CN113903957B - 一种电堆氢循环模拟装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体公开了一种电堆氢循环模拟装置及其模拟方法，该电堆氢循环模拟装置包括气源接口、控制阀、引射器、干燥器、循环支路、燃烧消耗模拟支路和分流器，气源接口、控制阀以及引射器的工作气体接口依次连通，控制阀可用于调节流经的气体的流量和压力；引射器的出口、干燥器和分流器的输入口依次连通，干燥器用于干燥流经的气体，分流器的第一输出口连接燃烧消耗模拟支路，第二输出口连接循环支路，循环支路上依次设有温湿调节模块和流阻模块，通过干燥器对引射后的气体进行干燥，能够准确标定分流器分流前的总气体流量，以便准确标定分流至燃烧模拟支路和循环支路的气体流量，以保证模拟效果不受气体中水蒸气的影响。

Description

一种电堆氢循环模拟装置及其模拟方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种电堆氢循环模拟装置及其模拟方法。

背景技术

燃料电池发动机系统在运行过程中会产生大量的反应水，在电池的阳极和阴极流道中聚集会造成电堆“水淹”，造成电堆性能下降，因此，需要及时的将积水排出，现有技术中通常通过阳极循环装置(引射器、循环泵等)将流道中的水排出电堆，再经过电堆外的汽水分离器将水排出系统，阳极循环装置的设计开发至关重要。

现有技术中，通常通过电堆氢循环模拟装置对阳极循环装置进行设计验证、测试及标定，模拟时，通常会尽量贴合实际的使用状况，燃料电池实际使用时，气源提供的氢气经过引射器引射后会存在部分水蒸气，水蒸汽的湿润作用会提升电堆的电化学反应，但在阳极氢气循环装置的设计开发过程中水蒸汽的存在使得氢流量难以被准确监测，进而会影响对阳极循环装置的设计验证、测试及标定。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种电堆氢循环模拟装置，以解决相关技术中对阳极循环装置的设计验证、测试及标定时，因气体中的水蒸气导致模拟结果不准确的问题。

一方面，本发明提供一种电堆氢循环模拟装置，该电堆氢循环模拟装置包括：

气源接口，用于通入模拟气体；

控制阀，与所述气源接口连通，且用于调节所述模拟气体的流量；

引射器，所述引射器具有工作气体接口、引射气体接口和出口，所述工作气体接口连接所述控制阀；

干燥器，与所述出口连接；

循环支路、燃烧消耗模拟支路和分流器，所述分流器具有输入口、第一输出口和第二输出口，所述输入口连接所述干燥器，所述第一输出口连接所述燃烧消耗模拟支路，所述第二输出口连接所述循环支路，所述循环支路和所述引射气体接口连接，所述循环支路上依次设有温湿调节模块和流阻模块，所述温湿调节模块用于调节流经的气体的温度和湿度，所述流阻模块用于调节流经的气体的压力。

作为电堆氢循环模拟装置的优选技术方案，所述燃烧消耗模拟支路与所述控制阀的输入端连接，所述燃烧消耗模拟支路沿气体的流向依次设有气体回收装置和稳压阀。

作为电堆氢循环模拟装置的优选技术方案，所述电堆氢循环模拟装置还包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器，所述第一压力传感器用于检测所述控制阀的输出端的气体压力，所述第二压力传感器用于检测所述引射器的出口处的气体压力，所述第三压力传感器和所述第四压力传感器分别用于检测所述流阻模块前后两端的气体压力。

作为电堆氢循环模拟装置的优选技术方案，所述电堆氢循环模拟装置还包括第一流量传感器、第二流量传感器和第三流量传感器，所述第一流量传感器用于检测所述控制阀的输出端的气体流量，所述第二流量传感器用于检测流入所述分流器的输入口的气体流量，所述第三流量传感器用于检测流出所述分流器的所述第一输出口的气体流量。

作为电堆氢循环模拟装置的优选技术方案，所述电堆氢循环模拟装置还包括第一湿度传感器和第二湿度传感器，所述第一湿度传感器用于检测从所述引射器的所述出口流出的气体的湿度，所述第二湿度传感器用于检测从所述流阻模块流出的气体的湿度。

