CN114142068A - 用于电堆停机干燥测试的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池水管理技术领域，具体地说，用于电堆停机干燥测试的系统和方法。使用燃料电池环境模拟测试舱，通过阴极空气循环和冷却液循环可控地将电堆内部水份转移出来，评价其满足防冻要求的干燥条件。本发明系统由环境舱、待测电堆、以及氢气循环系统、发电空气循环系统、脱水空气循环系统、冷冻液循环供冷系统、冷却液循环系统组成。通过本发明提供的系统及测方法，为电堆运行建立一种统一的停机前的状态，应用于与环境压力相关的干燥方法，以满足最低气温下的储存，减少对未来停机保存条件或气候变化做出人为假定。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池水管理技术领域，具体地说，用于电堆停机干燥测试的系统和方法。
背景技术
氢质子交换膜燃料电池已经用于室外的运输车辆发动机，以及用于其它处于室外温度与气压的移动或固定场合。在实际使用中，发动机系统必须满足各种环境要求，包括在寒冷的冬季应避免发生结冰，防止再次启动失败或造成对电堆本身的损坏。
具体来说，一个主要的问题就是发动机电堆内水份含量需要控制在不破坏内部结构、不影响设备正常运行的某种限度范围，下限要高于膜组件发生干膜损害的含量，上限要低于膜组件结冰破坏的含量，还要避免阻塞各种孔洞和活动部件、避免封闭系统检测部件，因此，需要建立发动机关停和启动的自动管理程序，确保在冰点以下可以长期保存然后正常启动。常规标准的停机低温保存温度仅是保存在环境低温一个比较短的时间，比如-30℃时的12小时，由于实际具有一定的传热或保温影响，电堆内部温度不一定达到环境的温度，12小时可以通过的再启动技术，未必可以通过更长的停机时间考验，比如一周时间，即，电堆内部被真实冷冻到一个很低的环境温度。
另一方面，使用停机当前的环境温度或基于互联网技术获得的当时季节温度，决定的停机处理技术，也同样遇到问题，例如常见的白天零上开车，停车的夜间环境温度在零下，变化可能达到二三十度，因此停机时的处置条件不一定满足停机后遇到的环境条件。
电堆在低温下的再次启动是目的，但是对于电堆低温启动的研究，如何定量地控制启动前的停机除水控制方法的研究和应用比较少。
专利CN102386430B，通过使用干燥剂对空气和氢气两个循环系统进行干燥，但是明显的是，干燥剂体积很大才能维持多次的运行目的。有进一步的技术使用电加热和真空泵恢复干燥剂，实际能耗和系统硬件复杂度增加，对干燥程度的量化还有待解决。
专利公开CN113113635A，对电堆提供了环境温度的入堆空气，其提出的使用一种加湿器，但是并没有提出冰点以下低温加湿原理或实现技术。CN110931829A公开了使用电加热对吹扫气的升温，使用了难以实际应用的氮气罐。授权专利CN111029620B使用了阴极尾气的低氧空气脱水后除氧，收集在一个超过电堆体积的容器中，并指出其对比技术的制氮机体积庞大、技术困难、成本高，但是没有提供其自身采用的关键部件除氧器的技术方案和效率、更换等关键技术描述。一些技术公开了阴极氧气消耗后作为储备的氮气，如授权专利CN1300885C、专利公开CN110911712A，该低氧的氮气用来吹扫阳极，主要用于停机和启动的防止氢氧界面形成，并非针对防冻的量化管理。
专利CN111403780B对循环冷却泵采用间歇运行，大计量比吹扫阴极和阳极，以电堆电压为依据控制电堆的停机处理。如果停机时的环境温度没有低于0℃，可能会有停机时环境温度转入0℃以下而发生结冰破坏的隐患。
