CN113285094A - 一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池测试领域，公开了一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统和方法，针对燃料电池动态测试中的气体供应流量与电堆实际气体接收流量之间的瞬态数据差异，即流量滞后问题，本发明能够提高的气体流量供应的准确性和响应速度，特别是针对于小流量测试，降低气体供应管理的过程部件的缓冲滞后问题，从而提高测试设计的灵活性和测试结果的真实性，并且可以减少饥饿发生，提高测试条件下电池的安全性，本发明对电池的动态运行和测试研究提供更深入的技术支持。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池测试领域，具体是一种针对氢质子交换膜燃料电池运行，特别是电池测试的供气，提高动态准确性的系统结构和运行方法。
背景技术
在质子交换膜燃料电池的运行，特别是电池测试中，进堆气体通常预先增湿，气体流量先经过干气体计量，然后进入增湿，再进入电池。其增湿一般是采用鼓泡、喷淋、蒸汽或膜交换等方式，并且多数是在连续的指定温度下进行，温度变化速度低于流量或压力变化速度。
参见图1，实际工作中发现，特别是小型测试，气体进电池前的过程死体积对气体流量具有更明显的缓冲滞后影响，在具体装置的气体流量控制的量程下限附近运行时，或变流量、或变压力运行时，气源端的计量可以很快达到要求，但是进入电池的气体变化缓慢，实际进气与前端流量计不同步，从而不能得到真实测试。在对电池快速升高电功率输出操作时，产生了准确性不足或响应速度慢的问题，甚至于可能造成电池上的气体饥饿，损伤电池。
这种问题预示着在启动、变流量、变压等工况操作时，控制流量与进入电池的实际流量不一致，原因在于可压缩气体在中间过程的整个容积中形成了缓冲，以及增湿条件变化带来的干气体流量的变化。另一方面，受到现有设计、制造技术以及成本限制，装置制造的部件形成的死体积往往达到进口流量的分钟级数量或更多，尤其是在小型测试或早期开发的研究测试中，问题明显。
在开发和研究相关催化剂、膜电极以及电池试制阶段，粗略的供气管理则不能得到很好的研究结果，其动态特性难以通过检测得到正确和可重复性的反映。对于产品成品评测和改进，仅仅供应足够的燃料或氧化剂也不是一种良好的方法，因为这将掩盖或回避原本可能检测出的产生燃料或氧化剂饥饿的条件，也可能使电池在一个燃料过量浪费的条件下运行，对于研究结果移植于成品的实际运行也将产生不利影响。
这里以阳极燃料气体氢气为例做出说明，同样地，阴极空气也有类似问题。
例如，25cm2单电池测试时，经常使用的单电池功率为2.5-50w或更低，即使低利用率运行以提供氢气供应流量，如50％消耗率时，其阳极气体流量也可能低至50mL/min或更低。在功率低限，并且带压或升压操作时，气体将被压缩，压缩后的实际体积流量更是可能低至20mL/min以下，然而过程部件的死体积相对较大，缓冲了压力变动，时间达到数十秒甚至数分钟才能对电池完成设定的压力调整和流量供应调整。这些死体积存在于管道、管件、阀门、检测器、增湿器等过程配件处，并且最大的死体积一般集中在增湿器中，这种小规格测试设备的增湿器件的死体积往往可能达到500mL以上。因此，实际缓冲时间远超期望时间，例如期望缓冲时间在秒或数秒级别，而实际缓冲时间为分钟以上的时间级别才能完成体积内的气体积存量的变化和达到系统指定压力。
特别是在电池启动时，运行功率一般由低到高，气压也是由低到高，测试设定为进堆的气体流量对比电流输出采用同步升高，实践表现是分钟或数分钟级别的时间后才能在电池入口达到需要的压力和流量。这样，限制了测试目的达成。在常规的启停测试中，难以达到对电堆输出功率的快速提高和供气同步提高的要求，并且还可能造成供气滞后损伤电池的后果，可以认为是测试系统的死体积造成了供气与电池进气之间的缓冲延迟，呈现一种刚性很差的特点。相对而言，停机或一般的降功率操作，造成的损害较小，但是控制不当也会造成高电压等类型的损害。
