CN114993717A - 一种燃料电池膜增湿器性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜增湿器性能测试装置，包括空气预处理系统、流量控制系统、空气预增温系统、膜增湿器及配套传感器系统、背压控制系统、尾排降温系统、水汽分离系统、回流流量分配系统、回流气体压力控制系统、回流气体温湿度控制系统以及电控系统；本发明能够精确模拟膜增湿器干侧前端的空滤和空压机增压增温效果，且精度高响应快；针对膜增湿器湿侧大流量下所需高温高湿气体的增湿能耗较大问题进行了优化，节省了能源消耗；针对大流量下尾排高温高湿气体降温冷凝所需冷却水量较大问题进行了优化，节省了能源消耗，同时大大减少了对设备和实验室对冷却水的需求。

Description

一种燃料电池膜增湿器性能测试装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜增湿器性能测试装置。
背景技术
燃料电池发动机作为一种新型的绿色动力源，因其所具有的高效率和低排放等优良特性，正逐渐成为车载发动机的研发重点之一。燃料电池发动机是基于负载的输出，对于整车而言具有良好的控制性；同时，燃料电池发动机的能量输出为电能，简化了传统汽车的传动和调速结构。尽管燃料电池发动机与内燃机相比具有众多优点，但是燃料电池发动机要取代内燃机成为汽车发动机的主流，还有许多问题需要解决。其中燃料电池发动机的核心部件膜增湿器的测试存在较大问题，目前没有一个较好的方案对膜增湿器在湿气体不同温度湿度流量下，对进堆气体的增湿能力验证，同时膜增湿器的干侧湿侧流阻同样影响到燃料电池发动机的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种克服现有技术存在的缺陷的燃料电池膜增湿器性能测试装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种燃料电池膜增湿器性能测试装置，包括对装置进行控制的电控系统以及依次连接的空气预处理系统、流量控制系统、空气预增温系统、尾排降温系统、水汽分离系统；所述膜增湿器系统的干侧空气进气管路与空气预增温系统连通，干侧空气出气管路与尾排降温系统连通；
所述膜增湿器系统的湿侧空气进气管路依次通过回流气体温湿度控制系统、回流气体压力控制系统以及回流流量分配系统再次与尾排降温系统连通；
所述膜增湿器系统的湿侧空气出气管路通过背压控制系统与回流流量分配系统连通。
本发明的有益效果在于：本申请能够精确控制膜增湿器湿侧所需的流量、压力、温度、湿度等参数，且精度高响应快；能够精确模拟膜增湿器干侧前端的空滤和空压机增压增温效果，且精度高响应快；针对膜增湿器湿侧大流量下所需高温高湿气体的增湿能耗较大问题进行了优化，节省了能源消耗；针对大流量下尾排高温高湿气体降温冷凝所需冷却水量较大问题进行了优化，节省了能源消耗，同时大大减少了对设备和实验室对冷却水的需求。
附图说明
图1为本方法具体实施方式的一种燃料电池膜增湿器性能测试装置的结构框图；
标号说明：1、空气预处理系统；2、流量控制系统；3、空气预增温系统；4、膜增湿器系统；5、背压控制系统；6、尾排降温系统；7、水汽分离系统；8、回流流量分配系统；9、回流气体压力控制系统；10、回流气体温湿度控制系统；11、电控系统；12、干侧空气进气管路；13、干侧空气出气管路；14、湿侧空气进气管路；15、湿侧空气出气管路。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，一种燃料电池膜增湿器性能测试装置，包括对装置进行控制的电控系统11以及依次连接的空气预处理系统1、流量控制系统2、空气预增温系统3、尾排降温系统6、水汽分离系统7；所述膜增湿器系统4的干侧空气进气管路12与空气预增温系统3连通，干侧空气出气管路13与尾排降温系统6连通；
所述膜增湿器系统4的湿侧空气进气管路14依次通过回流气体温湿度控制系统10、回流气体压力控制系统9以及回流流量分配系统8再次与尾排降温系统6连通；
