CN113067018A - 一种燃料电池氢气循环测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种燃料电池氢气循环测试系统，包括储氢设备、循环单元、模拟电推单元和电控单元；储氢设备与循环单元的进气管路入口相连；循环单元的进气管路的末端与模拟电推单元入口连通；模拟电推单元出口与循环单元的出气管道入口相连；循环单元的出气管道出口连接至循环单元的进气管上；电控单元分别与循环单元和模拟电推单元电气连接；获取循环单元和模拟电推单元中分别监控的数据，并根据监控的数据对循环单元以及模拟电堆单元进行控制。本发明模拟燃料电池发动机氢气循环系统的实际工作过程，测试氢循环系统及各零部件在不同工况的运行状态、功能特性及协调运行情况，优化氢循环系统的控制策略，提高燃料电池发动机运行的可靠性。

Description

一种燃料电池氢气循环测试系统
技术领域
本发明属于燃料电池发动机领域，特别涉及一种燃料电池氢气循环测试系统。
背景技术
燃料电池发动机利用氢气和氧气发生电化学反应输出电能为燃料电池汽车提供动力，与传统的发动机相比具有能量转换效率高、无污染等优点。燃料电池发动机主要由燃料电池电堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统和控制系统组成，燃料电池发动机运行的可靠性依赖于各子系统及各子系统内部的零部件协调工作。
为了保证燃料电池电堆中的电化学反应连续进行，氢气供给系统应能连续向电堆提供适当压力、流量和温湿度的高纯度氢气，并且为提高氢气利用率，改善阳极增湿状况，氢气应能够进行循环利用。氢气循环泵由于其转速可调，即氢气回流量可调、循环效果好等特点被广泛采用。目前的技术，氢气循环泵及氢循环系统其它零部件间的性能参数、运行控制策略只能够在实际燃料电池发动机上进行测试和验证。但是实际燃料电池发动机成本高、并且直接在发动机上实验存在一定风险，如操作不当会永久性的损坏燃料电池电堆，限制了氢循环泵等氢系统零部件的测试和标定。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种燃料电池氢气循环测试系统，拟燃料电池发动机氢气循环系统的实际工作过程，测试氢循环系统及各零部件在不同工况下的运行状态、功能特性及协调运行情况。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池氢气循环测试系统，其特征在于，包括储氢设备1、循环单元、模拟电推单元8和电控单元17；
所述储氢设备1与循环单元的进气管路入口相连；所述循环单元的进气管路的末端与模拟电推单元8入口连通；所述模拟电推单元8出口与循环单元的出气管道入口相连；所述循环单元的出气管道出口连接至循环单元的进气管上；所述电控单元17分别与循环单元和模拟电推单元8电气连接；
所述循环单元用于模拟燃料电池在不同工况下氢气循环过程及温度、湿度、压力和流量状态监测；所述模拟电推单元8用于模拟真实燃料电池电堆内部氢气温度、相对湿度、氢气消耗量以及氢气流道阻力；所述电控单元17用于获取循环单元和模拟电推单元8中分别监控的数据，并根据监控的数据对所述循环单元以及模拟电堆单元8进行控制。
进一步的，所述循环单元的进气管路包括沿着氢气流动的方向依次安装有氢气换热装置2、氢气温度传感器3、第一质量流量计4、比例阀5、进堆温湿度传感器6和进堆压力传感器7；
所述氢气换热装置2用于对进入循环单元的氢气进行加热或者冷却；所述氢气温度传感器3用于监测氢气的温度；所述第一质量流量计4用于监测当前氢气的流量；所述比例阀5用于根据不同功率调节进入模拟电堆单元8的入口氢气压力；所述进堆温湿度传感器6用于监测入堆氢气的温湿度；所述进堆压力传感器7用于监测入堆氢气的压力。