关于电池供气响应的管理，一些专利提出了这样的技术：
专利CN208208884U采用一个电池前的气缸形式体积调节器，实现对电池空腔压力的快速调节，适应于电池输出运行。但是增加的气缸不仅消耗动力、增加设备硬件的复杂性，而且气缸的温控会影响增湿管理，避免冷凝会增加保温体积，这些均不利于控制。
专利授权CN108598527B公开一种提高供气响应速度的方法，是在输出功率增大时提高过量系数来改善电池输出特性，提前保证足够的气量，其方法对电流输出与供氢没有建立直接的对应关系，不能用于检测变化的过程中电池瞬态状况的基础性能问题。
专利公开CN111525155A，使用储液箱循环，对鼓泡增湿器提供温度调节，提供增湿温度的稳定性和快速的增湿温度变化，但是并未考虑气体流量控制器与电堆进口流量之间的差异。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提出一种在变化的压力和流量下，保持到达电堆的气体供应与电流输出维持在特定对应条件下的方法，改进了气体到达电堆的实际供应量与电堆实际输出的响应之间的关系，本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统，由气源、补水水源、增湿器以及相关的控制部件与管路组成，气源依次与减压器、流量控制器、供气阀相连，补水水源与补水计量泵、补水阀相连，增湿器连接有排水阀、排气阀和加热器；系统设有电池背压阀，经过电池排气口排出气体。
增湿器底部设有排水管路，排水管路设有排水阀和排水口，增湿器侧面设有液位传感器，增湿器顶部设有压力传感器，增湿器内部设有温度传感器和加热器，增湿器顶部设有气体出口管，气体出口管分别连接有安全阀、排气阀、电池供气阀；排气阀连接有泄压阻尼，电池供气阀将增湿后的气体送入电池，通过电池入口压力表检测，并将数据传输到控制系统。
系统使用的增湿器为鼓泡增湿器、喷淋增湿器、膜式增湿器、蒸汽增湿器的一种或者两种以上。使用的鼓泡增湿器内部气体出口之前设有除沫器，鼓泡增湿器内部设有鼓泡加热器，除沫器(15)为不锈钢丝网，其底部高于液位计的上口。泄压阻尼的内径是出气管内径的1/4～1/2。
系统采用的喷淋增湿器内部设有喷淋内加热器，隔板将喷淋和除沫分成两个空间，喷淋泵输送水进行循环和喷淋，循环水流经喷淋外加热器，在喷头喷出细小水滴并蒸发到通过喷淋增湿器的气体中。
系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤S001：判断是否测定系统死体积参数；如果判断结果为“是”，则进行步骤S010，如果判断结果为“否”，则进行步骤S002；
(1)当测定系统死体积参数时，进行如下步骤：
步骤S010：不加热，关闭供气阀不供气，关闭排气阀，打开排水阀，从排水口放水，根据压力传感器测定值，控制流量控制器对增湿器补气，维持气体供应的匀速流量，保持压力在0.001～0.01MPag，当检测的气体压力突然下降时，关闭排水阀，关闭供气阀停止供气；
步骤S011：打开排气阀排空，达到常压后关闭排气阀；打开补水阀、开动补水计量泵对增湿器加入室温水，系统记录压力传感器、液位传感器、补水计量泵加水量的数据关系；如果在液位到达设置的最高液位之前，气压达到最高压力，则停止加水，记录加水量、液位、气压，返回本步骤S011开始，即打开排气阀排空，重复到最高水位停止；
步骤S012：在增湿器最低设定温度到最高设定温度范围内，任意设置两个以上温度点，在增湿器的最高设定水位到最低设定水位范围内，任意设置两个以上液位点；从低温到高温，从低水位到高水位，执行步骤S013测试，直至完成；
步骤S013：系统排空后关闭排气阀，流量控制器向增湿器输入气源气体并对流量积分，直至达到增湿器的压力使用上限，获得气体输入增量；返回步骤S012再进行下一个测试，直至完成；