专利公开CN111755720A增加一个阴极空气的压缩机后旁路切换管线，低功率时经过旁路使用高倍阴极流量直接吹扫，并结合冷却液循环和加热，将电堆维持在55-65℃，吹扫和蒸发掉电堆内部的水份。该方法不依赖于流量或电阻的检测，容易实行，但是未考虑环境气压问题，同时，低温环境下实施大流量环境空气加热和气体输送的电能消耗都比较高。
发明内容
针对以上问题，本发明公开一种用于电堆停机干燥测试的系统及测试方法，使用燃料电池环境模拟测试舱，通过阴极空气循环和冷却液循环可控地将电堆内部水份转移出来，评价其满足防冻要求的干燥条件，包括高海拔的低气压条件。
本发明的发明构思是：由于具体电堆耐低温性能主要是膜电极抗冻能力，在组装电堆时已经由具体膜电极确定，具体各低温下的最高含水量由储存目标的最低温度决定，该含水量对应干燥时的流通气体的相对湿度。其它部件或部位的除水相对容易控制，因此，解决膜电极的除水控制是关键。停机干燥程度控制在该含水量对应的相对湿度。
本发明首要目的是提供用于电堆停机干燥测试的系统，系统由环境舱、待测电堆、氢气循环系统、发电空气循环系统、脱水空气循环系统、冷冻液循环供冷系统、冷却液循环系统组成。
本发明的另一个目的是提出一种用于电堆停机干燥测试的方法，使用燃料电池环境模拟测试舱，建立一种可控的温度、压力、湿度的测试条件，对冬季的自然环境气候条件，包括高海拔低气压条件进行模拟，对电堆内部使用防冻的冷却液进行低温冷冻，较快地对电堆实现真正的低温储存，在这样的基础上，对燃料电池停机的水管理控制方法进行评价。在环境舱的测试条件下，电堆内部实际达到标称温度，而不是简单地在停机12h后的内部可能尚未降温的状态。
在本发明中，氢气循环按照常规正常进行。电堆阴极干燥过程中，阳极保持循环和维持对应压力，阳极湿气经过膜电极传导至阴极而干燥。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.通过本发明提供的系统及测方法，为电堆运行建立一种统一的停机前的状态，应用于与环境压力相关的干燥方法，以满足最低气温下的储存，减少对未来停机保存条件或气候变化做出人为假定。
2.对电堆完全冷冻后的启动方法进行评测，严格测试低温性能，检测在真实条件下发生的失效条件。
3.本发明不依赖于更多的复杂测试条件，如，不使用交流阻抗和湿度测试，仅使用简单成熟、低成本的温度、压力和时间检测，提供一种直接以具体测试获得的、冷冻保存之前的处理参数，具有普适意义。
附图说明
图1用于电堆停机干燥测试的系统结构示意图。
其中，1、环境舱，2、待测电堆，3、冷却液入堆口，4、空气出堆口，5、空气出堆温湿度压力计，6、空气出堆切换阀，7、空气出堆降温器，8、冷液入堆温度计，9、冷液入堆切换阀，10、冷却液入堆升温器，11、冷却液泵后温度计，12、冷却液流量计，13、空气降温温度计，14、开关阀，15、补气泵，16、分水器，17、低压排放阀，18、空气循环泵，19、冷却液循环泵，20、膨胀罐，21、冷却液降温器，22、冷液出堆切换阀，23、冷液出堆温度计，24、空气流量计，25、空气入堆升温器，26、空气入堆切换阀，27、空气入堆温湿度压力计，28、空气入堆口，29、冷却液出堆口，30、氢气循环系统，31、发电空气循环系统，32、冷冻液循环供冷系统。
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。
下面结合附图1对本发明的用于电堆停机干燥测试的系统进行说明。包括系统硬件组成、系统运行方法。
实施例1
用于电堆停机干燥测试的系统，系统由环境舱(1)、待测电堆(2)、以及氢气循环系统(30)、发电空气循环系统(31)、脱水空气循环系统、冷冻液循环供冷系统(32)、冷却液循环系统组成。
