CN115575825A - 燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统和方法，该系统包括依次连接的气体预处理系统、流量控制器、并联的干气支路和湿气支路、温控系统、电堆进出口检测系统、尾排降温系统、背压阀系统和水气分离系统及湿气路压力补偿系统；所述的干气支路和湿气支路分别用于输送干气体和湿气体；所述的背压阀系统用于对整体系统压力进行控制；所述的水气分离系统用于对尾排液态水进行分离；所述的湿气路压力补偿系统作用于湿气支路上用于对湿气支路压力补偿。与现有技术相比，本发明具有保证了整体测试时干湿切换及稳态运行时的压力稳定，并能同时精确控制整体测试的流量、温度和湿度等优点。

Description

燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统和方法

技术领域

本发明涉及燃料电池电堆测试领域，尤其是涉及一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统和方法。

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。

其中燃料电池电堆寿命测试时经常需要干气湿气切换，但是在通过现有燃料电池电堆测试设备进行干湿切换测试时，容易出现由于加湿罐体积过大，出现干气切换湿气时压力波动过大而且欠气，使测试结果不够准确而且容易对燃料电池电堆造成损伤；而且在希望进行纯干气测试状态下，加湿路未与干气路完全隔离，造成气体仍有湿度的情况，影响测试结果。

在进行寿命加速测试时，经常需要干湿切换并且切换后改变压力，干气支路整体容积腔较小，在从湿气体切换至干气体时，压力波动可忽略不计，对电堆测试影响也很小。在干气体切换至湿气体时，由于加湿系统的加湿罐内容积腔较大，如果在干气体时进行过压力调节，切换后整体压力波动较大，可能造成单片电压过低或者欠气情况。例如10kW电堆测试时，此时氢气流量约为240NLPM(4L/s)，如干气进气压力为200kPa，加湿罐内原压力为100kPa，容积腔为40L，在不考虑电堆内消耗和排放的前提下，整体压力需要10s从100kPa补偿至200kPa，容易造成电堆单片电压较低降载关机。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，用于稳定测试时干湿切换及稳态运行时的压力，所述的气路干湿切换及压力稳定系统包括依次连接的气体预处理系统、流量控制器、并联的干气支路和湿气支路、温控系统、电堆进出口检测系统、尾排降温系统、背压阀系统和水气分离系统及湿气路压力补偿系统；

所述的气体预处理系统用于对气体杂质进行过滤；所述的流量控制器用于控制气体流量；所述的干气支路和湿气支路分别用于输送干气体和湿气体；所述的温控系统用于控制进堆气体温度；所述的电堆进出口检测系统用于检测被测件电堆进出口的气体温度和压力；所述的尾排降温系统用于对尾排气体进行降温；所述的背压阀系统用于对整体系统压力进行控制；所述的水气分离系统用于对尾排液态水进行分离；所述的湿气路压力补偿系统作用于湿气支路上用于对湿气支路压力补偿。

作为优选的技术方案，所述的气体预处理系统包括氢气输送管和设置在氢气输送管上的减压阀、过滤器和电磁阀。

作为优选的技术方案，所述的干气支路包括用于控制测试台切换至干气体的干气支路控制电磁阀。

作为优选的技术方案，所述的湿气支路包括依次连接的湿气入口电磁阀、加湿系统、加湿系统出口压力传感器和湿气出口电磁阀；

所述的湿气入口电磁阀和湿气出口电磁阀用于控制湿气开关；所述的加湿系统用于对气体进行加湿；所述的加湿系统出口压力传感器用于检测加湿系统出口压力。

作为优选的技术方案，所述的湿气路压力补偿系统包括湿气路压力补偿补气电磁阀和湿气路压力补偿排气电磁阀；

所述的气体预处理系统通过湿气路压力补偿补气电磁阀连接加湿系统，用于对加湿系统进行补气；所述的加湿系统通过湿气路压力补偿排气电磁阀连接背压阀系统，用于对加湿系统进行排气。

