CN112786925B - 燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，包括：干氢气气源、水箱和混合湿氢气出口，所述水箱用于存储纯水和缓存干氢气；以及，旋涡泵和至少一个喷嘴，所述旋涡泵用于将存储在所述水箱中的纯水抽出并增压至指定压力后排至所述喷嘴中，所述喷嘴用于将增压后的纯水进行雾化并向所述水箱内喷出，以使得雾化后的纯水与所述水箱内缓存的干氢气接触后形成混合湿氢气；以及，水箱加热器和散热器，所述水箱加热器用于对所述水箱内的纯水进行加热，所述散热器用于对增压后的纯水进行冷却并回流至所述水箱中。本发明可加快增湿速度，减小延迟。

Description

燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统。
背景技术
在对燃料电池氢气系统进行模拟测试时，无法采用真实的燃料电池电堆单独的进行氢腔加热增湿过程，为了能够完整的模拟燃料电池氢气系统实际的运行过程，需开发一套燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，用于满足燃料电池氢气子系统模拟测试时，快速准确的模拟燃料电池电堆氢腔的加热增湿过程。
现有的燃料电池氢气系统测试过程是利用换热器及增湿器对氢气进行加热和增湿，再进行氢气系统模拟测试，由于氢气经过换热器和增湿器的氢气流道时，均需要一定的流通时间，所以每次根据燃料电池氢气系统不同的运行工况点对入口干氢气进行加热增湿时过程十分缓慢，均会有一定的延迟，只能粗略的模拟燃料电池电堆的实际加热增湿过程。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中模拟燃料电池电堆的实际加热增湿过程缓慢且不精细的缺陷，提供一种燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，包括：
干氢气气源、水箱和混合湿氢气出口，所述干氢气气源与所述水箱的第一入口相连，所述混合湿氢气出口与所述水箱的第一出口相连，所述水箱用于存储纯水和缓存干氢气；以及，
旋涡泵和至少一个喷嘴，所述旋涡泵的入口与所述水箱的第二出口相连，所述旋涡泵的出口与分别与每个所述喷嘴的入口相连，所述喷嘴的出口设于所述水箱内，所述旋涡泵用于将存储在所述水箱中的纯水抽出并增压至指定压力后排至所述喷嘴中，所述喷嘴用于将增压后的纯水进行雾化并向所述水箱内喷出，以使得雾化后的纯水与所述水箱内缓存的干氢气接触后形成混合湿氢气；以及，
水箱加热器和散热器，所述水箱加热器设于所述水箱内，所述散热器的入口与所述旋涡泵的出口相连，所述散热器的出口与所述水箱的第二入口相连，所述水箱加热器用于对所述水箱内的纯水进行加热，所述散热器用于对增压后的纯水进行冷却并回流至所述水箱中。
较佳地，还包括：
干氢气入口阀，所述干氢气入口阀的入口与所述干氢气气源的出口相连，所述干氢气入口阀的出口与所述第一入口相连，所述干氢气入口阀用于将所述干氢气气源供给的干氢气背压后送入所述第一入口。
较佳地，还包括：
氢气流量计，所述氢气流量计的入口与所述干氢气气源的出口相连，所述氢气流量计的出口与所述干氢气入口阀的入口相连，所述氢气流量计用于测量干氢气流量；
干氢气入口压力传感器和干氢气入口温度传感器，所述干氢气入口压力传感器和干氢气入口温度传感器设置于所述氢气流量计的出口与所述干氢气入口阀的入口之间。
较佳地，还包括：
湿氢气出口阀，所述湿氢气出口阀的入口与所述第一出口相连，所述湿氢气出口阀的出口与所述混合湿氢气出口相连，所述湿氢气出口阀用于将所述水箱内的混合湿氢气背压后排至所述第一出口。
较佳地，还包括：
湿氢气温度传感器、湿氢气湿度传感器和湿氢气压力传感器，所述湿氢气温度传感器、所述湿氢气湿度传感器和所述湿氢气压力传感器设置于所述湿氢气出口阀的出口与所述混合湿氢气出口之间。
较佳地，还包括：
至少一个喷嘴阀，所述喷嘴阀与所述喷嘴一一对应，所述喷嘴阀的入口与所述旋涡泵的出口相连，所述喷嘴阀的出口与对应的喷嘴的入口相连，所述喷嘴阀用于控制增压后的纯水是否流入所述喷嘴；
和/或，散热阀，所述散热阀的入口与所述旋涡泵的出口相连，所述散热阀的出口与所述散热器的入口相连，所述散热阀用于控制增压后的纯水是否流入所述散热器；