进一步的，所述模拟电推单元8包括气体加热加湿装置8-1、阻力调节阀8-2和质量流量控制阀8-3；所述气体加热加湿装置8-1的入口与模拟电推单元8入口连通，气体加热加湿装置8-1的出口与阻力调节阀8-2的入口连接；所述阻力调节阀8-2出口的一端与模拟电推单元8出口连通，另外一端连接质量流量控制阀8-3的入口；所述质量流量控制阀8-3的出口与模拟电堆系统8排气口连通；
所述气体加热加湿装置8-1对进入模拟电堆单元8的氢气进行加热和加湿，模拟电堆在不同功率下内部氢气的温度和相对湿度；所述阻力调节阀8-2用来模拟电堆内部氢气流道阻力特性；所述质量流量控制阀8-3通过控制气体排放的流量，模拟电堆在不同功率下氢气消耗。
进一步的，所述循环单元的进气管路的末端与模拟电推单元8入口连通；所述模拟电推单元8出口与循环单元的出气管道入口相连包括：所述进堆压力传感器7连接模拟电推单元8入口；所述模拟电推单元8出口连接分水器9；所述分水器9还设置出气口、排气阀10和排水阀11。
所述分水器9分离出气体中的液态水；排水阀11定时打开排出分水器9中的液态水；排气阀10定时打开排气，模拟真实燃料电池系统中阳极排气和吹扫过程。
进一步的，所述循环单元的出气管道包括依次出堆温湿度传感器12、出堆压力传感器13、氢循环泵14、泵后压力传感器15和第二质量流量计16；其中第二质量流量计16的出口连接在比例阀5的后面；
所述出堆温湿度传感器12用于监测出堆氢气的温湿度；所述出堆压力传感器13用于监测出堆氢气的压力；所述氢循环泵14用来循环管路中的氢气；所述泵后压力传感器15用于监测循环泵后端氢气压力；所述第二质量流量计16用于监测氢气循环流量。
进一步的，所述电控单元17分别与循环单元和模拟电推单元8电气连接包括：
所述电控单元17的输入端分别与第一质量流量计4、进堆温湿度传感器6、进堆压力传感器7、出堆温湿度传感器12、出堆压力传感器13和第二质量流量计16连接；
所述电控单元17的输出端分别与比例阀5、排气阀10、排水阀11、氢循环泵14、电堆模拟系统8中的气体加热加湿装置8-1、阻力调节阀8-2和质量流量控制阀8-3相连。
进一步的，所述氢气换热装置2包括加热模块和制冷模块；所述加热模块用于对系统入口氢气进行加热；所述冷却模块用于对系统入口氢气进行冷却。
进一步的，所述电控单元17的控制过程为：所述电控单元17控制氢循环泵14在一定转速下运行，采用第二质量流量计16监测循环氢气流量，采用第一质量流量计4监测氢气进气流量，采用进堆温湿度传感器6监测进堆氢气温湿度，通过监测的流量数值，计算氢气回流比；通过控制氢循环泵转速，调节进堆氢气的温湿度。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明提出了一种燃料电池氢气循环测试系统，包括储氢设备、循环单元、模拟电推单元和电控单元；储氢设备与循环单元的进气管路入口相连；循环单元的进气管路的末端与模拟电推单元入口连通；模拟电推单元出口与循环单元的出气管道入口相连；循环单元的出气管道出口连接至循环单元的进气管上；电控单元分别与循环单元和模拟电推单元电气连接；循环单元用于模拟燃料电池在不同工况下氢气循环过程及温度、湿度、压力和流量状态监测；模拟电推单元8用于模拟真实燃料电池电堆内部氢气温度、相对湿度、氢气消耗量以及氢气流道阻力；电控单元用于获取循环单元和模拟电推单元中分别监控的数据，并根据监控的数据对循环单元以及模拟电堆单元进行控制。本发明中电控单元通过监测的流量数值，计算氢气回流比；通过控制氢循环泵转速，调节进堆氢气的温湿度。本发明通过模拟燃料电池发动机氢气循环系统的实际工作过程，测试氢循环系统及各零部件在不同工况下的运行状态、功能特性及协调运行情况，优化氢循环系统的控制策略，提高燃料电池发动机运行的可靠性、效率及寿命。
附图说明
如图1为本发明实施例1一种燃料电池氢气循环测试系统结构示意图；
