CN113488682A - 燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法，涉及氢质子交换膜燃料电池测试领域，使用模拟测试系统，对具有尾气回流装置的电堆运行系统的电堆产生尾气进行流量和组分分析，并根据回流比例计算入堆气体流量和组成，将该入堆气体流量和组成用于气源处气体流量和组分的再次调整，模拟实际回流条件下的入堆气体流量和组成，运行电堆并进行检测，按照时间记录相关组分和总量与电堆性能的数据关系，真实尾气不返回电堆入口；通过模拟测试，获得稳定的、接近回流方式的实验条件，可避免出口气体直接回流与进口气体混合造成复杂工作状况的耦合波动等对实验数据的不利影响，从而稳定地获得电堆在尾气回流条件下的性能检测。
Description
技术领域
本发明涉及氢质子交换膜燃料电池测试领域，具体涉及一种对阴极和阳极工作气体经过电堆反应后燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法。
背景技术
燃料电池(PEMFC与SOFC等)的性能测试有很多内容，其中包括作为燃料和氧化剂的两种工作气体运行分析，分析其气源组分和含量、电堆运行条件下的组分变化，以及如果有尾气返回电堆，其对电堆性能的影响。
以氢质子交换膜燃料电池的阳极燃料气氢气为例，燃料一般以高含量氢气或高纯度氢气为主，在实际运行的条件下，阳极尾气直接排出电堆或循环回流再次进入电堆。其回流方式下，杂质气体如氮气、二氧化碳等对电堆的影响需要进行评估，包括氢气实际利用率和杂质气体累计程度，包括气源自身含有、电极渗透、电堆各种反应新产生或在原基础上含量比例变化的氢气与非氢气组分，以及电堆在变化的条件下的运行效率和外围寄生功率评价。
一般而言，如常用的氢质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等，电堆工作气体回流，使用直接回流的方法由于气体组分变化和操作条件的波动，存在动态耦合的问题，实际难以评价特定回流的影响。
对入堆原料气采用模拟技术，有针对地设计测试系统结构和控制方法，以稳定的进堆原料以及氧化剂的模拟方式建立电堆回流气体影响的测试，也可以获得依据和运行条件，有根据地提高工作气体利用率，或合理地降低工作气体标准。但是目前尚缺少相关技术将实际组分在经过电堆后的变化应用于电堆回流进气的反馈管理中，缺少分析该变化对电堆运行影响和优选控制的技术方案。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法，通过模拟测试，获得稳定的、接近回流方式的实验条件，可避免出口气体直接回流与进口气体混合造成复杂工作状况的耦合波动等对实验数据的不利影响，从而稳定地获得电堆在尾气回流条件下的性能检测。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法，使用模拟测试系统，对具有尾气回流装置的电堆运行系统的电堆产生尾气进行流量和组分分析，并根据回流比例计算入堆气体流量和组成，将该入堆气体流量和组成用于气源处气体流量和组分的再次调整，模拟实际回流条件下的入堆气体流量和组成，运行电堆并进行检测，按照时间记录相关组分和总量与电堆性能的数据关系，真实尾气不返回电堆入口。
进一步的，所述模拟测试系统包括通过管道依次相连接的工作气体配制供应单元、尾气控制单元以及分离检测单元，三者通过控制管理单元进行运行管理，被检测电堆设置于工作气体配制供应单元与尾气控制单元之间。
进一步的，将所述具有尾气回流装置的电堆运行系统的气源供应比作为原始组成，将气源各组分绝对量作为原始绝对量，原始组成与原始绝对量共同为原始物料；
将被检测电堆采用原始物料运行产生的尾气作为第一尾气。
进一步的，模拟测试具体包括如下步骤：
S001.被检测电堆接入模拟测试系统，验证气源处工作气体满足供应以及模拟测试系统密封达到要求，使用惰性气体吹扫，启动模拟测试系统；
S002.输入模拟测试系统运行的原始物料参数；
S003.模拟测试系统开始运行其预定程序，按时间先后顺序依次反复扫描2个分支，完成2个分支的扫描为一个扫描周期。
进一步的，所述的2个分支包括：
分支1：S004.模拟测试系统按照扫描周期进入停机判断；
S005.当停机判断为“是”时，包括人工输入停机命令或模拟测试系统自动保护或检测执行完毕自动停机，则运行停机指令；当停机判断为“否”时，则返回步骤S003；
分支2：S006.模拟测试系统运行时，其各单元的检测元件对电堆运行数据进行检测；
S007.工作气体进入电堆反应后，电堆排放出尾气，阳极尾气和阴极尾气分别做降温处理，然后分离各自的气液组分；
