CN116154221B - 一种氢气循环回收系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢气循环回收系统的控制方法，所述系统包括加湿器、气体控温组件、气液分离器、流量计、循环泵组以及目标气体循环量控制模块，加湿器的气体入口接收氢气，加湿器的气体出口与燃料电池的阳极入口连通且连接管道上设置气体控温组件，燃料电池的阳极出口通过管路与气液分离器的气体入口连通，气液分离器的气体出口经过流量计与循环泵组的气体入口通过管路连通，循环泵组的气体出口分别与加湿器的气体入口以及燃料电池的阳极入口通过管路连通；目标气体循环量控制模块计算目标气体循环量并接收流量计测量的实际循环量，实现对循环泵组的转速的PID调节；本发明的优点在于：能够精确进行循环量的控制。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，更具体涉及一种氢气循环回收系统的控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种清洁的新能源，具有转换效率高、无污染等优点，有广泛的应用前景，是一种理想的清洁能源。燃料电池在运行中会产生大量反应水，在阳极流道中聚集，会造成电堆“水淹”，电堆性能下降，需及时的将水排出，同时为了提高燃料电池的反应效率，一般，燃料电池的氢气供给量大于氢气的理论消耗量。如果不做氢气循环，将这些过量供应的氢气直接随尾气排放，会造成氢气的大量浪费。因此氢气循环系统开发至关重要。
中国专利申请授权公告号CN218215380U，公开了一种燃料电池电堆测试平台，包括燃料电池电堆，具有阳极入口和阳极出口，所述燃料电池电堆的阳极入口方向设有气体加湿器，所述燃料电池电堆的阳极出口方向设有水气分离器，所述水气分离器具有水排出口和气排出口，所述水气分离器的气排出口方向设有氢气循环泵，所述水气分离器与所述氢气循环泵之间设有旁支路，所述旁支路设有阳极排放阀，所述氢气循环泵与所述气体加湿器连通并能将氢气输送至所述气体加湿器中。该专利申请的燃料电池电堆测试平台实现了氢气循环，能够减少氢气的浪费，提高氢气的利用率，降低生产成本，并且反应水从水排出口排出设备，避免了反应水在阳极流道中聚集，避免造成电堆“水淹”，从而避免电堆性能下降，其还通过气体加湿器的设置有效控制电堆入口的气体湿度。但是其电堆入口气体温度不可控，无法精确的测试燃料电池在不同温度、湿度下的性能，并且采用氢循环泵进行循环流量调节，无法精确进行循环量的控制。
中国专利申请公开号CN112234228A公开了一种车载燃料电池氢气管路吹扫系统及方法，其设置温湿度传感器，能够测试燃料电池在不同温度、湿度下的性能，并且其在氢气回路管道上设有氢气循环装置，实现氢气循环，但是其仍然无法精确进行循环量的控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术燃料电池氢气循环系统无法精确进行循环量的控制。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种氢气循环回收系统，包括加湿器(1)、气体控温组件(2)、气液分离器(8)、流量计(12)、循环泵组(13)以及目标气体循环量控制模块，所述加湿器(1)的气体入口接收氢气，加湿器(1)的气体出口与燃料电池(5)的阳极入口连通且连接管道上设置气体控温组件(2)，燃料电池(5)的阳极出口通过管路与气液分离器(8)的气体入口连通，气液分离器(8)的气体出口经过流量计(12)与循环泵组(13)的气体入口通过管路连通，循环泵组(13)的气体出口分别与加湿器(1)的气体入口以及燃料电池(5)的阳极入口通过管路连通，所述目标气体循环量控制模块计算目标气体循环量并接收流量计(12)测量的实际循环量进行两者的偏差计算，根据偏差计算结果控制循环泵组(13)的转速，从而实现对循环泵组(13)的转速的PID调节。
有益效果：本发明设置目标气体循环量控制模块，计算目标气体循环量并接收流量计(12)测量的实际循环量进行两者的偏差计算，根据偏差计算结果控制循环泵组(13)的转速，从而实现对循环泵组(13)的转速的PID调节，从而能够精确进行循环量的控制。
进一步地，所述氢气循环回收系统还包括第一温度传感器(3)、第一压力传感器(4)、第二温度传感器(6)以及第二压力传感器(7)，所述第一温度传感器(3)和第一压力传感器(4)均设置在燃料电池(5)的阳极入口所在管路上且与目标气体循环量控制模块的信号采集端口连接，所述第二温度传感器(6)以及第二压力传感器(7)均设置在燃料电池(5)的阳极出口所在管路上且与目标气体循环量控制模块的信号采集端口连接。