图中：1.储氢设备、2.氢气换热装置、3.氢气温度传感器、4.第一质量流量计、5.比例阀、6.进堆温湿度传感器、7.进堆压力传感器、8.模拟电堆单元、8-1.气体加热加湿装置、8-2.阻力调节阀、8-3.质量流量控制阀、9.分水器、10.排气阀、11.排水阀、12.出堆温湿度传感器、13.出堆压力传感器、14.氢循环泵、15.泵后压力传感器、16.第二质量流量计、17.电控单元。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例1
本发明实施例1提出了一种燃料电池氢气循环测试系统，用于模拟燃料电池发动机氢气循环系统的实际工作过程，测试氢循环系统及各零部件在不同工况下的运行状态、功能特性及协调运行情况。
如图1给出了本发明实施例1一种燃料电池氢气循环测试系统结构示意图。该系统包括储氢设备1、循环单元、模拟电推单元8和电控单元17；
储氢设备1用于提供循环测试的氢气，储氢设备包括高压储氢瓶和一级减压装置储氢设备1与循环单元的进气管路入口相连；循环单元的进气管路的末端与模拟电推单元8入口连通；模拟电推单元(8)出口与循环单元的出气管道入口相连；循环单元的出气管道出口连接至循环单元的进气管上。电控单元17分别与循环单元和模拟电推单元8电气连接。
循环单元用于模拟燃料电池在不同工况下氢气循环过程及温度、湿度、压力和流量状态监测；模拟电推单元8用于模拟真实燃料电池电堆内部氢气温度、相对湿度、氢气消耗量以及氢气流道阻力；电控单元17用于获取循环单元和模拟电推单元8中分别监控的数据，并根据监控的数据对循环单元以及模拟电堆单元8进行控制。
本发明中循环单元的进气管路包括沿着氢气流动的方向依次安装有氢气换热装置2、氢气温度传感器3、第一质量流量计4、比例阀5、进堆温湿度传感器6和进堆压力传感器7。
氢气换热装置2用于对进入循环单元的氢气进行加热或者冷却；氢气温度传感器3用于监测氢气的温度；第一质量流量计4用于监测当前氢气的流量；比例阀5用于根据不同功率调节进入模拟电堆单元8的入口氢气压力；进堆温湿度传感器6用于监测入堆氢气的温湿度；进堆压力传感器7用于监测入堆氢气的压力。
模拟电推单元8包括气体加热加湿装置8-1、阻力调节阀8-2和质量流量控制阀8-3；所述气体加热加湿装置8-1的入口与模拟电推单元8入口连通，气体加热加湿装置8-1的出口与阻力调节阀8-2的入口连接；阻力调节阀8-2出口的一端与模拟电推单元8出口连通，另外一端连接质量流量控制阀8-3的入口；质量流量控制阀8-3的出口与模拟电堆系统8排气口连通。
气体加热加湿装置8-1对进入模拟电堆单元8的氢气进行加热和加湿，模拟电堆在不同功率下内部氢气的温度和相对湿度；阻力调节阀8-2用来模拟电堆内部氢气流道阻力特性；质量流量控制阀8-3通过控制气体排放的流量，模拟电堆在不同功率下氢气消耗。
循环单元的进气管路的末端与模拟电推单元8入口连通；所述模拟电推单元8出口与循环单元的出气管道入口相连包括：所述进堆压力传感器7连接模拟电推单元8入口；所述模拟电推单元8出口连接分水器9；所述分水器9还设置出气口、排气阀10和排水阀11。
分水器9分离出气体中的液态水；排水阀11定时打开排出分水器9中的液态水；排气阀10定时打开排气，模拟真实燃料电池系统中阳极排气和吹扫过程。
循环单元的出气管道包括依次出堆温湿度传感器12、出堆压力传感器13、氢循环泵14、泵后压力传感器15和第二质量流量计16；其中第二质量流量计16的出口连接在比例阀5的后面。
出堆温湿度传感器12用于监测出堆氢气的温湿度；出堆压力传感器13用于监测出堆氢气的压力；氢循环泵14用来循环管路中的氢气；泵后压力传感器15用于监测循环泵后端氢气压力；第二质量流量计16用于监测氢气循环流量。
电控单元17分别与循环单元和模拟电推单元8电气连接包括：电控单元17的输入端分别与第一质量流量计4、进堆温湿度传感器6、进堆压力传感器7、出堆温湿度传感器12、出堆压力传感器13和第二质量流量计16连接；电控单元17的输出端分别与比例阀5、排气阀10、排水阀11、氢循环泵14、电堆模拟系统8中的气体加热加湿装置8-1、阻力调节阀8-2和质量流量控制阀8-3相连。