本发明还提供一种电堆氢循环模拟装置的模拟方法，通过上述任一方案中的电堆氢循环模拟装置实施，所述电堆氢循环模拟装置的模拟方法包括：

依据电堆实物设置模拟参数，所述模拟参数包括引射器的工作气体接口的输入气压P1和输入流量Q1，引射器的出口的输出气压P2，分流器的输入口的输入流量Q2，分流器的第一输出口的输出气体流量Q3、分流器的第二输出口的输出气体流量Q4，Q4＝Q2-Q3，温湿调节模块的目标调节温度T和目标调节湿度H，以及流阻模块的目标压降△P；

将压力为P1、流量为Q2的模拟气体输入所述引射器的输入口；

通过所述引射器输出压力为P2、流量为Q2的气体；

通过干燥器对由所述引射器的出口输出的气体进行除湿；

通过分流器将流量为Q3的气体输出至燃烧消耗模拟支路，将流量为Q4的气体输出至循环支路；

通过温湿调节模块将流经的气体的温度调整至T，湿度调整至H；

通过流阻模块将流经的气体的压力降低△P；

采集所述引射器的出口输出的气体的实时湿度H1，采集所述流阻模块的输入气压P3，输出的气体的实时压力P4和实时湿度H2；

依据模拟参数、H1、H2、P3和P4对引射器进行性能评估。

作为电堆氢循环模拟装置的模拟方法的优选技术方案，将压力为P1、流量为Q2的模拟气体输入所述引射器的输入口包括：

实时采集所述引射器的工作气体接口处的气压P；

比较P和P1的大小；

若P＞P1，则将所述控制阀的开度降低设定值；若P＜P1，则将所述控制阀的开度增大设定值；若P＝P1，则保持所述控制阀的开度不变。

作为电堆氢循环模拟装置的模拟方法的优选技术方案，将流量为Q3的气体输出至燃烧消耗模拟支路后，通过气体回收装置回收，气体回收装置回收的气体通过稳压阀将气体压力调整至和气源压力相同后输入至控制阀。

作为电堆氢循环模拟装置的模拟方法的优选技术方案，所述干燥器内设有调温单元，所述干燥器在干燥流经的气体的同时，将流经气体的温度调整设定温度。

作为电堆氢循环模拟装置的模拟方法的优选技术方案，所述模拟气体包括氢气、氦气、氮气、空气中的任一种或多种。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种电堆氢循环模拟装置及其模拟方法，该电堆氢循环模拟装置包括气源接口、控制阀、引射器、干燥器、循环支路、燃烧消耗模拟支路和分流器。引射器具有工作气体接口、引射气体接口和出口，分流器具有输入口、第一输出口和第二输出口；气源接口、控制阀以及引射器的工作气体接口依次连通，控制阀可用于调节流经的气体的流量和压力；引射器的出口、干燥器和分流器的输入口依次连通，干燥器用于干燥流经的气体，分流器的第一输出口连接燃烧消耗模拟支路，第二输出口连接循环支路，循环支路上依次设有温湿调节模块和流阻模块，温湿调节模块用于调节流经的气体的温度和湿度，流阻模块用于调节流经的气体的压力。该电堆氢循环模拟装置采用干燥器对引射后的气体进行干燥，能够准确标定分流器分流前的总气体流量，以便准确标定分别分流至燃烧模拟支路和循环支路的气体流量，可避免模拟结果受水蒸气的影响，保证模拟结果准确。

附图说明

图1为本发明实施例中电堆氢循环模拟装置的结构示意图。

图中：

1、气源接口；2、控制阀；3、引射器；4、干燥器；5、循环支路；6、燃烧消耗模拟支路；7、分流器；8、温湿调节模块；9、流阻模块；10、气体回收装置；11、稳压阀；12、第一压力传感器；13、第二压力传感器；14、第三压力传感器；15、第四压力传感器；16、第一流量传感器；17、第二流量传感器；18、第三流量传感器；19、第一湿度传感器；20、第二湿度传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例提供一种电堆氢循环模拟装置，该电堆氢循环模拟装置包括气源接口1、控制阀2、引射器3、干燥器4、循环支路5、燃烧消耗模拟支路6和分流器7。其中，气源接口1用于通入模拟气体，模拟气体可以包括氢气、氦气、氮气、空气中的任一种或多种。引射器3具有工作气体接口、引射气体接口和出口，分流器7具有输入口、第一输出口和第二输出口；气源接口1、控制阀2以及引射器3的工作气体接口依次连通，控制阀2可用于调节流经的气体的流量和压力；引射器3的出口、干燥器4和分流器7的输入口依次连通，干燥器4用于干燥流经的气体，分流器7的第一输出口连接燃烧消耗模拟支路6，第二输出口连接循环支路5。其中，控制阀2为比例电磁控制阀2，燃烧模拟回路用于模拟电堆实物中消耗掉的氢气，循环支路5用于模拟电堆实物中未被燃烧的氢气，该部分氢气在经过电堆后会循环至引射器3的引射气体接口，以再次输入至电堆。