进一步地，所述氢气循环回收系统还包括排水电磁阀(9)，所述排水电磁阀(9)连接在所述气液分离器(8)的排水口。
更进一步地，所述氢气循环回收系统还包括液位传感器(10)以及上位机，所述液位传感器(10)安装于所述气液分离器(8)内，并且排水电磁阀(9)以及液位传感器(10)均与上位机电连接。
进一步地，所述氢气循环回收系统还包括脉冲排气电磁阀(11)，所述气液分离器(8)的气体出口与氢气尾排管道连通且管道上设置脉冲排气电磁阀(11)。
进一步地，所述氢气循环回收系统还包括止回阀(14)，所述循环泵组(13)的气体出口设置止回阀(14)。
进一步地，所述氢气循环回收系统还包括第一电磁阀(15)和第二电磁阀(16)，所述循环泵组(13)的气体出口与加湿器(1)的气体入口的连接管道上设置第一电磁阀(15)，所述循环泵组(13)的气体出口与燃料电池(5)的阳极入口的连接管路上设置第二电磁阀(16)。
进一步地，所述氢气循环回收系统还包括湿度传感器(17)，所述湿度传感器(17)设置在气液分离器(8)的气体出口与流量计(12)的管路上，所述湿度传感器(17)与加湿器(1)内部的湿度控制器电连接，还与目标气体循环量控制模块的信号采集端口连接。
本发明还提供一种氢气循环回收系统的控制方法，所述方法包括：
所述目标气体循环量控制模块计算目标气体循环量并接收流量计(12)测量的实际循环量进行两者的偏差计算，根据偏差计算结果控制循环泵组(13)的转速，从而实现对循环泵组(13)的转速的PID调节。
进一步地，所述目标气体循环量控制模块的工作逻辑为：
根据预设的计量比以及氢气消耗量计算需求循环氢气量，所述计量比为输入到加湿器(1)的氢气总量与氢气消耗量的比值；
根据燃料电池(5)的阳极入口的循环气体温度和压力以及燃料电池(5)的阳极出口的循环气体温度、压力以及湿度，计算循环气体氢气组分占比；
根据需求循环氢气量以及循环气体氢气组分占比计算目标气体循环量；
将目标气体循环量与流量计(12)测量的实际循环量比较，目标气体循环量大于实际循环量时，控制循环泵组(13)的转速增大第一预设量，目标气体循环量小于实际循环量时，控制循环泵组(13)的转速减小第二预设量，实现PID调节。
本发明的优点在于：
(1)本发明设置目标气体循环量控制模块，计算目标气体循环量并接收流量计(12)测量的实际循环量进行两者的偏差计算，根据偏差计算结果控制循环泵组(13)的转速，从而实现对循环泵组(13)的转速的PID调节，从而能够精确进行循环量的控制。
(2)本发明设置液位传感器(10)，液位传感器安装于气液分离器(8)上，进行气液分离液位监测，当液位高时，开启排水电磁阀(9)，液位正常时关闭排水电磁阀(9)，避免因为液位过高而损坏器件，也避免液位过低无法正常工作。
(3)本发明还设置脉冲排气电磁阀(11)，脉冲排气电磁阀(11)进口与气液分离器(8)出口管道连接，用于对系统内杂质气体排放。
(4)本发明还设置止回阀(14)，安装于循环泵组(13)出口管道，用于循环气体的单向流通。
(5)本发明的目标气体循环量控制模块能够根据计量比和氢气消耗量计算出循环氢气的量，还根据循环气体湿度、温度、流量及压力等计算出目标循环气体量，进而调节循环泵组转速，实现氢气循环计量控制，有助于开展不同氢气循环计量比下的性能测试。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种氢气循环回收系统的原理图；
图2为本发明实施例所公开的一种氢气循环回收系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
如图1所示，一种氢气循环回收系统，包括加湿器1、气体控温组件2、第一温度传感器3、第一压力传感器4、第二温度传感器6、第二压力传感器7、气液分离器8、排水电磁阀9、液位传感器10、上位机(图未示)、脉冲排气电磁阀11、流量计12、循环泵组13、止回阀14、第一电磁阀15、第二电磁阀16、湿度传感器17以及目标气体循环量控制模块。
所述加湿器1的气体入口接收氢气，加湿器1用于循环气体湿度调节控制。加湿器1的气体出口与燃料电池5的阳极入口连通且连接管道上设置气体控温组件2，气体控温组件2用于循环气体温度调节控制。所述第一温度传感器3和第一压力传感器4均设置在燃料电池5的阳极入口所在管路上且与目标气体循环量控制模块的信号采集端口连接，便于后续目标气体循环量的计算。