作为优选的技术方案，所述的湿气路压力补偿系统还包括湿气路压力补偿流量控制器，所述的湿气路压力补偿流量控制器安装于气体预处理系统和湿气路压力补偿补气电磁阀之间，用于控制加湿系统气体压力补偿。

作为优选的技术方案，所述的温控系统包括加热器、温度传感器和板式换热器，用于对气体进行升温和精确温度控制。

作为优选的技术方案，所述的电堆进出口检测系统包括被测件入口压力传感器、被测件入口温度传感器、被测件出口温度传感器和被测件出口压力传感器；

所述的被测件入口压力传感器和被测件入口温度传感器依次连接于电堆入口处，用于检测被测件电堆进口的气体压力和温度；所述的被测件入口压力传感器和被测件入口温度传感器依次连接于电堆入口处，用于检测被测件电堆进口的气体压力和温度；所述的被测件出口温度传感器和被测件出口压力传感器依次连接于电堆出口处，用于检测被测件电堆进口的气体温度和压力。

作为优选的技术方案，所述的尾排降温系统包括板式换热器、球阀和温度传感器；所述的背压阀系统包括背压阀、电气比例阀、缓冲罐和调压阀；所述的水气分离系统包括水汽分离罐、液位传感器和电磁阀。

根据本发明的另一个方面，提供了一种采用所述的燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、首先根据控制系统自学习功能，记录不同流量下被测件入口压力传感器和加湿系统出口压力传感器的差值；

步骤2、在使用时，若干气压力高于湿气压力时，开启湿气路压力补偿补气电磁阀同时控制湿气路压力补偿流量控制器以较小流量向内补气，根据步骤1记录的差值，使加湿系统出口压力传感器达到高于干气压力的压力值；

步骤3、在使用时，若干气压力远低于湿气压力时，开启湿气路压力补偿排气电磁阀向外排气，根据步骤1记录的差值，使加湿系统出口压力传感器达到略高于干气压力的压力值；

步骤4、通过湿气路压力补偿补气电磁阀和湿气路压力补偿排气电磁阀的高频开启和关闭，精确修正压力值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、提出了一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统。

2、在保证了压力稳定的前提下，在切换回路时仍保证了温度不波动。

3、除控制压力外，也包含流量控制、湿度控制和温度控制功能。

附图说明

图1为本发明的压力稳定系统的结构示意图。

其中1为气体预处理系统，2为流量控制器，3为干气支路，4为湿气支路，5为温控系统，6为电堆进出口检测系统，7为尾排降温系统，8为背压阀系统，9为水气分离系统，10为湿气路压力补偿系统，31为干气支路控制电磁阀，41为湿气入口电磁阀，42为加湿系统，43为加湿系统出口压力传感器，44为湿气出口电磁阀，1001为湿气路压力补偿补气电磁阀，1002为湿气路压力补偿排气电磁阀，1003为湿气路压力补偿流量控制器，61为被测件入口压力传感器，62为被测件入口温度传感器，63为被测件出口温度传感器，64为被测件出口压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明系统由气体预处理系统、流量控制器、干气支路、湿气支路、温控系统、电堆进出口检测系统、尾排降温系统、背压阀系统、水气分离系统、湿气路压力补偿系统组成；如图1所示，一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，用于稳定测试时干湿切换及稳态运行时的压力，所述的气路干湿切换及压力稳定系统包括依次连接的气体预处理系统1、流量控制器2、并联的干气支路3和湿气支路4、温控系统5、电堆进出口检测系统6、尾排降温系统7、背压阀系统8和水气分离系统9及湿气路压力补偿系统10，所述的湿气路压力补偿系统10作用于湿气支路4上用于对湿气支路4压力补偿；所述的气体预处理系统用于对气体杂质进行过滤；所述的流量控制器用于控制气体流量；所述的干气支路3和湿气支路4分别用于输送干气体和湿气体；所述的温控系统5用于控制进堆气体温度；所述的电堆进出口检测系统6用于检测被测件电堆进出口的气体温度和压力；所述的尾排降温系统7用于对尾排气体进行降温；所述的背压阀系统8用于对整体系统压力进行控制；所述的水气分离系统9用于对尾排液态水进行分离。