所述膜增湿器系统4的湿侧空气出气管路15通过背压控制系统5与回流流量分配系统8连通。
进一步的，所述空气预处理系统1包括空气输送管和设置在空气输送管上的角座阀、电动减压阀、过滤器和单向阀。
进一步的，所述流量控制系统2包括空气输送管和设置在空气输送管上的比例阀和流量计或者使用质量流量控制器。
进一步的，所述的膜增湿器及配套传感器系统包括被测膜增湿器、干侧空气进气管路12和设置在干侧空气进气管路12上的流量计、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、干侧空气出气管路13和设置在干侧空气出气管路13上的温度传感器、湿度传感器、压力传感器、湿侧空气进气管路14和设置在湿侧空气进气管路14上的流量计、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、湿侧空气出气管路15和设置在湿侧空气出气管路15上的温度传感器、湿度传感器、压力传感器。
进一步的，所述背压控制系统5包括空气输送管和设置在空气输送管上的比例阀和比例阀前后端压力传感器。
进一步的，所述尾排降温系统6包括空气输送管和设置在空气输送管上的板式换热器、板式换热器冷侧的球阀和温度传感器、板式换热器热侧出口的温度传感器。
进一步的，所述水汽分离系统7包括空气输送管和设置在空气输送管上的水汽分离罐、高液位传感器、低液位传感器、排水球阀和自动排水电磁阀。
进一步的，所述回流流量分配系统8包括空气输送管和设置在空气输送管上的电动三通阀。
进一步的，所述回流气体压力控制系统9包括空气输送管和设置在空气输送管上的电动调压阀。
进一步的，所述的回流气体温湿度控制系统10包括空气输送管和设置在空气输送管上的喷淋式加湿罐及其配套循环动能装置和水温控制装置、气体加热器和各传感器。
进一步的，电控系统1111包括控制器、固态继电器以及接触器。
从上述描述可知，本申请能够精确控制膜增湿器湿侧所需的流量、压力、温度、湿度等参数，且精度高响应快；能够精确模拟膜增湿器干侧前端的空滤和空压机增压增温效果，且精度高响应快；针对膜增湿器湿侧大流量下所需高温高湿气体的增湿能耗较大问题进行了优化，节省了能源消耗；针对大流量下尾排高温高湿气体降温冷凝所需冷却水量较大问题进行了优化，节省了能源消耗，同时大大减少了对设备和实验室对冷却水的需求。
本申请的工作过程为：由空气预处理系统1对干空气进行过滤和减压等预处理，干空气的流量由流量控制系统2进行控制，干空气通过空气预增温系统3进行增温，模拟实际使用中气体过空压机和中冷器后的温度，被测膜增湿器在膜增湿器及配套传感器系统中进行测试，同时检测干气和湿气进出口参数，干气体通过膜增湿器及配套传感器系统后由背压控制系统5进行控压，通过尾排降温系统6进行降温冷凝，通过水汽分离系统7收集尾排水，尾排水会通过电磁阀和液位传感器控制进行自动排水，需要回流至膜增湿器湿侧的气体流量由回流流量分配系统8进行分配，由回流气体压力控制系统9进行压力控制，由回流气体温湿度控制系统10进行流量控制，电控系统11用于为装置的运行提供电能，并对各系统进行总控。
实施例一
一种燃料电池膜增湿器性能测试装置，设置在支撑框架上，所述装置包括空气预处理系统1、流量控制系统2、空气预增温系统3、膜增湿器及配套传感器系统、背压控制系统5、尾排降温系统6、水汽分离系统7、回流流量分配系统8、回流气体压力控制系统9、回流气体温湿度控制系统10以及电控系统11。
空气预处理系统1前端空气由实验室空压机提供，包括空气输送管和设置在空气输送管上的角座阀、电动减压阀和过滤器。主要用于提供合适压力的压缩空气至质量流量控制器，电动减压阀通过PID控制可以在任何流量下自动控制前端压力，由于质量流量控制器前后端压差不能过高，在小流量下，前端压力通过电动减压阀设置较低，减压阀可以提供相应的流量，但是在大流量下，减压阀自然压降和质量流量控制器自然压降较大，同时减压阀无法在小压力下提供较大流量，前端压力通过电动减压阀设置调高。过滤器可以过滤空气中的杂质，模拟发动机上的空气过滤器。