所述第二温度传感器6以及第二压力传感器7均设置在燃料电池5的阳极出口所在管路上且与目标气体循环量控制模块的信号采集端口连接。燃料电池5的阳极出口通过管路与气液分离器8的气体入口连通。气液分离器8用于对燃料电池5阳极出口气体进行气液分离。
所述排水电磁阀9安装于气液分离器8下方且排水电磁阀9连接在所述气液分离器8的排水口。所述液位传感器10安装于所述气液分离器8内，并且排水电磁阀9以及液位传感器10均与上位机电连接。通过液位传感器10进行气液分离液位监测，监测的结果被上位机采集，上位机内置了预设的正常液位，当液位高时，上位机控制开启排水电磁阀9，液位正常时上位机控制关闭排水电磁阀9。
所述气液分离器8的气体出口与氢气尾排管道连通且管道上设置脉冲排气电磁阀11，脉冲排气电磁阀11用于对系统内杂质气体排放。
气液分离器8的气体出口经过流量计12与循环泵组13的气体入口通过管路连通，流量计12采用涡街或旋进漩涡流量计，用于对循环的混合气体体积进行测量，布置于气液分离器8的出口上方。循环泵组13由单个或多个氢气循环泵组成，根据使用工况条件进行泵组串联、并联组合搭配，适用各循环流量以及循环压升工况的需求。循环泵组13配有循环泵控制器，用于改变循环泵转速，调节循环流量。
所述湿度传感器17设置在气液分离器8的气体出口与流量计12的管路上，湿度传感器17用于气体湿度的测量，所述湿度传感器17与加湿器1内部的湿度控制器电连接，湿度控制器采集到湿度传感器17检测的湿度以后与其内置的湿度值进行比较，如果检测值低于内置的湿度值则控制加湿器1提高水分比，从而加大湿度，反之控制加湿器1降低湿度值，湿度传感器17还与目标气体循环量控制模块的信号采集端口连接，便于后续对循环气体氢气组分占比的计算。
所述循环泵组13的气体出口设置止回阀14，用于循环气体的单向流通。循环泵组13的气体出口分别与加湿器1的气体入口以及燃料电池5的阳极入口通过管路连通，所述循环泵组13的气体出口与加湿器1的气体入口的连接管道上设置第一电磁阀15，所述循环泵组13的气体出口与燃料电池5的阳极入口的连接管路上设置第二电磁阀16。第一电磁阀15和第二电磁阀16的进口均与止回阀14的出口连通，第一电磁阀15和第二电磁阀16用于进行循环气体回流位置切换，进行不同的测试。
所述目标气体循环量控制模块计算目标气体循环量并接收流量计12测量的实际循环量进行两者的偏差计算，根据偏差计算结果控制循环泵组13的转速，从而实现对循环泵组13的转速的PID调节。具体如图2所示，所述目标气体循环量控制模块的工作逻辑为：
S1、根据预设的计量比以及氢气消耗量计算需求循环氢气量，所述计量比为输入到加湿器1的氢气总量与氢气消耗量的比值；比如计量比是4：1，氢气消耗量为100，那么根据计量比和氢气消耗量能够计算得出需求循环氢气量为400。
S2、根据燃料电池5的阳极入口的循环气体温度和压力以及燃料电池5的阳极出口的循环气体温度、压力以及湿度，计算循环气体氢气组分占比；
ew＝ews*RH (2)
其中，ews为饱和蒸气压(单位hPa)，ew为蒸气压(单位hPa)，T为测量温度(单位K)，T1为标准状态温度(单位K)，且T1＝273.15，P为压力(单位hPa)，RH为相对湿度(单位％)；X为氢气与蒸气体积比也即循环气体氢气组分占比，C1至C7均为常数，C1＝0.107 957 4×102，C2＝-0.502 8×10，C3＝0.150 475×10-3，C4＝0.428 73×10-3，C5＝0.786 14，C6＝-0.829 69×10，C7＝0.476 955×10。
由测量温度、相对湿度以及压力，根据世界气象组织推荐的Goff-Gratch公式(1)计算出当前温度的饱和蒸气压压，根据公式(2)(3)可以计算出循环气体氢气组分与水蒸气组分的体积比。
S3、根据需求循环氢气量以及循环气体氢气组分占比计算目标气体循环量；比如需求循环氢气量为400，循环气体氢气组分占比是1:3，其中1表示的是氢气占比，3表示的是蒸气体积的占比，从而根据1:3这个占比以及循环氢气量为400能够计算得出目标气体循环量，也即400的氢气量，1200的蒸气体积，实际应用中还可以是其他多种气体的组合，这里只是便于理解而给出一个简单的实例。
S4、将目标气体循环量与流量计12测量的实际循环量比较，目标气体循环量大于实际循环量时，控制循环泵组13的转速增大第一预设量，目标气体循环量小于实际循环量时，控制循环泵组13的转速减小第二预设量，实现PID调节。对于第一预设量和第二预设量可以在实际应用中根据情况设定。