所述的气体预处理系统1包括氢气输送管和设置在氢气输送管上的减压阀、过滤器和电磁阀。所述的干气支路3包括干气支路控制电磁阀31，所述的干气支路控制电磁阀31用于控制测试台切换至干气体。

所述的湿气支路4包括依次连接的湿气入口电磁阀41、加湿系统42、加湿系统出口压力传感器43和湿气出口电磁阀44，所述的湿气入口电磁阀41和湿气出口电磁阀44用于控制湿气开关；所述的加湿系统42用于对气体进行加湿；所述的加湿系统出口压力传感器43用于检测加湿系统出口压力。

所述的湿气路压力补偿系统10包括湿气路压力补偿补气电磁阀1001和湿气路压力补偿排气电磁阀1002，所述的气体预处理系统1通过湿气路压力补偿补气电磁阀1001连接加湿系统42，用于对加湿系统42进行补气；所述的加湿系统42通过湿气路压力补偿排气电磁阀1002连接背压阀系统8，用于对加湿系统42进行排气。

所述的湿气路压力补偿系统10还包括湿气路压力补偿流量控制器1003，所述的湿气路压力补偿流量控制器1003安装于气体预处理系统1和湿气路压力补偿补气电磁阀1001之间，用于控制加湿系统气体压力补偿。也可删除湿气路压力补偿流量控制器1003达到节省成本的目的。

所述的温控系统5包括加热器、温度传感器和板式换热器，用于对气体进行升温和精确温度控制。

所述的电堆进出口检测系统6包括被测件入口压力传感器61、被测件入口温度传感器62、被测件出口温度传感器63和被测件出口压力传感器64，所述的被测件入口压力传感器61和被测件入口温度传感器62依次连接于电堆入口处，用于检测被测件电堆进口的气体压力和温度；所述的被测件入口压力传感器61和被测件入口温度传感器62依次连接于电堆入口处，用于检测被测件电堆进口的气体压力和温度；所述的被测件出口温度传感器63和被测件出口压力传感器64依次连接于电堆出口处，用于检测被测件电堆进口的气体温度和压力。

所述的尾排降温系统7包括板式换热器、球阀和温度传感器。所述的背压阀系统8包括背压阀、电气比例阀、缓冲罐和调压阀。所述的水气分离系统9包括水汽分离罐、液位传感器和电磁阀。

本发明采用所述的燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、首先根据控制系统自学习功能，记录不同流量下被测件入口压力传感器61和加湿系统出口压力传感器43的差值(由于不同流量下不同压力损失，被测件入口压力传感器61一般略低于加湿系统出口压力传感器43)；

步骤2、在实际使用时，干气压力高于湿气压力时，开启湿气路压力补偿补气电磁阀1001同时控制湿气路压力补偿流量控制器1003以较小流量向内补气，根据步骤1记录的差值，使加湿系统出口压力传感器43达到略高于干气压力的压力值；

步骤3、在实际使用时，干气压力远低于湿气压力时，开启湿气路压力补偿排气电磁阀1002向外排气，根据步骤1记录的差值，使加湿系统出口压力传感器43达到略高于干气压力的压力值；

步骤4、可通过湿气路压力补偿补气电磁阀1001和湿气路压力补偿排气电磁阀1002的高频开启和关闭，精确修正压力值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，用于稳定测试时干湿切换及稳态运行时的压力，其特征在于，所述的气路干湿切换及压力稳定系统包括依次连接的气体预处理系统(1)、流量控制器(2)、并联的干气支路(3)和湿气支路(4)、温控系统(5)、电堆进出口检测系统(6)、尾排降温系统(7)、背压阀系统(8)和水气分离系统(9)及湿气路压力补偿系统(10)；