其中，环境舱(1)控制其内部的温度、湿度、压力、可燃气泄露报警、氧气浓度、照明等。待测电堆(2)放置在环境仓(1)内。
氢气循环系统(30)、发电空气循环系统(31)分别与待测电堆(2)连接。
发电空气循环系统(31)通过空气入堆切换阀(26)、空气出堆切换阀(6)，与本系统的脱水空气循环系统进行切换。
脱水空气循环系统包括管路上依次设置的空气循环泵(18)、空气流量计(24)、空气入堆升温器(25)、空气入堆切换阀(26)、空气入堆口(28)，空气入堆口(28)连接电堆(2)；电堆(2)还连接有空气出堆口(4)，从空气出堆口(4)连接管路上依次设置空气出堆切换阀(6)、空气出堆降温器(7)、分水器(16)，分水器(16)下游为空气循环泵(18)使脱水空气循环系统形成回路。
进一步，在空气入堆切换阀(26)与空气入堆口(28)之间的管道上，安装有空气入堆温湿度压力计(27)，在空气出堆口(4)和空气出堆切换阀(6)之间的管道上，安装有空气出堆温湿度压力计(5)。
脱水空气循环系统还具有分支管路，在分水器(16)与空气循环泵(18)之间，具有独立的开关阀(14)和补气泵(15)。在空气入堆切换阀(26)与空气入堆口(28)之间管路上还设有低压排放阀(17)，所述低压排放阀(17)一端位于环境仓(1)内部，另一端连接连减压罐。在空气出堆降温器(7)的下游设有空气降温温度计(13)；
冷冻液循环供冷系统(32)用于电堆(2)的冷冻降温，通过冷液入堆切换阀(9)、冷液出堆切换阀(22)，与本系统的冷却液循环系统进行切换。
冷却液循环系统包括管路上依次设置冷却液循环泵(19)、冷却液流量计(12)、冷却液入堆升温器(10)、冷液入堆切换阀(9)、冷却液入堆口(3)，冷却液入堆口(3)连接电堆(2)；电堆(2)还连接有冷却液出堆口(29)，从冷却液出堆口(29)连接管路上依次设置冷液出堆切换阀(22)、冷却液降温器(21)、膨胀罐(20)，膨胀罐(20)下游为冷却液循环泵(19)使冷却液循环系统形成回路。
在冷液入堆切换阀(9)和冷却液入堆口(3)之间的管路上，安装有冷却液入堆温度计(8)；在冷却液出堆口(29)和冷液出堆切换阀(22)之间的管路上，安装有冷却液出堆温度计(23)。在冷却液流量计(12)和冷却液入堆升温器(10)之间的管路上，设有冷却液泵后温度计(11)。
本发明的系统中还连接提供氢气循环系统、电堆电气和通讯系统，所述电气和通讯包括电堆输出电力、电堆进出口温度、湿度、压力检测，包括电堆单电池巡检，以上系统及连接方式为本领域公知常识，非本发明的发明点，不再赘述。
本发明提及的空气出堆温湿度压力计、空气入堆温湿度压力计是对具有温度、湿度、压力三种参数检测能力的检测器的上位概括，可以是上述参数独立检测的检测器，也可以采用本领域能够同时测量上述两种及以上参数的一体检测器。
本发明中的冷液包括冷却液和冷冻液，冷冻液用来冷冻待测电堆，冷却液是电堆发动机停机形成的温度上的相对实质是热溶液，该种热的冷却液用于电堆蒸发水份。对于冷却液和冷冻液的种类可采用本领域能够实现上述功能的液体，对此，本发明不进行限定。
实施例2
用于电堆停机干燥测试系统的测试方法：
由环境舱(1)控制其内部的温度、湿度、压力、可燃气泄露报警、氧气浓度、照明等。
氢气循环系统(30)在本系统中进行回流循环，并提供电堆(2)正常发电的氢气燃料。
发电空气循环系统(31)用于电堆(2)的正常发电，通过空气入堆切换阀(26)、空气出堆切换阀(6)，与本系统的脱水空气循环系统进行切换。