进一步地，所述的流量控制系统2包含质量流量控制器，质量流量控制器可以精确控制最终进堆流量。
进一步地，空气预增温系统3包含了大功率加热器和板式换热器，通过电力调功器可以精确控制气体加热器输出功率，使气体达到希望的预加热温度，如果有较小超调，可以通过板式换热器进行精确微调控温，使精度达到±1℃。
进一步地，膜增湿器及配套传感器系统分为干侧进出口传感器和湿侧进出口传感器，每个接口都包含了温度传感器、压力传感器和湿度传感器，能精确检测干侧气体经过膜增湿器后的状态和湿侧气体湿度温度损耗，从而精确测量出膜增湿器性能指标。
进一步地，所述的背压控制系统5包括比例阀和背压阀，在小流量下使用下的比例阀精确控压，在大流量下使用背压阀精确控压，保证每个流量段压力控制精度。
进一步地，尾排降温系统6包括板式换热器和相连的球阀，已经通过膜增湿器进行部分降温的尾排气体，在换热器内进行降温，使温度降至接近室温，这样尾气排放至实验室内管路时，不会出现大量的冷凝水。
进一步地，尾排水汽分离系统7包括水汽分离罐、电磁阀、球阀和液位传感器，水不停累积的同时，可通过高液位传感器进行检测，进行自动排水。
进一步地，回流流量分配系统8包括电动三通阀和流量计，电动三通阀入口连接背压控制系统5出口，出口1连接至尾排降温系统6，降温后排出，出口2连接至回流气体压力分配系统，流量计用于检测回流流量值，使用者可以设定计量比大小，软件计算出实际分流流量，通过流量计检测当前流量调节电动三通阀的开度，得到实际燃料电池电堆出口流量。
进一步地，回流气体压力控制系统9包括电动调压阀，通过使用者设定模拟实际燃料电池电堆出口压力。
进一步地，回流气体温湿度控制系统10包括加湿罐加湿系统和加热器。
作为优选的技术方案，所述的加湿罐设有液位传感器、补水电磁阀和排水电磁阀，在长时间持续工作后，气体带走大量水，可以通过液位计检测对加湿罐进行补水，通过加湿罐的气体均为100％RH湿度。加湿路温控系统由板式换热器、加热器以及相关传感器组成，升温或者维持稳定时通过PID算法控制加热器加热功率，通过板式换热器以及比例阀控制温度补偿，实现精确的水温控制。
作为优选的技术方案，各管路中还设有相应的过滤器、单向阀、调压阀、流量传感器、压力传感器、温度传感器、离子浓度传感器等常规管道配件。
在回流流量分配系统8中，默认空气中的氧气含量为21％，使用者设置空气计量比为2，设置流量10000SLPM，理论燃料电池电堆出口流量为：
10000-10000*21％/2＝8950SLPM
此时电动三通阀会自动调节开度，使回流流量为8950SLPM。
同理可计算使用者设置不同计量比和不同流量下回流流量大小，计量比设定值不得小于1。
实施例二
一种燃料电池膜增湿器性能测试装置，与实施例一相同之处不再赘述，其中回流气体温湿度控制系统10使用气体为已经通过膜增湿器增湿过的气体，在能耗上会大大减少。
加湿罐系统中，将系统考虑为绝热系统，输入热量为干空气Qair,in，补水Ql,in，电加热功率Wheat，考虑效率。输出热量为Q out，饱和湿空气，根据热平衡公式计算考核工况：
Qin＝Qout
Qin＝Qg，in+Ql，in+ηWheat
Qout＝Qg，out+Ql，out
Figure BDA0002957471960000061
Wheat：换热量(kW)；η：加热器效率；ωg：气体质量流量(kg/s)；ωl：气体加湿所带走的液态水质量流量(kg/s)；cP：气体定压比热(kJ/kg·℃)；ΔTg：气体温升(℃)；hv：露点温度下水蒸气焓值(kJ/kg)；hl：常温下液态水焓值(kJ/kg)
Figure BDA0002957471960000071
在这里引入湿含量的概念。湿含量为空气中水蒸气质量与绝干空气的质量之比，即：
ωl＝ωgH
如不使用已经通过膜增湿器增湿过的气体，可计算得出，20℃，8000SLPM空气增湿增温至90℃，100％RH湿气体，在入堆压力100kPa时，所需回流气体温湿度控制系统10提供的热量为174.4kW。