步骤S014：根据温度值计算增湿后的气体包含的水汽压力，计算出气体增量和压力关系，即指定温度下系统气体存量和压力关系，根据这个关系形成各温度、压力下的气体存量关系曲线簇，各个实际运行点在之间插值计算获得；
(2)当无需测定系统死体积参数，系统已经具有上述数据时，系统根据运行的电堆入口流量要求，包括变化曲线方式的流量计划，根据步骤S013形成的数据，运行计算用来补偿死体积缓冲引起的存量变化，控制前端流量计控制的流量变化，以及排气阀需要的排气进行的气压控制，具体进行如下步骤：
步骤S002：输入运行数据以及过程设置，或手动实时管理；
步骤S003：电堆测试指令，根据上级步骤S002和后级步骤S006、步骤S008进行步骤S004的判断；
步骤S004：停止指令，如果执行停止指令，则进行步骤S005；如果不执行停止指令，则进行步骤S006；
步骤S005：系统运行停机指令；
步骤S006：判断系统压力流量变动是否达到指定数值；如果系统压力流量变动达到指定数值，则返回电池测试指令步骤S003；如果变动未达到指定数值，则进行步骤S007；
步骤S007：进入计算指定温度、压力和流量变化下的气体存量变化，数据根据步骤S014获得，在变化时间内同步调节实际供应流量达到存量变化值；
步骤S008：降低气体压力和降低流量时，判断指定存量变化是否为负值，如果不是负值，则属于处于供气控制范围内，返回电池测试指令步骤S003；如果出现负值，这时进行步骤S009；
步骤S009：打开排气阀放气，通过泄压阻尼、增湿器排气口快速排放增湿器，压力达到指定压力关闭排气阀，泄压阻尼用于降低内部气体排放速度，提高系统压力的可控性。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)减少气源供应控制的流量与进堆气体的实际流量差异，提高燃料电池测试的气体流量的准确性和响应速度；
(2)特别是针对于小流量测试的启动阶段，能够快速填充或减少系统内部存量气体，即快速增压或降压，减小流程中的死体积影响，解决缓冲滞后问题；
(3)减少升功率时的供气不足引起的气体饥饿，提高安全性；
(4)大幅度减少了偏差，提高测试设计的灵活性和测试结果的真实性，对测试研究和电池的动态运行提供更深入的技术支持；
(5)本发明通过补偿技术，将流量的响应速度从之前的分钟级别降低到质量流量计的反应速度级别，即秒级到十秒级。
对于更大规格的测试，流量控制器到电池之前的过程设备的死体积增大，流量响应也增大，所以本技术并不限定仅用于小型电池测试，同样可以用于更大规格燃料电池电池的测试。
附图说明
图1为时间进度上的电堆气体压力升高与供应流量的关系示意图；
图2为采用鼓泡增湿方式的系统构成示意图；
图3为采用喷淋增湿方式的系统构成示意图；
图4为系统运行示意框图；
其中，1.气源，2.减压器，3.流量控制器，4.供气阀，5.补水水源，6.补水计量泵，7.补水阀，8.鼓泡增湿器，9.气体入口，10.排水阀，11.排水口，12.增湿器底出水口，13.鼓泡加热器，14.液位传感器，15.除沫器，16.温度传感器，17.压力传感器，18.气体出口管，19.安全阀，20.排气阀，21.电池供气阀，22.泄压阻尼，23.电池入口压力表，24.电池，25.电池背压阀，26.增湿器排气口，27.电池排气口，28.喷淋增湿器，29.喷淋泵，30.喷淋外加热器，31.喷淋内加热器，32.喷头，33.隔板。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
为更好地理解本发明，下面对阳极分别采用鼓泡增湿器和喷淋增湿器两种增湿方式为例，结合附图阐述发明内容。阴极增湿方式与此相同处理，不做详述。
实际运行系统中还包括吹扫系统、冷却系统、水源预热、软件和控制系统结构等，这些系统结构以及相关控制为常规技术，这里不做叙述。
实施例1