脱水空气由空气循环泵(18)、空气流量计(24)、空气入堆升温器(25)、空气入堆切换阀(26)进入环境舱(1)，从空气入堆口(28)进入电堆(2)的阴极空气腔，然后从空气出堆口(4)离开电堆(2)的阴极空气腔，经过空气出堆切换阀(6)、空气出堆降温器(7)、分水器(16)，返回空气循环泵(18)。
开关阀(14)用于脱水空气循环系统压力超过操作压力并超过环境气压时打开，排放一部分空气，达到操作设定过后，关闭。补气泵(15)用于脱水空气循环系统压力小于操作设定时，输入空气进行增压。低压排放阀(17)连接减压罐，在脱水空气循环系统压力需要从环境压力向模拟压力降低时开启，排放部分空气，达到操作设定值后关闭，该减压罐与环境舱(1)具有相同的气体压力条件，但是温度和湿度可以分别相同或不同。
冷冻液循环供冷系统(32)用于电堆(2)的冷冻降温，通过冷液入堆切换阀(9)、冷液出堆切换阀(22)，与本系统的冷却液循环系统进行切换。
冷却液由冷却液循环泵(19)、冷却液流量计(12)、冷却液入堆升温器(10)、冷液入堆切换阀(9)进入环境舱(1)，从冷却液入堆口(3)进入电堆(2)的冷却腔，然后从冷却液出堆口(29)离开电堆(2)的冷却腔，经过冷液出堆切换阀(22)、冷却液降温器(21)、膨胀罐(20)，返回冷却液循环泵(19)。
实施例3
通过本实施例，对本系统的运行方法进行更详细的说明。本系统运行分3部分，包括停机后的除水、冷冻、启动发电。
1)停机后的除水
空气循环泵(18)对脱水空气循环系统空气提供循环作用，空气入堆升温器(25)对空气升温至模拟条件的空气进堆温度，空气流量计(24)计量流量，空气入堆温湿度压力计(27)检测温度、湿度和压力，并以该温度、压力和流量控制空气入堆升温器(25)的加热，空气经过空气入堆口(28)进入电堆(2)。
系统设置电堆(2)的温度由冷却液循环系统确定，高于脱水空气循环系统空气温度3～5℃，空气经过电堆(2)传热并带走电堆(2)的水份，在空气出堆口(4)出电堆(2)，空气出堆温湿度压力计(5)检测温度、湿度和压力，空气出堆降温器(7)将空气降温，空气降温温度计(13)检测降温出口温度，并以此温度对比设定的降温后的温度，控制空气出口降温器(7)的冷却水流量，空气降温出现冷凝水收集在分水器(16)中，对分水器(16)收集水速度进行常规技术计量，比如与时间相关的重量称量、体积称量，手动或自动。
由于本发明的目的是，建立一种可控的温度、压力、湿度的测试条件，对冬季的自然环境气候条件，包括高海拔低气压条件进行模拟，因此，上述脱水操作包括不同的气压条件下进行的测试，从电堆运行压力向模拟高原高空的低气压分次逐渐降低，对应的冷却液温度逐渐降低，具体测试条件及测试结果如表1所示。
流程中，具有入堆升温器，控制入堆循环空气的温度预热介于电堆温度和降温器温度之间，冷却循环水对电堆和经过电堆的空气继续加热，对水提供蒸发热。
由表1可知，环境压力下，出堆空气经过比电堆温度低大约15℃的降温器，水汽冷凝到水汽压大约是电堆温度下的饱和蒸气压的50％，返回单堆后，从而可以维持循环空气在电堆内部温度下，保持质子交换膜在此种条件下通气进行相对湿度RH50％除水干燥。改变这种相对具体温度差数值的控制，可以得到另外一种操作结果，例如，采用降温器温度比该电堆温度的水的沸点低10℃，其它条件相同时，则该温度条件下进行的干燥强度比温差15℃干燥强度要更高，通过相同体积的空气所带走的水份要多，膜电极经受的考验和结果就应该不同。该条件的模拟环境气压与电堆温度控制条件的近似关系见下列表格，其它海拔或检测到的停机环境气压的运行温度则根据表格取常规插值计算方法确定，如三次样条插值方法。
表1：模拟环境气压与电堆温度控制条件关系