通过以上技术方案，本发明设置目标气体循环量控制模块，计算目标气体循环量并接收流量计12测量的实际循环量进行两者的偏差计算，根据偏差计算结果控制循环泵组13的转速，从而实现对循环泵组13的转速的PID调节，从而能够精确进行循环量的控制。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种氢气循环回收系统的控制方法，其特征在于，氢气循环回收系统包括加湿器(1)、气体控温组件(2)、气液分离器(8)、流量计(12)、循环泵组(13)以及目标气体循环量控制模块，所述加湿器(1)的气体入口接收氢气，加湿器(1)的气体出口与燃料电池(5)的阳极入口连通且连接管道上设置气体控温组件(2)，燃料电池(5)的阳极出口通过管路与气液分离器(8)的气体入口连通，气液分离器(8)的气体出口经过流量计(12)与循环泵组(13)的气体入口通过管路连通，循环泵组(13)的气体出口分别与加湿器(1)的气体入口以及燃料电池(5)的阳极入口通过管路连通，所述目标气体循环量控制模块计算目标气体循环量并接收流量计(12)测量的实际循环量进行两者的偏差计算，根据偏差计算结果控制循环泵组(13)的转速，从而实现对循环泵组(13)的转速的PID调节；
氢气循环回收系统的控制方法包括：所述目标气体循环量控制模块计算目标气体循环量并接收流量计(12)测量的实际循环量进行两者的偏差计算，根据偏差计算结果控制循环泵组(13)的转速，从而实现对循环泵组(13)的转速的PID调节；
所述目标气体循环量控制模块的工作逻辑为：根据预设的计量比以及氢气消耗量计算需求循环氢气量，所述计量比为输入到加湿器(1)的氢气总量与氢气消耗量的比值；
根据燃料电池(5)的阳极入口的循环气体温度和压力以及燃料电池(5)的阳极出口的循环气体温度、压力以及湿度，计算循环气体氢气组分占比；
根据需求循环氢气量以及循环气体氢气组分占比计算目标气体循环量；
将目标气体循环量与流量计(12)测量的实际循环量比较，目标气体循环量大于实际循环量时，控制循环泵组(13)的转速增大第一预设量，目标气体循环量小于实际循环量时，控制循环泵组(13)的转速减小第二预设量，实现PID调节。
2.根据权利要求1所述的一种氢气循环回收系统的控制方法，其特征在于，所述氢气循环回收系统还包括第一温度传感器(3)、第一压力传感器(4)、第二温度传感器(6)以及第二压力传感器(7)，所述第一温度传感器(3)和第一压力传感器(4)均设置在燃料电池(5)的阳极入口所在管路上且与目标气体循环量控制模块的信号采集端口连接，所述第二温度传感器(6)以及第二压力传感器(7)均设置在燃料电池(5)的阳极出口所在管路上且与目标气体循环量控制模块的信号采集端口连接。
3.根据权利要求1所述的一种氢气循环回收系统的控制方法，其特征在于，所述氢气循环回收系统还包括排水电磁阀(9)，所述排水电磁阀(9)连接在所述气液分离器(8)的排水口。
4.根据权利要求3所述的一种氢气循环回收系统的控制方法，其特征在于，所述氢气循环回收系统还包括液位传感器(10)以及上位机，所述液位传感器(10)安装于所述气液分离器(8)内，并且排水电磁阀(9)以及液位传感器(10)均与上位机电连接。
5.根据权利要求1所述的一种氢气循环回收系统的控制方法，其特征在于，所述氢气循环回收系统还包括脉冲排气电磁阀(11)，所述气液分离器(8)的气体出口与氢气尾排管道连通且管道上设置脉冲排气电磁阀(11)。
6.根据权利要求1所述的一种氢气循环回收系统的控制方法，其特征在于，所述氢气循环回收系统还包括止回阀(14)，所述循环泵组(13)的气体出口设置止回阀(14)。
7.根据权利要求1所述的一种氢气循环回收系统的控制方法，其特征在于，所述氢气循环回收系统还包括第一电磁阀(15)和第二电磁阀(16)，所述循环泵组(13)的气体出口与加湿器(1)的气体入口的连接管道上设置第一电磁阀(15)，所述循环泵组(13)的气体出口与燃料电池(5)的阳极入口的连接管路上设置第二电磁阀(16)。
8.根据权利要求1所述的一种氢气循环回收系统的控制方法，其特征在于，所述氢气循环回收系统还包括湿度传感器(17)，所述湿度传感器(17)设置在气液分离器(8)的气体出口与流量计(12)的管路上，所述湿度传感器(17)与加湿器(1)内部的湿度控制器电连接，还与目标气体循环量控制模块的信号采集端口连接。
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