氢气换热装置2包括加热模块和制冷模块；加热模块用于对系统入口氢气进行加热；冷却模块用于对系统入口氢气进行冷却。
本发明中一种燃料电池氢气循环测试系统在运行时，储氢设备1提供一定压力和流量的氢气，氢气换热装置2对氢气进行加热或冷却，氢气温度传感器3监测氢气温度，第一质量流量计4监测当前氢气的流量；比例阀5根据不同工况，即功率下调节进入模拟电堆单元6的入口氢气压力；进堆温湿度传感器6和进堆压力传感器7分别监测入堆氢气的温湿度和压力；气体加热加湿装置8-1对进入模拟电堆系统的氢气进行加热和加湿，模拟电堆在不同工况(功率)下内部氢气的温度和相对湿度；阻力调节阀8-2用来模拟电堆内部氢气流道阻力特性；质量流量控制阀8-3通过控制气体排放的流量，模拟电堆在不同工况(功率)下氢气消耗；分水器9分离出气体中的液态水；排水阀11定时打开排出分水器9中的液态水；排气阀10定时打开排气，模拟真实燃料电池系统中阳极排气和吹扫过程；出堆温湿度传感器12和出堆压力传感器13分别监测出堆氢气的温湿度和压力；氢循环泵14用来循环管路中的氢气；泵后压力传感器15监测循环泵后端氢气压力；第二质量流量计16监测氢气循环流量。
运行时，电控单元17根据设定工况控制进入电堆模拟单元8的氢气压力，并根据实际工况调节电堆模拟单元8内加热加湿、流阻以及氢气消耗量。电控单元17控制氢循环泵14在一定转速下运行，采循用第二质量流量计16监测环氢气流量，采用出堆压力传感器13和泵后压力传感器15监测氢循环泵前后压力，通过所监测的流量和压力数值，能够获得氢循环泵工作特性。
具体地，本系统运行时，电控单元17控制氢循环泵14在一定转速下运行，采用第二质量流量计16监测循环氢气流量，采用第一质量流量计4监测氢气进气流量，采用进堆温湿度传感器6监测进堆氢气温湿度，通过所监测的流量数值，能够计算氢气回流比，通过控制氢循环泵转速，能够调节进堆氢气的温湿度。
氢气换热装置2对系统入口氢气进行加热或冷却，电控单元入口氢气保持在一定温度，可以模拟不同环境温度下氢气的供气情况。
本发明通过模拟燃料电池发动机氢气循环系统的实际工作过程，测试氢循环系统及各零部件在不同工况下的运行状态、功能特性及协调运行情况，优化氢循环系统的控制策略，提高燃料电池发动机运行的可靠性、效率及寿命。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种燃料电池氢气循环测试系统，其特征在于，包括储氢设备(1)、循环单元、模拟电推单元(8)和电控单元(17)；
所述储氢设备(1)与循环单元的进气管路入口相连；所述循环单元的进气管路的末端与模拟电推单元(8)入口连通；所述模拟电推单元(8)出口与循环单元的出气管道入口相连；所述循环单元的出气管道出口连接至循环单元的进气管上；所述电控单元(17)分别与循环单元和模拟电推单元(8)电气连接；
所述循环单元用于模拟燃料电池在不同工况下氢气循环过程及温度、湿度、压力和流量状态监测；所述模拟电推单元(8)用于模拟真实燃料电池电堆内部氢气温度、相对湿度、氢气消耗量以及氢气流道阻力；所述电控单元(17)用于获取循环单元和模拟电推单元(8)中分别监控的数据，并根据监控的数据对所述循环单元以及模拟电堆单元(8)进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环测试系统，其特征在于，所述循环单元的进气管路包括沿着氢气流动的方向依次安装有氢气换热装置(2)、氢气温度传感器(3)、第一质量流量计(4)、比例阀(5)、进堆温湿度传感器(6)和进堆压力传感器(7)；