冷却液入堆温度计(8)与冷却液出堆温度计(23)检测温度之差，乘以冷却液流量计(12)检测流量，得到冷却液循环的热量损失，该损失主要用于电堆(2)水汽蒸发，对于冷却液变流量的过程，使用常规的积分方式计算热量，此处不做详述。该数据以及运行采用的压力变化和时间进程，用于采用冷却循环液的可用的停机热量进行电堆干燥，即干燥使用的冷却液可用的最低温度以及进出温差带来的热量值。所述近似，是指真实发动机系统的冷却管路和泵阀等有散热、停止散热风扇转动的风冷冷却器继续有散热、电堆本身具有一定热容、循环空气也有一定热量交换等做简化忽略，以实际的冷却循环液的热容为主，并且实际不需要对这些相关内容做详细区分，仅考察其共同的作用结果。
2)冷冻
完成上述操作后，对电堆(2)进行冷冻操作，将冷液入堆切换阀(9)、冷液出堆切换阀(22)切换至冷冻液循环供冷系统(32)，使电堆(2)内部降温至本次设定温度。同时，环境舱(1)温度同步调节至冷冻液入口温度，最终温度是设定的电堆相同温度。未达到当前电堆设定温度，即高于电堆设定温度时，冷冻液入口温度为当前出口温度实际测量值以下1～5℃，出口温度达到设定冷冻温度后以上1～2℃时，通入的冷冻液温度为本次电堆设定温度，继续保持一定时间冷冻运行，该时间优选为已完成冷冻时间的1/3至1/4，并且总时间不低于1小时。
温度的设定方法是，从设定检测温度，即本次的电堆冷冻温度设定值，该温度降低到0℃开始，每降低一定温度，例如5℃，完成电堆(2)的一次低温启动发电检测。
3)启动发电
电堆(2)低温启动发电成功后，再进行下一个降温操作，即重复操作上述步骤1—2，先停机后的除水，然后冷冻，再次回到启动发电，直至达到系统设定的测试目标的最低温度或启动失败停止。如果进行到测试目标的最低值，则完成测试，性能通过，不再继续测试；如果没有达到最低温度值，发生中途的性能测试不通过，这时也停止；整个测试是多次的重复，逐渐从-5℃，达到-30℃或其它具体的预先选定值，中间的过程根据具体电堆已有已知的技术基础，可能从-10℃开始，也可能从-20℃开始，每次增加的降温值可能是-5℃，也可能是-10℃等根据电堆的选定值。
上述过程之后，测试结束，确定出待测电堆在该方法下的满足的环境低温和低压保存再启动的条件范围。该运行条件可以提供给使用该电堆的发动机系统，作为运行控制的条件参考。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造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创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.用于电堆停机干燥测试系统，其特征在于，系统由环境舱(1)、待测电堆(2)、氢气循环系统(30)、发电空气循环系统(31)、脱水空气循环系统、冷冻液循环供冷系统(32)、冷却液循环系统组成；
其中，待测电堆(2)放置在环境仓(1)内；氢气循环系统(30)、发电空气循环系统(31)分别与待测电堆(2)连接；
发电空气循环系统(31)通过空气入堆切换阀(26)、空气出堆切换阀(6)，与脱水空气循环系统进行切换；
脱水空气循环系统包括管路上依次设置的空气循环泵(18)、空气流量计(24)、空气入堆升温器(25)、空气入堆切换阀(26)、空气入堆口(28)，空气入堆口(28)连接电堆(2)；电堆(2)还连接有空气出堆口(4)，从空气出堆口(4)连接管路上依次设置空气出堆切换阀(6)、空气出堆降温器(7)、分水器(16)，分水器(16)下游为空气循环泵(18)使脱水空气循环系统形成回路；