S008.尾气检测：检测尾气流量和组分，其中液态组分除水后使用液相色谱检测检测其体积和重量，气态组分使用气相色谱检测，根据压力和温度使用气态方程PV＝nRT进行校正，其中P为压力，V为体积，n为各气体摩尔数之和，R为气体常数，T为绝对温度，将检测得到的各气态组分比例带入气态方程中，获得各自摩尔数，即气态组分绝对量；将气态组分绝对量与液态组分绝对量相加获得第一尾气的全组分绝对量，根据回流比例和第一尾气的全组分绝对量获得回流的各组分绝对量，该各组分绝对量加入原始物料，形成第一模拟组分；
S009.按照第一模拟组分，在电堆入口流量组分调整中实现回馈修改，返回S006检测并记录该电堆所有运行数据，将该运行数据送回S002作为模拟测试系统运行的原始物料参数输入，将该第一模拟组分提供给电堆入口，被检测电堆使用第一模拟组分运行产生的尾气作为第二尾气，真实尾气不返回电堆入口。
有益效果：通过模拟测试，获得稳定的、接近回流方式的实验条件，避免实际运行发生的回流变化对运行结果和实验数据的影响，以及尾气返回电堆产生的电堆运行条件耦合波动，从而稳定地获得电堆在尾气回流条件下的性能检测，更真实地评价出回流参数与电堆性能优化关系。
能够评价出燃料原料有效组分、惰性组分、有害杂质对于电堆的实际影响，可以提供出燃料原料标准的根据，适度降低对高纯度的要求和调整回流比、利用率，从而降低工业电堆的运行成本，从燃料原料方面减少能耗和设备规模。
本发明有益之处还在于试验数据的可移植性，既可以将成品整机的预期运行条件移植用于早期的单电池或短堆的测试和改进，也可以将单电池数据用于短堆，短堆数据用于成品堆，因此，本发明能够降低后期运行测试的成本，包括减少开发时间，为总体上缩短电堆开发周期提供有利条件。
附图说明
图1为本发明模拟测试系统结构示意图；
图2为本发明模拟测试流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
一种针对燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法：电堆运行在调配的燃料和氧化剂供应条件下，通过对电堆尾气进行流量和组分的分析，根据回流比例计算入堆流量和组成，将该流量和组成回馈用于在气源处进行气体组分和流量的再次调整，包括水蒸汽，获得与采用回流方式模拟的相同实验条件。
用于该模拟测试方法的模拟测试系统：包括通过管道依次相连接的工作气体配制供应单元、尾气控制单元以及分离检测单元，三者通过控制管理单元进行运行管理，被检测电堆设置于工作气体配制供应单元与尾气控制单元之间。
控制管理单元即上位机，该单元储存模拟测试的预定运行程序、并修改运行程序和处理检测数据，对系统执行部件进行管理，包括各单元的温度、压力、流量、湿度、电压、电流、电阻检测元件。
工作气体配制供应单元由多路的气体流量和压力控制部件、气体混合部件、加热部件以及增湿部件组成。所述工作气体指阳极燃料和阴极氧化剂，阴极氧化剂是空气或氧气，本实施例以阳极燃料管理为例，给出其供应和回流模拟测试方法，该方法亦可应用于阴极氧化剂的供应回流模拟测试。阳极燃料，包括氢气、甲烷、二氧化碳、氮气、一氧化碳、其它易挥发有机物、硫化物等的部分或全部组成。多种气体经过工作气体配制供应单元配气、调压控压、控温，经过或不经过水蒸气增湿，提供给待运行的被检测电堆使用。具体的说，工作气体配制供应单元的组成部件，包括减压阀、泵、开关阀、节流阀、加热器、鼓泡增湿器、喷雾器或喷淋器等，该单元检测元件包括如气体质量流量计、转子流量计、压力传感器、温度传感器、湿度传感器等。
尾气控制单元包括压力检测部件、温度检测部件、压力控制部件、流量控制部件，以及对流体进行降温的部件。
分离检测单元由冷却部件、气液分离部件、气态和液态流量测定部件组成，具有气态和液态样品取样分析接口。
上述各单元由单元之间的管道、管件和阀门连接。
使用模拟测试系统，对具有尾气回流装置的电堆运行系统的电堆产生尾气进行流量和组分分析，并根据回流比例计算入堆气体流量和组成，将该入堆气体流量和组成用于气源处气体流量和组分的再次调整，模拟实际回流条件下的入堆气体流量和组成，运行电堆并进行检测，按照时间记录相关组分和总量与电堆性能的数据关系，真实尾气不返回电堆入口。
被检测电堆接入模拟测试系统后，验证包括工作气体气源满足供应，系统密封达到要求，惰性气体吹扫等步骤；S001.模拟测试系统启动，系统自检，S002.系统设置和确认参数，即输入模拟测试系统运行的原始物料参数；
其中，所述具有尾气回流装置的电堆运行系统的气源供应比作为原始组成，将气源各组分绝对量作为原始绝对量，原始组成与原始绝对量共同为原始物料；
将被检测电堆采用原始物料运行产生的尾气作为第一尾气；
原始绝对量加部分第一尾气回流形成的、直接配制的、提供给电堆入口的组分为第一模拟组分；
被检测电堆使用第一模拟组分运行，产生的尾气为第二尾气；
原始物料与第一模拟组分不同，因此第二尾气与第一尾气不同。
S003.模拟测试系统运行其预定程序，即上位机设置的具体运行步骤在此开始执行，而后按时间先后顺序依次反复扫描2个分支，完成2个分支的扫描为一个扫描周期。
所述的预定程序包括：
分支1：S004.模拟测试系统按照扫描周期进入停机判断；