所述氢气换热装置(2)用于对进入循环单元的氢气进行加热或者冷却；所述氢气温度传感器(3)用于监测氢气的温度；所述第一质量流量计(4)用于监测当前氢气的流量；所述比例阀(5)用于根据不同功率调节进入模拟电堆单元(8)的入口氢气压力；所述进堆温湿度传感器(6)用于监测入堆氢气的温湿度；所述进堆压力传感器(7)用于监测入堆氢气的压力。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环测试系统，其特征在于，所述模拟电推单元(8)包括气体加热加湿装置(8-1)、阻力调节阀(8-2)和质量流量控制阀(8-3)；所述气体加热加湿装置(8-1)的入口与模拟电推单元(8)入口连通，气体加热加湿装置(8-1)的出口与阻力调节阀(8-2)的入口连接；所述阻力调节阀(8-2)出口的一端与模拟电推单元(8)出口连通，另外一端连接质量流量控制阀(8-3)的入口；所述质量流量控制阀(8-3)的出口与模拟电堆系统(8)排气口连通；
所述气体加热加湿装置(8-1)对进入模拟电堆单元(8)的氢气进行加热和加湿，模拟电堆在不同功率下内部氢气的温度和相对湿度；所述阻力调节阀(8-2)用来模拟电堆内部氢气流道阻力特性；所述质量流量控制阀(8-3)通过控制气体排放的流量，模拟电堆在不同功率下氢气消耗。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池氢气循环测试系统，其特征在于，所述循环单元的进气管路的末端与模拟电推单元(8)入口连通；所述模拟电推单元(8)出口与循环单元的出气管道入口相连包括：所述进堆压力传感器(7)连接模拟电推单元(8)入口；所述模拟电推单元(8)出口连接分水器(9)；所述分水器(9)还设置出气口、排气阀(10)和排水阀(11)；
所述分水器(9)分离出气体中的液态水；排水阀(11)定时打开排出分水器(9)中的液态水；排气阀(10)定时打开排气，模拟真实燃料电池系统中阳极排气和吹扫过程。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环测试系统，其特征在于，所述循环单元的出气管道包括依次出堆温湿度传感器(12)、出堆压力传感器(13)、氢循环泵(14)、泵后压力传感器(15)和第二质量流量计(16)；其中第二质量流量计(16)的出口连接在比例阀(5)的后面；
所述出堆温湿度传感器(12)用于监测出堆氢气的温湿度；所述出堆压力传感器(13)用于监测出堆氢气的压力；所述氢循环泵(14)用来循环管路中的氢气；所述泵后压力传感器(15)用于监测循环泵后端氢气压力；所述第二质量流量计(16)用于监测氢气循环流量。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环测试系统，其特征在于，所述电控单元(17)分别与循环单元和模拟电推单元(8)电气连接包括：
所述电控单元(17)的输入端分别与第一质量流量计(4)、进堆温湿度传感器(6)、进堆压力传感器(7)、出堆温湿度传感器(12)、出堆压力传感器(13)和第二质量流量计(16)连接；
所述电控单元(17)的输出端分别与比例阀(5)、排气阀(10)、排水阀(11)、氢循环泵(14)、电堆模拟系统(8)中的气体加热加湿装置(8-1)、阻力调节阀(8-2)和质量流量控制阀(8-3)相连。
7.根据权利要求2所述的一种燃料电池氢气循环测试系统，其特征在于，所述氢气换热装置(2)包括加热模块和制冷模块；所述加热模块用于对系统入口氢气进行加热；所述冷却模块用于对系统入口氢气进行冷却。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种燃料电池氢气循环测试系统，其特征在于，所述电控单元(17)的控制过程为：所述电控单元(17)控制氢循环泵(14)在一定转速下运行，采用第二质量流量计(16)监测循环氢气流量，采用第一质量流量计(4)监测氢气进气流量，采用进堆温湿度传感器(6)监测进堆氢气温湿度，通过监测的流量数值，计算氢气回流比；通过控制氢循环泵转速，调节进堆氢气的温湿度。
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