和/或，过滤器，所述过滤器的入口与所述旋涡泵的出口相连，所述过滤器的出口分别与所述散热器的入口和所述喷嘴的入口相连，所述过滤器用于过滤增压后的纯水中的杂质。
较佳地，所述水箱加热器与所述散热器相配合以使得所述纯水的温度恒定在指定温度。
较佳地，还包括：
水箱补水排水阀，所述水箱补水排水阀的一个端口与补水排水口相连，所述水箱补水排水阀的另一个端口与所述第二出口相连，所述水箱补水排水阀用于给所述水箱补充或排出纯水；
和/或，水箱泄压阀，所述水箱泄压阀的入口与所述水箱的第三出口相连，所述水箱泄压阀用于在所述水箱内部压力超过指定压力时将超过所述指定压力的气体排空；
和/或，氢气流量控制阀，所述氢气流量控制阀的入口与所述水箱的第四出口相连，所述氢气流量控制阀用于调节所述干氢气的流量至指定流量后排空。
较佳地，还包括：
水箱压力传感器和水箱温度传感器，所述水箱压力传感器和所述水箱温度传感器设置于所述水箱内。
较佳地，还包括：
控制器，所述控制器用于采集氢气流量计、干氢气入口压力传感器、干氢气入口温度传感器、水箱压力传感器、水箱温度传感器、湿氢气温度传感器、湿氢气湿度传感器和/或湿氢气压力传感器的测量值；
以及，控制所述水箱加热器、喷嘴阀、所述散热器、散热阀和/或所述旋涡泵的开关；
以及，调节氢气流量控制阀的流量。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明用水箱替代燃料电池电堆氢腔，通过对水箱内的纯水进行加热，再利用旋涡泵将纯水抽出，并通过喷嘴喷入水箱中，同时进行雾化，将进入水箱的干氢气进行加热并增湿，完整的模拟燃料电池电堆氢腔的加热增湿过程；尤其是本发明所采用的喷淋增湿方式，在将加热后的纯水增压后，通过雾化喷嘴直接喷至干气介质中，这种直接液气混合的方式会比通过现有增湿器内部的透水膜进行增湿加快了增湿速度，减小了延迟。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统的结构示意图；
图2为控制器的线路连接示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中
实施例1
图1示出了本实施例的一种燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统。其包括：干氢气气源1、水箱2、混合湿氢气出口3、旋涡泵4、至少一个喷嘴(本实施例中示出了四个喷嘴，分别为喷嘴5、6、7、8，当然本实施例并不局限于此，根据实际需求可以增加或减少喷嘴的数量)、水箱加热器9和散热器10。
干氢气气源1与水箱2的第一入口相连，混合湿氢气出口3与水箱2的第一出口相连，水箱2用于存储纯水31和缓存干氢气。
旋涡泵4的入口与水箱2的第二出口相连，旋涡泵4的出口与分别与每个喷嘴5、6、7、8的入口相连，喷嘴5、6、7、8的出口设于水箱2内，旋涡泵4用于将存储在水箱2中的纯水31抽出并增压至指定压力后排至喷嘴5、6、7、8中，喷嘴5、6、7、8用于将增压后的纯水31进行雾化并向水箱2内喷出，以使得雾化后的纯水31与水箱2内缓存的干氢气接触后形成混合湿氢气。
水箱加热器9设于水箱2内，散热器10的入口与旋涡泵4的出口相连，散热器10的出口与水箱2的第二入口相连，水箱加热器9用于对水箱2内的纯水31进行加热，散热器10用于对增压后的纯水31进行冷却并回流至水箱2中。
其中，第一入口可以设置于水箱2的一个侧面，第一出口可以设置于水箱2的另一个侧面。第二出口可以设置于水箱2的底部。水箱加热器9可以设置于水箱2的底部。
本实施例的系统中，通过水箱加热器9对水箱2内的纯水31进行加热得到加热后的纯水31，通过旋涡泵4和喷嘴5、6、7、8实现了喷淋增湿方式，在将加热后的纯水31增压后，通过雾化喷嘴5、6、7、8直接喷至干氢气中，这种直接水气混合的方式会比通过现有增湿器内部的透水膜进行增湿加快了增湿速度，减小了延迟。本实施例的系统用水箱2替代燃料电池电堆氢腔，通过对水箱2内的纯水31进行加热，再利用旋涡泵4将纯水31抽出，并通过喷嘴5、6、7、8喷入水箱2中，同时进行雾化，将进入水箱2的干氢气进行加热并增湿，完整的模拟燃料电池电堆氢腔的加热增湿过程。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：干氢气入口阀11。