进一步的，使用已经通过膜增湿器增湿过的气体，膜加湿器系统中，通过选型膜加湿器，湿侧90℃的10000SLPM湿空气，可使干侧20℃，10000SLPM干气体升至40℃，60％RH湿度。
同时可计算得出，40℃，8000SLPM，60％RH空气增湿增温至90℃，100％RH湿气体，在入堆压力100kPa时，所需加湿路控温系统提供的热量为142.24kW。
可得出，使用已经通过膜增湿器增湿过的气体，回流气体温湿度控制系统10节能32.16kW，同理在尾排部分尾排降温系统6同样节能32.16kW。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，包括对装置进行控制的电控系统以及依次连接的空气预处理系统、流量控制系统、空气预增温系统、尾排降温系统、水汽分离系统；所述膜增湿器系统的干侧空气进气管路与空气预增温系统连通，干侧空气出气管路与尾排降温系统连通；
所述膜增湿器系统的湿侧空气进气管路依次通过回流气体温湿度控制系统、回流气体压力控制系统以及回流流量分配系统再次与尾排降温系统连通；
所述膜增湿器系统的湿侧空气出气管路通过背压控制系统与回流流量分配系统连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，所述空气预处理系统包括空气输送管和设置在空气输送管上的角座阀、电动减压阀、过滤器和单向阀。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，所述流量控制系统包括空气输送管和设置在空气输送管上的比例阀和流量计或者使用质量流量控制器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，所述的膜增湿器及配套传感器系统包括被测膜增湿器、干侧空气进气管路和设置在干侧空气进气管路上的流量计、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、干侧空气出气管路和设置在干侧空气出气管路上的温度传感器、湿度传感器、压力传感器、湿侧空气进气管路和设置在湿侧空气进气管路上的流量计、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、湿侧空气出气管路和设置在湿侧空气出气管路上的温度传感器、湿度传感器、压力传感器。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，所述背压控制系统包括空气输送管和设置在空气输送管上的比例阀和比例阀前后端压力传感器。
6.根据权利要求1所述的燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，所述尾排降温系统包括空气输送管和设置在空气输送管上的板式换热器、板式换热器冷侧的球阀和温度传感器、板式换热器热侧出口的温度传感器。
7.根据权利要求1所述的燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，所述水汽分离系统包括空气输送管和设置在空气输送管上的水汽分离罐、高液位传感器、低液位传感器、排水球阀和自动排水电磁阀。
8.根据权利要求1所述的燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，所述回流流量分配系统包括空气输送管和设置在空气输送管上的电动三通阀。
9.根据权利要求1所述的燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，所述回流气体压力控制系统包括空气输送管和设置在空气输送管上的电动调压阀。
10.根据权利要求1所述的燃料电池膜增湿器性能测试装置，其特征在于，所述的回流气体温湿度控制系统包括空气输送管和设置在空气输送管上的喷淋式加湿罐及其配套循环动能装置和水温控制装置、气体加热器和各传感器。
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