在电堆实物当中，会依据电堆实物实际需要产生的电流量确定用于燃烧的氢气量，但供给电堆的氢气需要过量供应，从而供给电堆实物的氢气中的其中一部分参与化学反应而消耗，该部分氢气可通过电堆氢循环模拟装置的燃烧模拟回路进行模拟；另一部分氢气则会重新循环至引射器3，该部分氢气可通过电堆氢循环模拟装置的循环支路5进行模拟。

循环支路5上依次设有温湿调节模块8和流阻模块9，温湿调节模块8用于调节流经的气体的温度和湿度，流阻模块9用于调节流经的气体的压力。流经循环支路5的气体在温湿度调节模块的作用下会富含水蒸气，通过流阻模块9降压后，输送至引射器3的引射气体接口，从而引射器3输出的气体含有水蒸气，这能够很好的贴合电堆实物的实际状况，进而保证模拟结果准确。

可以理解的是，电堆实物中未被燃烧的氢气，在流出电堆实物后其温度、湿度以及压力均会发生变化。在电堆氢循环模拟装置中可通过温湿调节模块8对流经的气体的温度和湿度进行对应调整，通过流阻模块9流经的气体的压力进行对应调整，可精确匹配电堆实物中的实际情况。其中，温湿调节模块8可包括调温单元和调湿单元，调温单元包括用于加热的加热器和用于降温的制冷器，调湿单元包括用于增湿的喷淋头和用于降湿的蒸发器。

本实施例提供的电堆氢循环模拟装置采用干燥器4对引射后的气体进行干燥，从而气体中含有的水蒸气可被去除，进而能够准确标定分流器7分流前的总气体流量，以便准确标定分流至燃烧模拟支路和循环支路5的气体流量，以保证模拟效果不受气体中的水蒸气的影响。

本实施例提供的电堆氢循环模拟装置的流阻模块9设置于温湿调节模块8和引射器3的引射气体接口之间，先通过温湿调节模块8调节气体的温湿度，然后流阻模块9调压后，气体压力不会再出现波动；相比于气体先经流阻模块9后再经温湿调节模块8流入引射器3的引射气体接口，可避免温室调节模块对流经气体加湿后导致气体压力再度发生改变，从而可保证模拟精度。

可选地，燃烧消耗模拟支路6与控制阀2的输入端连接，燃烧消耗模拟支路6沿气体的流向依次设有气体回收装置10和稳压阀11。如此设置可将模拟电堆实物消耗的该部分气体重复利用，以避免浪费。

可选地，电堆氢循环模拟装置还包括第一压力传感器12、第二压力传感器13、第三压力传感器14、第四压力传感器15，第一压力传感器12用于检测控制阀2的输出端的气体压力，第二压力传感器13用于检测引射器3的出口处的气体压力，第三压力传感器14和第四压力传感器15分别用于检测流阻模块9前后两端的气体压力。

可选地，电堆氢循环模拟装置还包括第一流量传感器16、第二流量传感器17和第三流量传感器18，第一流量传感器16用于检测控制阀2的输出端的气体流量，第二流量传感器17用于检测流入分流器7的输入口的气体流量，第三流量传感器18用于检测流出分流器7的第一输出口的气体流量。

可选地，电堆氢循环模拟装置还包括第一湿度传感器19和第二湿度传感器20，第一湿度传感器19用于检测从引射器3的出口流出的气体的湿度，第二湿度传感器20用于检测从流阻模块9流出的气体的湿度。