S005.当停机判断为“是”时，包括人工输入停机命令或模拟测试系统自动保护或检测执行完毕自动停机，则运行停机指令；当停机判断为“否”时，则返回步骤S003；自动保护包括燃料泄露超标、系统掉压、电堆超温、单电池电压低于限定值、气源掉压等。
分支2：S006.模拟测试系统运行时，其各单元的检测元件对电堆运行数据进行检测；包括工作气体配制供应单元、被检测电堆、尾气控制单元、分离检测单元中的各检测；
S007.工作气体进入电堆反应后，电堆排放出尾气，阳极尾气和阴极尾气分别做降温处理，然后分离各自的气液组分；
S008.尾气检测：使用检测仪器检测尾气流量和组分，其中液态组分除水后使用液相色谱检测检测其体积和重量，气态组分使用气相色谱检测，根据压力和温度使用气态方程PV＝nRT进行校正，其中P为压力，V为体积，n为各气体摩尔数之和，R为气体常数，T为绝对温度，将检测得到的各气态组分比例带入气态方程中，获得各自摩尔数，即气态组分绝对量；将气态组分绝对量与液态组分绝对量相加获得第一尾气的全组分绝对量，根据预设的回流比例和第一尾气的全组分绝对量获得回流的各组分绝对量，该各组分绝对量加入原始物料，形成第一模拟组分；
S009.按照第一模拟组分，在电堆入口流量组分调整中实现回馈修改，返回S006检测并记录该电堆所有运行数据，将该运行数据送回S002作为模拟测试系统运行的原始物料参数输入，将该第一模拟组分提供给电堆入口，被检测电堆使用第一模拟组分运行产生的尾气作为第二尾气，真实尾气不返回电堆入口。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法，其特征在于，使用模拟测试系统，对具有尾气回流装置的电堆运行系统的电堆产生尾气进行流量和组分分析，并根据回流比例计算入堆气体流量和组成，将该入堆气体流量和组成用于气源处气体流量和组分的再次调整，模拟实际回流条件下的入堆气体流量和组成，运行电堆并进行检测，按照时间记录相关组分和总量与电堆性能的数据关系，真实尾气不返回电堆入口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法，其特征在于，所述模拟测试系统包括通过管道依次相连接的工作气体配制供应单元、尾气控制单元以及分离检测单元，三者通过控制管理单元进行运行管理，被检测电堆设置于工作气体配制供应单元与尾气控制单元之间。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法，其特征在于，将所述具有尾气回流装置的电堆运行系统的气源供应比作为原始组成，将气源各组分绝对量作为原始绝对量，原始组成与原始绝对量共同为原始物料；
将被检测电堆采用原始物料运行产生的尾气作为第一尾气。
4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法，其特征在于，模拟测试具体包括如下步骤：
S001.被检测电堆接入模拟测试系统，验证气源处工作气体满足供应以及模拟测试系统密封达到要求，使用惰性气体吹扫，启动模拟测试系统；
S002.输入模拟测试系统运行的原始物料参数；
S003.模拟测试系统开始运行其预定程序，按时间先后顺序依次反复扫描2个分支，完成2个分支的扫描为一个扫描周期。
5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆气体组分回流影响的模拟测试方法，其特征在于，所述的2个分支包括：
分支1：S004.模拟测试系统按照扫描周期进入停机判断；
S005.当停机判断为“是”时，包括人工输入停机命令或模拟测试系统自动保护或检测执行完毕自动停机，则运行停机指令；当停机判断为“否”时，则返回步骤S003；
分支2：S006.模拟测试系统运行时，其各单元的检测元件对电堆运行数据进行检测；
S007.工作气体进入电堆反应后，电堆排放出尾气，阳极尾气和阴极尾气分别做降温处理，然后分离各自的气液组分；
S008.尾气检测：检测尾气流量和组分，其中液态组分除水后使用液相色谱检测检测其体积和重量，气态组分使用气相色谱检测，根据压力和温度使用气态方程PV＝nRT进行校正，其中P为压力，V为体积，n为各气体摩尔数之和，R为气体常数，T为绝对温度，将检测得到的各气态组分比例带入气态方程中，获得各自摩尔数，即气态组分绝对量；将气态组分绝对量与液态组分绝对量相加获得第一尾气的全组分绝对量，根据回流比例和第一尾气的全组分绝对量获得回流的各组分绝对量，该各组分绝对量加入原始物料，形成第一模拟组分；
S009.按照第一模拟组分，在电堆入口流量组分调整中实现回馈修改，返回S006检测并记录该电堆所有运行数据，将该运行数据送回S002作为模拟测试系统运行的原始物料参数输入，将该第一模拟组分提供给电堆入口，被检测电堆使用第一模拟组分运行产生的尾气作为第二尾气，真实尾气不返回电堆入口。
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