CN116995267A - 一种用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术标定通风流量时未考虑氢气泄露量增大的情况以及复杂多变环境因素影响的问题。该方法包括PACK、压缩空气源、压缩氢气源、第一调节阀、第二调节阀、第一流量计、第二流量计、氢气浓度传感器。PACK壳体上设置有电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口、氢气泄露进气口。电堆吹扫进气口依次经第一流量计、第一调节阀接压缩空气源。电堆吹扫出气口连通标定装置室外。氢气泄露进气口依次经第二流量计、第二调节阀接压缩氢气源。氢气泄露进气口布设于PACK上的低流速区域。氢气浓度传感器布设于PACK内多部位以测量PACK内的氢气浓度分布。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置。
背景技术
随着国家新能源政策的推广，氢燃料电池在汽车领域的应用更加广泛。电堆作为氢燃料电池系统的重要动力来源，直接影响氢燃料电池系统的性能和可靠性。电堆堆芯包含双极板、膜电极、极板及密封元件等，通过施加一定的压力封装在电堆PACK内。密封元件通常位于极板与极板间、极板与膜电极间，起到密封、绝缘、支撑和吸收振动冲击的作用。
电堆的工作环境包括干湿循环、酸性、气压波动、压缩多变、高低温等。复杂多变的环境导致密封元件的密封性能衰减，尤其是氢气外漏后会积聚在电堆内部，堆内高低压零部件存在爆炸风险。目前，主要通过通风吹扫稀释堆内氢气，避免危险的发生，通风流量是该方案的关键性因素。流量过大会导致空气需求量增加，影响发动机性能，并存在电堆壳体变形风险。流量过小，会导致氢气吹扫不充分，存在积聚风险。
现有通风流量标定方案是在电堆初始状态封装模块内氢气泄漏量很小的时期进行通风流量标定，未考虑氢气泄露量很大的湿气以及复杂多变环境的影响。随着燃料电池使用时间的增加，氢气泄漏量将逐步增加，对现有吹扫方案的要求将提升，现有吹扫方案将不能满足通风吹扫要求。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，用以解决现有技术标定通风流量时未考虑氢气泄露量增大的情况以及复杂多变环境因素影响的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，包括内置待标定电堆的PACK、压缩空气源、压缩氢气源、第一调节阀、第二调节阀、第一流量计、第二流量计，以及若干个氢气浓度传感器；
PACK的壳体上设置有电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口、氢气泄露进气口；所述电堆吹扫进气口依次经第一流量计、第一调节阀接压缩空气源；所述电堆吹扫出气口连通标定装置室外；所述氢气泄露进气口依次经第二流量计、第二调节阀接压缩氢气源；
氢气泄露进气口布设于PACK上的低流速区域；氢气浓度传感器布设于PACK内多个不同的部位，以测量PACK内的氢气浓度分布；低流速指区域内的气体流速不超过电堆吹扫进气口处压缩空气流速的20％。
上述技术方案的有益效果如下：提供了一种新的通风吹扫流量的标定装置，通过增加外接管路(氢气泄露进气口依次经第二流量计、第二调节阀接压缩氢气源)，模拟氢气泄露，结合氢气浓度流体仿真结果，将氢气泄漏进气口布置在流速低的位置，结合双极板与膜电极、双极板间的密封特性，控制管路的氢气泄漏流量，可获得不同通风流量下，电堆内部不同部位的氢气浓度分度，判断是否满足设计要求，进而标定所需的空气流量。在减小对燃料电池性能及空压机零部件影响的同时，达到吹扫氢气的目的，使得氢气浓度数值快速达到安全阈值内。
基于上述装置的进一步改进，该电堆通风吹扫流量标定装置还包括环境模拟装置；其中，该环境模拟装置进一步包括：
干湿循环模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在反复干燥、湿润状态下运行后吹扫；
酸性环境模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在酸性状态下运行后吹扫；