冷冻液循环供冷系统(32)用于电堆(2)的冷冻降温，通过冷液入堆切换阀(9)、冷液出堆切换阀(22)，与冷却液循环系统进行切换。
2.根据权利要求1所述的用于电堆停机干燥测试系统，其特征在于，在空气入堆切换阀(26)与空气入堆口(28)之间的管道上，安装有空气入堆温湿度压力计(27)，在空气出堆口(4)和空气出堆切换阀(6)之间的管道上，安装有空气出堆温湿度压力计(5)。
3.根据权利要求1所述的用于电堆停机干燥测试系统，其特征在于，脱水空气循环系统还具有分支管路，在分水器(16)与空气循环泵(18)之间，具有独立的开关阀(14)和补气泵(15)；在空气入堆切换阀(26)与空气入堆口(28)之间管路上还设有低压排放阀(17)，所述低压排放阀(17)一端位于环境仓(1)内部，另一端连接连减压罐；在空气出堆降温器(7)的下游设有空气降温温度计(13)。
4.根据权利要求1所述的用于电堆停机干燥测试系统，其特征在于，冷却液循环系统包括管路上依次设置冷却液循环泵(19)、冷却液流量计(12)、冷却液入堆升温器(10)、冷液入堆切换阀(9)、冷却液入堆口(3)，冷却液入堆口(3)连接电堆(2)；电堆(2)还连接有冷却液出堆口(29)，从冷却液出堆口(29)连接管路上依次设置冷液出堆切换阀(22)、冷却液降温器(21)、膨胀罐(20)，膨胀罐(20)下游为冷却液循环泵(19)使冷却液循环系统形成回路。
5.根据权利要求1所述的用于电堆停机干燥测试系统，其特征在于，在冷液入堆切换阀(9)和冷却液入堆口(3)之间的管路上，安装有冷却液入堆温度计(8)；在冷却液出堆口(29)和冷液出堆切换阀(22)之间的管路上，安装有冷却液出堆温度计(23)；在冷却液流量计(12)和冷却液入堆升温器(10)之间的管路上，设有冷却液泵后温度计(11)。
6.如权利要求1所述的用于电堆停机干燥测试系统的测试方法，其特征在于：
由环境舱(1)控制其内部的温度、湿度、压力、可燃气泄露报警、氧气浓度、照明；
氢气循环系统(30)在本系统中进行回流循环，并提供电堆(2)正常发电的氢气燃料；
发电空气循环系统(31)用于电堆(2)的正常发电，通过空气入堆切换阀(26)、空气出堆切换阀(6)，与本系统的脱水空气循环系统进行切换；
脱水空气由空气循环泵(18)、空气流量计(24)、空气入堆升温器(25)、空气入堆切换阀(26)进入环境舱(1)，从空气入堆口(28)进入电堆(2)的阴极空气腔，然后从空气出堆口(4)离开电堆(2)的阴极空气腔，经过空气出堆切换阀(6)、空气出堆降温器(7)、分水器(16)，返回空气循环泵(18)；
开关阀(14)用于脱水空气循环系统压力超过操作压力并超过环境气压时打开，排放一部分空气，达到操作设定过后，关闭。补气泵(15)用于脱水空气循环系统压力小于操作设定时，输入空气进行增压。低压排放阀(17)连接减压罐，在脱水空气循环系统压力需要从环境压力向模拟压力降低时开启，排放部分空气，达到操作设定值后关闭，该减压罐与环境舱(1)具有相同的气体压力条件，但是温度和湿度可以分别相同或不同；
冷冻液循环供冷系统(32)用于电堆(2)的冷冻降温，通过冷液入堆切换阀(9)、冷液出堆切换阀(22)，与本系统的冷却液循环系统进行切换；
冷却液由冷却液循环泵(19)、冷却液流量计(12)、冷却液入堆升温器(10)、冷液入堆切换阀(9)进入环境舱(1)，从冷却液入堆口(3)进入电堆(2)的冷却腔，然后从冷却液出堆口(29)离开电堆(2)的冷却腔，经过冷液出堆切换阀(22)、冷却液降温器(21)、膨胀罐(20)，返回冷却液循环泵(19)。
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