一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统，由气源1、补水水源5、鼓泡增湿器8以及相关的控制部件与管路组成；气源1经过减压器2减压、流量控制器3控制流量、供气阀4，送入鼓泡增湿器8增湿；补水水源5经补水计量泵6控制，在需要时对鼓泡增湿器8补水，补水计量泵6压力大于鼓泡增湿器8的最高压力，打开补水阀7，补水进入鼓泡增湿器8；鼓泡增湿器8连接有气体入口9、供气阀4、排水阀10、安全阀19、排气阀20、电池供气阀21，内部有鼓泡加热器13；系统设有电池背压阀25，用于电池的出口气体压力控制，经过电池排气口27排出气体；增湿器中的气体由增湿器排气口26排出。
鼓泡增湿器8底部设有排水阀10和增湿器底出水口12，排水管路设有排水口11；鼓泡增湿器8侧面设有液位传感器14，用于检测和传送增湿器液位；鼓泡增湿器8内部气体出口之前具有除沫器15，优选为不锈钢丝网，其底部高于液位计的上口；鼓泡增湿器8顶部设有压力传感器17，用于检测和输送压力信号；鼓泡增湿器8内部设有鼓泡加热器13、温度传感器16，系统根据液位传感器14检测的水位，控制水位高于温度传感器16和鼓泡加热器13、低于除沫器15，低水位时打开补水阀7和补水计量泵6补水。
鼓泡增湿器8顶部设有气体出口管18，气体出口管18的内径优选为2～4mm，气体出口管18分别连接有安全阀19、排气阀20、电池供气阀21；安全阀19根据电池的最大运行压力值1.1～1.2倍设置，控制鼓泡增湿器8内气体最大值不超过该值，超出时，经过增湿器排气口26排出气体，保护鼓泡增湿器8的压力不超过设定安全值；排气阀20根据系统的管理控制，用于将鼓泡增湿器8内气体不经电池消耗而直接排放，排气阀20连接有泄压阻尼22，用于控制气体排放流速，泄压阻尼的内径是出气管内径的1/4～1/2，即直径为0.5～2.0mm；电池供气阀21将增湿后的气体送入电池，通过电池入口压力表23检测，并将数据传输到控制系统。
实施例2
与实施例1不同的是采用喷淋增湿方式。
喷淋增湿器28内部设有喷淋内加热器31，对气体和喷淋的水加热，使气体获得水蒸气增湿，气体增湿达到增湿温度，加热器也可设置为外部循环的加热器。隔板33将喷淋和除沫分成两个空间，这两个空间按气流方向为前和后或者下和上，气流先经过喷淋空间、再经过除沫空间，隔板33高于水面，气体在隔板33与水面之间从喷淋空间到达除沫空间。喷淋泵29输送水进行循环和喷淋，循环水流经喷淋外加热器30，在喷头32喷出细小水滴并蒸发到通过喷淋增湿器28的气体中，气体获得水分，根据液位传感器14获得喷淋增湿器28的水位，喷淋增湿器28消耗的水通过补水阀7，使用补水计量泵6补充，维持液位达到指定位置。
实施例3
系统对电池进行测试，包括冷启动和热启动。参见图4，对于上述系统，本发明改善燃料电池气体流量控制滞后方法，如下所述：
步骤S001：判断是否测定系统死体积参数；如果判断结果为“是”，则进行步骤S010，如果判断结果为“否”，则进行步骤S002；
(1)当测定系统死体积参数时，进行如下步骤：
步骤S010：不加热，关闭供气阀4不供气，关闭排气阀20，打开排水阀10，从排水口11放水，根据压力传感器17测定值，控制流量控制器3对增湿器补气，维持气体供应的匀速流量，保持压力在0.001～0.01MPag，当检测的气体压力突然下降时，关闭排水阀10，关闭供气阀4停止供气；
步骤S011：打开排气阀20排空，达到常压后关闭排气阀20；打开补水阀7、开动补水计量泵6对增湿器加入室温水，系统记录压力传感器17、液位传感器14、补水计量泵6加水量的数据关系；如果在液位到达设置的最高液位之前，气压达到最高压力，则停止加水，记录加水量、液位、气压，返回本步骤S011开始，即打开排气阀20排空，重复到最高水位停止；
步骤S012：在增湿器最低设定温度到最高设定温度范围内，任意设置两个以上温度点，在增湿器的最高设定水位到最低设定水位范围内，任意设置两个以上液位点；从低温到高温，从低水位到高水位，执行步骤S013测试，直至完成；
步骤S013：系统排空后关闭排气阀20，流量控制器3向增湿器输入气源气体并对流量积分，直至达到增湿器的压力使用上限，获得气体输入增量；返回步骤S012再进行下一个测试，直至完成；