本实施例还提供一种电堆氢循环模拟装置的模拟方法，该电堆氢循环模拟装置的模拟方法通过上述电堆氢循环模拟装置实施，电堆氢循环模拟装置的模拟方法包括：

S10：依据电堆实物设置模拟参数，模拟参数包括引射器3的工作气体接口的输入气压P1和输入流量Q1，引射器3的出口的输出气压P2，分流器7的输入口的输入流量Q2，分流器7的第一输出口的输出气体流量Q3、分流器7的第二输出口的输出气体流量Q4，Q4＝Q2-Q3，温湿调节模块8的目标调节温度T和目标调节湿度H，以及流阻模块9的目标压降△P。

当确定电堆实物的输出电流后，参与电堆实物中化学反应的氢气流量可通过公式Q＝I*m/2F计算，提供给电堆的总的氢气流量可通过公式Q＝I*m/2F*λ计算。其中，I为电堆实物产生的电流，m为氢的摩尔质量，F为法拉第常数；λ为计量比，并且λ大于1。从而，Q2＝λQ3，Q2＝(λ-1)Q3。温湿调节模块8的目标调节温度T和目标调节湿度H，以及流阻模块9的目标压降△P，依据电堆实物的相关参数进行确定。

S20：将压力为P1、流量为Q2的模拟气体输入引射器3的输入口。

可通过控制控制阀2的开度，调节输入至引射器3的输入口的气体的压力和流量。具体地，将压力为P1、流量为Q2的模拟气体输入引射器3的输入口包括：

实时采集引射器3的工作气体接口处的气压P；比较P和P1的大小；若P＞P1，则将控制阀2的开度降低设定值；若P＜P1，则将控制阀2的开度增大设定值；若P＝P1，则保持控制阀2的开度不变。

S30：通过引射器3输出压力为P2、流量为Q2的气体。

S40：通过干燥器4对由引射器3的出口输出的气体进行除湿。

可选地，干燥器4内设有调温单元，干燥器4在干燥流经的气体的同时，将流经气体的温度调整设定温度。有助于对第二流量传感器17准确检测流入分流器7的输入口的气体流量。

S50：通过分流器7将流量为Q3的气体输出至燃烧消耗模拟支路6，将流量为Q4的气体输出至循环支路5。

S60：通过温湿调节模块8将流经的气体的温度调整至T，湿度调整至H。

S70：通过流阻模块9将流经的气体的压力降低△P。

S80：采集引射器3的出口输出的气体的实时湿度H1，采集流阻模块9的输入气压P3，输出的气体的实时压力P4和实时湿度H2。

S90：依据模拟参数、H1、H2、P3和P4对引射器进行性能评估。

可以理解的是，模拟参数、H1、H2、P3和P4可充分反映引射器的实际运行情况，从而，可依据模拟参数、H1、H2、P3和P4对引射器进行评估。

通过上述电堆氢循环模拟装置的模拟方法，可以对电堆实物的不同工况进行模拟，并且能够保证模拟参数精确

优选地，还包括S100：将流量为Q3的气体输出至燃烧消耗模拟支路6后，通过气体回收装置10回收，气体回收装置10回收的气体通过稳压阀11将气体压力调整至和气源压力相同后输入至控制阀2，如此可避免模拟用的气体浪费。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电堆氢循环模拟装置，其特征在于，包括：

气源接口(1)，用于通入模拟气体；

控制阀(2)，与所述气源接口(1)连通，且用于调节所述模拟气体的流量；

引射器(3)，所述引射器(3)具有工作气体接口、引射气体接口和出口，所述工作气体接口连接所述控制阀(2)；

干燥器(4)，与所述出口连接；

循环支路(5)、燃烧消耗模拟支路(6)和分流器(7)，所述分流器(7)具有输入口、第一输出口和第二输出口，所述输入口连接所述干燥器(4)，所述第一输出口连接所述燃烧消耗模拟支路(6)，所述第二输出口连接所述循环支路(5)，所述循环支路(5)和所述引射气体接口连接，所述循环支路(5)上依次设有温湿调节模块(8)和流阻模块(9)，所述温湿调节模块(8)用于调节流经的气体的温度和湿度，所述流阻模块(9)用于调节流经的气体的压力；