干氢气入口阀11的入口与干氢气气源1的出口相连，干氢气入口阀11的出口与第一入口相连，干氢气入口阀11用于将干氢气气源1供给的干氢气背压后送入第一入口。具体可以通过干氢气入口阀11将干氢气背压至指定压力后送入第一入口，以此实现进气的压力调节。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：氢气流量计12、干氢气入口压力传感器13和干氢气入口温度传感器14。氢气流量计12的入口与干氢气气源1的出口相连，氢气流量计12的出口与干氢气入口阀11的入口相连，氢气流量计12用于测量干氢气流量。干氢气入口压力传感器13和干氢气入口温度传感器14设置于氢气流量计12的出口与干氢气入口阀11的入口之间。干氢气入口压力传感器13用于测量干氢气压力值。干氢气入口温度传感器14用于测量干氢气温度值。通过测量的干氢气流量、干氢气压力值和干氢气温度值，可以实现对流量、压力和温度的精确调节，满足模拟测试的需求。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：湿氢气出口阀15。湿氢气出口阀15的入口与第一出口相连，湿氢气出口阀15的出口与混合湿氢气出口3相连，湿氢气出口阀15用于将水箱2内的混合湿氢气背压后排至第一出口。其中混合湿氢气是水蒸气与氢气的混合气体。具体可以通过湿氢气出口阀15将混合湿氢气背压至指定压力后送入第一出口，以此实现出气的压力调节。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：湿氢气温度传感器16、湿氢气湿度传感器17和湿氢气压力传感器18。湿氢气温度传感器16、湿氢气湿度传感器17和湿氢气压力传感器18设置于湿氢气出口阀15的出口与混合湿氢气出口3之间。湿氢气温度传感器16用于测量湿氢气温度值。湿氢气湿度传感器17用于测量湿氢气湿度值。湿氢气压力传感器18用于测量湿氢气压力值。通过测量的湿氢气温度值、湿氢气湿度值和湿氢气压力值，可以得到模拟测试的测试结果。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：至少一个喷嘴阀，本实施例中示出了四个喷嘴阀，分别为喷嘴阀19、20、21、22，当然本实施例并不局限于此，根据喷嘴5、6、7、8的数量可以增加或减少喷嘴阀的数量。喷嘴阀19、20、21、22分别与喷嘴5、6、7、8一一对应，喷嘴阀19、20、21、22的入口与旋涡泵4的出口相连，喷嘴阀19、20、21、22的出口与对应的喷嘴5、6、7、8的入口相连，喷嘴阀19、20、21、22用于控制增压后的纯水31是否流入喷嘴5、6、7、8。喷嘴5、6、7、8口径一定的情况下，其最大水流量不变，只能满足一定气体流量的增湿用水需求，但气体流量越大，需要喷淋增湿的水就需要更多，为了不产生过增湿的情况，就需要分级对喷嘴5、6、7、8进行开关控制，使用不同数量的喷嘴5、6、7、8，以满足不同流量下的不同需水量。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：散热阀23。散热阀23的入口与旋涡泵4的出口相连，散热阀23的出口与散热器10的入口相连，散热阀23用于控制增压后的纯水31是否流入散热器10。通过散热阀23的控制可以调整散热器10的入水，从而调节水箱2内的纯水31温度。
在一种可实施的方式中，水箱加热器9与散热器10相配合以使得纯水31的温度恒定在指定温度。其中，指定温度根据实际需要设定。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：过滤器24。过滤器24的入口与旋涡泵4的出口相连，过滤器24的出口分别与散热器10的入口和喷嘴5、6、7、8的入口相连。过滤器24用于过滤增压后的纯水中的杂质，防止喷嘴5、6、7、8堵塞。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：水箱补水排水阀25。水箱补水排水阀25的一个端口与补水排水口相连，水箱补水排水阀25的另一个端口与第二出口相连，水箱补水排水阀25用于给水箱2补充或排出纯水31。以此调节水箱2内的水量。