步骤S014：根据温度值计算增湿后的气体包含的水汽压力，计算出气体增量和压力关系，即指定温度下系统气体存量和压力关系，根据这个关系形成各温度、压力下的气体存量关系曲线簇，各个实际运行点在之间插值计算获得；
(2)当无需测定系统死体积参数，系统已经具有上述数据时，系统根据运行的电堆入口流量要求，包括变化曲线方式的流量计划，根据步骤S013形成的数据，运行计算用来补偿死体积缓冲引起的存量变化，控制前端流量计控制的流量变化，以及排气阀20需要的排气进行的气压控制，具体进行如下步骤：
步骤S002：输入运行数据以及过程设置，或手动实时管理；
步骤S003：电堆测试指令，根据上级步骤S002和后级步骤S006、步骤S008进行步骤S004的判断；
步骤S004：停止指令，如果执行停止指令，则进行步骤S005；如果不执行停止指令，则进行步骤S006；
步骤S005：系统运行停机指令；
步骤S006：判断系统压力流量变动是否达到指定数值；如果系统压力流量变动达到指定数值，则返回电池测试指令步骤S003；如果变动未达到指定数值，则进行步骤S007；
步骤S007：进入计算指定温度、压力和流量变化下的气体存量变化，数据根据步骤S014获得，在变化时间内同步调节实际供应流量达到存量变化值；
步骤S008：降低气体压力和降低流量时，判断指定存量变化是否为负值，如果不是负值，则属于处于供气控制范围内，返回电池测试指令步骤S003；如果出现负值，这时进行步骤S009；
步骤S009：打开排气阀20放气，通过泄压阻尼22、增湿器排气口26快速排放增湿器，压力达到指定压力关闭排气阀20，泄压阻尼22用于降低内部气体排放速度，提高系统压力的可控性。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
不论小流量测试系统还是大规格的测试系统，由于流量控制器到电池之前的过程设备的死体积与流量总体上大体成比例增大，所以本发明使用小流量做技术说明，但是并不限定本项技术仅用于小功率电池测试，同样可以用于大功率电池的测试。
Claims (7)
1.一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统，其特征是，由气源(1)、补水水源(5)、增湿器以及相关的控制部件与管路组成，气源(1)依次与减压器(2)、流量控制器(3)、供气阀(4)相连，补水水源(5)与补水计量泵(6)、补水阀(7)相连，增湿器连接有排水阀(10)、排气阀(20)和加热器；系统设有电池背压阀(25)，经过电池排气口(27)排出气体。
增湿器底部设有排水管路，排水管路设有排水阀(10)和排水口(11)，增湿器侧面设有液位传感器(14)，增湿器顶部设有压力传感器(17)，增湿器内部设有温度传感器(16)和加热器，增湿器顶部设有气体出口管(18)，气体出口管(18)分别连接有安全阀(19)、排气阀(20)、电池供气阀(21)；排气阀(20)连接有泄压阻尼(22)，电池供气阀(21)将增湿后的气体送入电池(24)，通过电池入口压力表(23)检测，并将数据传输到控制系统。
2.如权利要求1所述的一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统，其特征是，所述的增湿器为鼓泡增湿器(8)、喷淋增湿器(28)、膜式增湿器、蒸汽增湿器的一种或者两种以上。
3.如权利要求1所述的一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统，其特征是，所述的鼓泡增湿器(8)内部气体出口之前设有除沫器(15)，鼓泡增湿器(8)内部设有鼓泡加热器(13)。
4.如权利要求1所述的一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统，其特征是，所述的除沫器(15)为不锈钢丝网，其底部高于液位计的上口。