所述的气体预处理系统(1)用于对气体杂质进行过滤；所述的流量控制器(2)用于控制气体流量；所述的干气支路(3)和湿气支路(4)分别用于输送干气体和湿气体；所述的温控系统(5)用于控制进堆气体温度；所述的电堆进出口检测系统(6)用于检测被测件电堆进出口的气体温度和压力；所述的尾排降温系统(7)用于对尾排气体进行降温；所述的背压阀系统(8)用于对整体系统压力进行控制；所述的水气分离系统(9)用于对尾排液态水进行分离；所述的湿气路压力补偿系统(10)作用于湿气支路(4)上用于对湿气支路(4)压力补偿。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，其特征在于，所述的气体预处理系统(1)包括氢气输送管和设置在氢气输送管上的减压阀、过滤器和电磁阀。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，其特征在于，所述的干气支路(3)包括用于控制测试台切换至干气体的干气支路控制电磁阀(31)。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，其特征在于，所述的湿气支路(4)包括依次连接的湿气入口电磁阀(41)、加湿系统(42)、加湿系统出口压力传感器(43)和湿气出口电磁阀(44)；

所述的湿气入口电磁阀(41)和湿气出口电磁阀(44)用于控制湿气开关；所述的加湿系统(42)用于对气体进行加湿；所述的加湿系统出口压力传感器(43)用于检测加湿系统出口压力。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，其特征在于，所述的湿气路压力补偿系统(10)包括湿气路压力补偿补气电磁阀(1001)和湿气路压力补偿排气电磁阀(1002)；

所述的气体预处理系统(1)通过湿气路压力补偿补气电磁阀(1001)连接加湿系统(42)，用于对加湿系统(42)进行补气；所述的加湿系统(42)通过湿气路压力补偿排气电磁阀(1002)连接背压阀系统(8)，用于对加湿系统(42)进行排气。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，其特征在于，所述的湿气路压力补偿系统(10)还包括湿气路压力补偿流量控制器(1003)，所述的湿气路压力补偿流量控制器(1003)安装于气体预处理系统(1)和湿气路压力补偿补气电磁阀(1001)之间，用于控制加湿系统气体压力补偿。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，其特征在于，所述的温控系统(5)包括加热器、温度传感器和板式换热器，用于对气体进行升温和精确温度控制。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，其特征在于，所述的电堆进出口检测系统(6)包括被测件入口压力传感器(61)、被测件入口温度传感器(62)、被测件出口温度传感器(63)和被测件出口压力传感器(64)；

所述的被测件入口压力传感器(61)和被测件入口温度传感器(62)依次连接于电堆入口处，用于检测被测件电堆进口的气体压力和温度；所述的被测件入口压力传感器(61)和被测件入口温度传感器(62)依次连接于电堆入口处，用于检测被测件电堆进口的气体压力和温度；所述的被测件出口温度传感器(63)和被测件出口压力传感器(64)依次连接于电堆出口处，用于检测被测件电堆进口的气体温度和压力。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统，其特征在于，所述的尾排降温系统(7)包括板式换热器、球阀和温度传感器；所述的背压阀系统(8)包括背压阀、电气比例阀、缓冲罐和调压阀；所述的水气分离系统(9)包括水汽分离罐、液位传感器和电磁阀。

10.一种采用权利要求1-9中任一所述的燃料电池电堆测试的气路干湿切换及压力稳定系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、首先根据控制系统自学习功能，记录不同流量下被测件入口压力传感器(61)和加湿系统出口压力传感器(43)的差值；

步骤2、在使用时，若干气压力高于湿气压力时，开启湿气路压力补偿补气电磁阀(1001)同时控制湿气路压力补偿流量控制器(1003)以较小流量向内补气，根据步骤1记录的差值，使加湿系统出口压力传感器(43)达到高于干气压力的压力值；

步骤3、在使用时，若干气压力远低于湿气压力时，开启湿气路压力补偿排气电磁阀(1002)向外排气，根据步骤1记录的差值，使加湿系统出口压力传感器(43)达到略高于干气压力的压力值；

步骤4、通过湿气路压力补偿补气电磁阀(1001)和湿气路压力补偿排气电磁阀(1002)的高频开启和关闭，精确修正压力值。

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