，启动一级加热器（21）提高气体温度，如果气体温度仍小于设定温度则启动二级加热器（22）；当气体湿度低于设定湿度目标值时，启用加湿器（5）；当加湿水温度低于设定温度目标值时，启动去离子水加热器（9）提高加湿水温度。

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