所述电堆氢循环模拟装置还包括第一流量传感器(16)、第二流量传感器(17)和第三流量传感器(18)，所述第一流量传感器(16)用于检测所述控制阀(2)的输出端的气体流量，所述第二流量传感器(17)用于检测流入所述分流器(7)的输入口的气体流量，所述第三流量传感器(18)用于检测流出所述分流器(7)的所述第一输出口的气体流量。

2.根据权利要求1所述的电堆氢循环模拟装置，其特征在于，所述燃烧消耗模拟支路(6)与所述控制阀(2)的输入端连接，所述燃烧消耗模拟支路(6)沿气体的流向依次设有气体回收装置(10)和稳压阀(11)。

3.根据权利要求1所述的电堆氢循环模拟装置，其特征在于，所述电堆氢循环模拟装置还包括第一压力传感器(12)、第二压力传感器(13)、第三压力传感器(14)、第四压力传感器(15)，所述第一压力传感器(12)用于检测所述控制阀(2)的输出端的气体压力，所述第二压力传感器(13)用于检测所述引射器(3)的出口处的气体压力，所述第三压力传感器(14)和所述第四压力传感器(15)分别用于检测所述流阻模块(9)前后两端的气体压力。

4.根据权利要求1所述的电堆氢循环模拟装置，其特征在于，所述电堆氢循环模拟装置还包括第一湿度传感器(19)和第二湿度传感器(20)，所述第一湿度传感器(19)用于检测从所述引射器(3)的所述出口流出的气体的湿度，所述第二湿度传感器(20)用于检测从所述流阻模块(9)流出的气体的湿度。

5.一种电堆氢循环模拟装置的模拟方法，其特征在于，通过权利要求1-4任一项所述的电堆氢循环模拟装置实施，所述电堆氢循环模拟装置的模拟方法包括：

依据电堆实物设置模拟参数，所述模拟参数包括引射器(3)的工作气体接口的输入气压P1和输入流量Q1，所述引射器(3)的出口的输出气压P2，分流器(7)的输入口的输入流量Q2，所述分流器(7)的第一输出口的输出气体流量Q3、所述分流器(7)的第二输出口的输出气体流量Q4，Q4＝Q2-Q3，温湿调节模块(8)的目标调节温度T和目标调节湿度H，以及流阻模块(9)的目标压降△P；

将压力为P1、流量为Q2的模拟气体输入所述引射器(3)的输入口；

通过所述引射器(3)输出压力为P2、流量为Q2的气体；

通过干燥器(4)对由所述引射器(3)的出口输出的气体进行除湿；

通过分流器(7)将流量为Q3的气体输出至燃烧消耗模拟支路(6)，将流量为Q4的气体输出至循环支路(5)；

通过温湿调节模块(8)将流经的气体的温度调整至T，湿度调整至H；

通过流阻模块(9)将流经的气体的压力降低△P；

采集所述引射器(3)的出口输出的气体的实时湿度H1，采集所述流阻模块(9)的输入气压P3，输出的气体的实时压力P4和实时湿度H2；

依据模拟参数、H1、H2、P3和P4对引射器进行性能评估。

6.根据权利要求5所述的电堆氢循环模拟装置的模拟方法，其特征在于，将压力为P1、流量为Q2的模拟气体输入所述引射器(3)的输入口包括：

实时采集所述引射器(3)的工作气体接口处的气压P；

比较P和P1的大小；

若P＞P1，则将所述控制阀(2)的开度降低设定值；若P＜P1，则将所述控制阀(2)的开度增大设定值；若P＝P1，则保持所述控制阀(2)的开度不变。

7.根据权利要求5所述的电堆氢循环模拟装置的模拟方法，其特征在于，将流量为Q3的气体输出至燃烧消耗模拟支路(6)后，通过气体回收装置(10)回收，气体回收装置(10)回收的气体通过稳压阀(11)将气体压力调整至和气源压力相同后输入至控制阀(2)。

8.根据权利要求5所述的电堆氢循环模拟装置的模拟方法，其特征在于，所述干燥器(4)内设有调温单元，所述干燥器(4)在干燥流经的气体的同时，将流经气体的温度调整设定温度。

9.根据权利要求5所述的电堆氢循环模拟装置的模拟方法，其特征在于，所述模拟气体包括氢气、氦气、氮气、空气中的任一种或多种。

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