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：水箱泄压阀26。水箱泄压阀26的入口与水箱2的第三出口相连，水箱泄压阀26用于在水箱2内部压力超过指定压力时将超过指定压力的气体排空。通过水箱泄压阀26排空超过指定压力的气体可以防止水箱内压力过大，保证安全性。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：氢气流量控制阀27。氢气流量控制阀27的入口与水箱2的第四出口相连，氢气流量控制阀27用于调节干氢气的流量至指定流量后排空。排空的过程模拟了实际应用中氢气消耗的过程。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：水箱压力传感器28和水箱温度传感器29。水箱压力传感器28和水箱温度传感器29设置于水箱2内。水箱压力传感器28用于测量水箱2内的气压值。水箱温度传感器29用于测量水箱2内的纯水温度值。
在一种可实施的方式中，燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统还可以包括：控制器30。控制器30用于采集氢气流量计12、干氢气入口压力传感器13、干氢气入口温度传感器14、水箱压力传感器28、水箱温度传感器29、湿氢气温度传感器16、湿氢气湿度传感器17和湿氢气压力传感器18的测量值；以及，控制水箱加热器9、喷嘴阀19、20、21、22、散热器10、散热阀23和旋涡泵4的开关；以及，调节氢气流量控制阀27的流量。其中，如图2所示，控制器30可以与氢气流量计12、干氢气入口压力传感器13、干氢气入口温度传感器14、水箱压力传感器28、水箱温度传感器、湿氢气温度传感器16、湿氢气湿度传感器17和湿氢气压力传感器18线路连接，以实现测量值的采集。控制器30还可以与水箱加热器9、喷嘴阀19、20、21、22、散热器10、散热阀23和旋涡泵4线路连接，以实现开关控制；控制器30还可以与氢气流量控制阀27线路连接，以实现流量调节。具体的开关控制和流量调节可以根据实际的测试模拟需要而定。控制器30可以是单个的控制芯片，也可以是多个控制芯片的组合，其中，多个控制芯片中不同的控制芯片可以实现不同的功能，所有功能的集合即为控制器30的功能。
本实施例的系统通过各类传感器、阀的配合，根据干氢气气源1流量的变化，实现自动控制喷液量，完整的模拟燃料电池电堆氢腔的加热增湿过程。
表1给出了本实施例的系统在一种实际应用中对17个工况点的模拟要求。
表1
Figure BDA0002921827910000091
Figure BDA0002921827910000101
按照表1所示的操作条件中各工况点的要求，通过开启水箱加热器9、旋涡泵4、散热器10、散热阀23，并通过控制器30调节水箱加热器9的加热功率、散热器10的转速，将水箱温度传感器反馈的水温控制在各工况点对应的水温值。
更进一步，通过控制器30调节氢气流量控制阀27的流量，并同时调节干氢气入口阀11和湿氢气出口阀15，将氢气流量计12、干氢气入口压力传感器13、湿氢气压力传感器18反馈的值控制在各工况点对应的流量和压力值。
再进一步，通过控制器30调节喷嘴阀19、20、21、22的开关，自动匹配各工况点要求开启的喷嘴数量，将流过水箱2中的干氢气进行加热与增湿后，排至混合湿氢气出口3，充分的模拟燃料电池电堆氢腔的加热增湿过程。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，包括：
干氢气气源、水箱和混合湿氢气出口，所述干氢气气源与所述水箱的第一入口相连，所述混合湿氢气出口与所述水箱的第一出口相连，所述水箱用于存储纯水和缓存干氢气；以及，
旋涡泵和至少一个喷嘴，所述旋涡泵的入口与所述水箱的第二出口相连，所述旋涡泵的出口与分别与每个所述喷嘴的入口相连，所述喷嘴的出口设于所述水箱内，所述旋涡泵用于将存储在所述水箱中的纯水抽出并增压至指定压力后排至所述喷嘴中，所述喷嘴用于将增压后的纯水进行雾化并向所述水箱内喷出，以使得雾化后的纯水与所述水箱内缓存的干氢气接触后形成混合湿氢气；以及，
水箱加热器和散热器，所述水箱加热器设于所述水箱内，所述散热器的入口与所述旋涡泵的出口相连，所述散热器的出口与所述水箱的第二入口相连，所述水箱加热器用于对所述水箱内的纯水进行加热，所述散热器用于对增压后的纯水进行冷却并回流至所述水箱中；以及，