5.如权利要求1所述的一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统，其特征是，所述的泄压阻尼(22)的内径是出气管内径的1/4～1/2。
6.如权利要求1所述的一种改善燃料电池气体流量控制滞后的系统，其特征是，喷淋增湿器(28)内部设有喷淋内加热器(31)，隔板(33)将喷淋和除沫分成两个空间，喷淋泵(29)输送水进行循环和喷淋，循环水流经喷淋外加热器(30)，在喷头(32)喷出细小水滴并蒸发到通过喷淋增湿器(28)的气体中。
7.一种改善燃料电池气体流量控制滞后的方法，包括如下步骤：
步骤S001：判断是否测定系统死体积参数；如果判断结果为“是”，则进行步骤S010，如果判断结果为“否”，则进行步骤S002；
(1)当测定系统死体积参数时，进行如下步骤：
步骤S010：不加热，关闭供气阀(4)不供气，关闭排气阀(20)，打开排水阀(10)，从排水口(11)放水，根据压力传感器(17)测定值，控制流量控制器(3)对增湿器补气，维持气体供应的匀速流量，保持压力在0.001～0.01MPag，当检测的气体压力突然下降时，关闭排水阀(10)，关闭供气阀(4)停止供气；
步骤S011：打开排气阀(20)排空，达到常压后关闭排气阀(20)；打开补水阀(7)、开动补水计量泵(6)对增湿器加入室温水，系统记录压力传感器(17)、液位传感器(14)、补水计量泵(6)加水量的数据关系；如果在液位到达设置的最高液位之前，气压达到最高压力，则停止加水，记录加水量、液位、气压，返回本步骤S011开始，即打开排气阀(20)排空，重复到最高水位停止；
步骤S012：在增湿器最低设定温度到最高设定温度范围内，任意设置两个以上温度点，在增湿器的最高设定水位到最低设定水位范围内，任意设置两个以上液位点；从低温到高温，从低水位到高水位，执行步骤S013测试，直至完成；
步骤S013：系统排空后关闭排气阀(20)，流量控制器(3)向增湿器输入气源气体并对流量积分，直至达到增湿器的压力使用上限，获得气体输入增量；返回步骤S012再进行下一个测试，直至完成；
步骤S014：根据温度值计算增湿后的气体包含的水汽压力，计算出气体增量和压力关系，即指定温度下系统气体存量和压力关系，根据这个关系形成各温度、压力下的气体存量关系曲线簇，各个实际运行点在之间插值计算获得；
(2)当无需测定系统死体积参数，系统已经具有上述数据时，系统根据运行的电堆入口流量要求，包括变化曲线方式的流量计划，根据步骤S013形成的数据，运行计算用来补偿死体积缓冲引起的存量变化，控制前端流量计控制的流量变化，以及排气阀(20)需要的排气进行的气压控制，具体进行如下步骤：
步骤S002：输入运行数据以及过程设置，或手动实时管理；
步骤S003：电堆测试指令，根据上级步骤S002和后级步骤S006、步骤S008进行步骤S004的判断；
步骤S004：停止指令，如果执行停止指令，则进行步骤S005；如果不执行停止指令，则进行步骤S006；
步骤S005：系统运行停机指令；
步骤S006：判断系统压力流量变动是否达到指定数值；如果系统压力流量变动达到指定数值，则返回电池测试指令步骤S003；如果变动未达到指定数值，则进行步骤S007；
步骤S007：进入计算指定温度、压力和流量变化下的气体存量变化，数据根据步骤S014获得，在变化时间内同步调节实际供应流量达到存量变化值；
步骤S008：降低气体压力和降低流量时，判断指定存量变化是否为负值，如果不是负值，则属于处于供气控制范围内，返回电池测试指令步骤S003；如果出现负值，这时进行步骤S009；
步骤S009：打开排气阀(20)放气，通过泄压阻尼(22)、增湿器排气口(26)快速排放增湿器，压力达到指定压力关闭排气阀(20)，泄压阻尼(22)用于降低内部气体排放速度，提高系统压力的可控性。
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