至少一个喷嘴阀，所述喷嘴阀与所述喷嘴一一对应，所述喷嘴阀的入口与所述旋涡泵的出口相连，所述喷嘴阀的出口与对应的喷嘴的入口相连，所述喷嘴阀用于控制增压后的纯水是否流入所述喷嘴；以及，
控制器，所述控制器用于控制所述喷嘴阀的开关。
2.如权利要求1所述的燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，还包括：
干氢气入口阀，所述干氢气入口阀的入口与所述干氢气气源的出口相连，所述干氢气入口阀的出口与所述第一入口相连，所述干氢气入口阀用于将所述干氢气气源供给的干氢气背压后送入所述第一入口。
3.如权利要求2所述的燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，还包括：
氢气流量计，所述氢气流量计的入口与所述干氢气气源的出口相连，所述氢气流量计的出口与所述干氢气入口阀的入口相连，所述氢气流量计用于测量干氢气流量；
干氢气入口压力传感器和干氢气入口温度传感器，所述干氢气入口压力传感器和干氢气入口温度传感器设置于所述氢气流量计的出口与所述干氢气入口阀的入口之间。
4.如权利要求1所述的燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，还包括：
湿氢气出口阀，所述湿氢气出口阀的入口与所述第一出口相连，所述湿氢气出口阀的出口与所述混合湿氢气出口相连，所述湿氢气出口阀用于将所述水箱内的混合湿氢气背压后排至所述第一出口。
5.如权利要求4所述的燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，还包括：
湿氢气温度传感器、湿氢气湿度传感器和湿氢气压力传感器，所述湿氢气温度传感器、所述湿氢气湿度传感器和所述湿氢气压力传感器设置于所述湿氢气出口阀的出口与所述混合湿氢气出口之间。
6.如权利要求1所述的燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，还包括：
散热阀，所述散热阀的入口与所述旋涡泵的出口相连，所述散热阀的出口与所述散热器的入口相连，所述散热阀用于控制增压后的纯水是否流入所述散热器；
和/或，过滤器，所述过滤器的入口与所述旋涡泵的出口相连，所述过滤器的出口分别与所述散热器的入口和所述喷嘴的入口相连，所述过滤器用于过滤增压后的纯水中的杂质。
7.如权利要求1所述的燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，所述水箱加热器与所述散热器相配合以使得所述纯水的温度恒定在指定温度。
8.如权利要求1所述的燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，还包括：
水箱补水排水阀，所述水箱补水排水阀的一个端口与补水排水口相连，所述水箱补水排水阀的另一个端口与所述第二出口相连，所述水箱补水排水阀用于给所述水箱补充或排出纯水；
和/或，水箱泄压阀，所述水箱泄压阀的入口与所述水箱的第三出口相连，所述水箱泄压阀用于在所述水箱内部压力超过指定压力时将超过所述指定压力的气体排空；
和/或，氢气流量控制阀，所述氢气流量控制阀的入口与所述水箱的第四出口相连，所述氢气流量控制阀用于调节所述干氢气的流量至指定流量后排空。
9.如权利要求1所述的燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，还包括：
水箱压力传感器和水箱温度传感器，所述水箱压力传感器和所述水箱温度传感器设置于所述水箱内。
10.如权利要求2-9中任意一项所述的燃料电池电堆氢腔加热增湿模拟系统，其特征在于，所述控制器还用于采集氢气流量计、干氢气入口压力传感器、干氢气入口温度传感器、水箱压力传感器、水箱温度传感器、湿氢气温度传感器、湿氢气湿度传感器和/或湿氢气压力传感器的测量值；
以及，控制所述水箱加热器、所述散热器、散热阀和/或所述旋涡泵的开关；
以及，调节氢气流量控制阀的流量。
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