气压波动模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在气压波动环境下运行后吹扫。
进一步，该环境模拟装置还包括：
高低温环境模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在高温或低温环境下运行后吹扫。
进一步，该电堆通风吹扫流量标定装置还包括第一温度压力传感器、第二温度压力传感器；其中，第一温度压力传感器设于电堆吹扫进气口前端，第二温度压力传感器设于氢气泄露进气口前端；并且，
PACK的壳体上还设置有第一防水透气阀和第二防水透气阀；其中，
第一防水透气阀安装于PACK的电堆吹扫进气口侧，第二防水透气阀安装于PACK的电堆吹扫出气口侧，二者用于平衡PACK内外压力，并防止水及水蒸气进入PACK内部；
氢气泄露进气口布设于PACK的无电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口的一侧。
进一步，氢气浓度传感器设有7个，分别为：
第一氢气浓度传感器，布设于PACK的第一防水透气阀外部；
第二氢气浓度传感器，布设于PACK的第二防水透气阀外部；
第三氢气浓度传感器，布设于PACK内电堆吹扫出气口处；
第四氢气浓度传感器、第五氢气浓度传感器、第六氢气浓度传感器、第七氢气浓度传感器，均匀布设于PACK的顶部。
进一步，氢气泄露进气口布设于PACK的底部。
进一步，该电堆通风吹扫流量标定装置还包括控制器；所述控制器执行如下程序以完成电堆通风吹扫流量的标定功能：
S1.启动第一调节阀，获取第一流量计、第一温度压力传感器的数据；
S2.启动第二调节阀，获取第二流量计、第二温度压力传感器的数据；
S3.多次调整第一调节阀、第二调节阀的开度以模拟不同氢气泄露量下电堆通风吹扫流量，获取第一氢气浓度传感器至第七氢气浓度传感器的氢气浓度数值；
S4.将第一氢气浓度传感器至第七氢气浓度传感器的氢气浓度数值与设计值进行对比，识别是否满足所有氢浓度数值≤设计值，如果是，结束标定，输出第一调节阀的开度对应的电堆通风吹扫流量；否则，重新执行步骤S3～S4。
进一步，步骤S1启动第一调节阀后，以大于0.2m/s的空气流速对PACK内电堆执行吹扫；并且，
步骤S2中调整第二调节阀的开度使得氢气泄露流量超过设计安全流量；
步骤S3在第一调节阀的开度调整过程中，空气流速始终大于0.2m/s。
进一步，PACK内置优多个待标定电堆，以模拟多电堆燃料电池。
进一步，PACK为燃料电池自带PACK或实验室用PACK模拟器；对于燃料电池自带PACK，该装置还包括用于对该PACK打孔以制备氢气泄露进气口的辅助单元；并且，
对于上下放置的双堆燃料电池，第一防水透气阀位于电堆吹扫进气口的上侧，第二防水透气阀位于电堆吹扫出气口的上侧，电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口位于PACK壳体的一对角线上。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1电堆通风吹扫流量标定装置组成示意图；
图2示出了实施例2电堆通风吹扫流量标定装置组成示意图；
图3示出了实施例2标定流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，如图1所示，包括内置待标定电堆的PACK、压缩空气源、压缩氢气源、第一调节阀、第二调节阀、第一流量计、第二流量计，以及若干个氢气浓度传感器。
PACK的壳体上设置有电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口、氢气泄露进气口。所述电堆吹扫进气口依次经第一流量计、第一调节阀接压缩空气源。所述电堆吹扫出气口连通标定装置室外。所述氢气泄露进气口依次经第二流量计、第二调节阀接压缩氢气源。
氢气泄露进气口布设于PACK上的低流速区域。氢气浓度传感器布设于PACK内多个不同的部位，以测量PACK内的氢气浓度分布。低流速指区域内的气体流速不超过电堆吹扫进气口处压缩空气流速的20％。
优选地，该电堆通风吹扫流量标定装置还包括第一温度压力传感器、第二温度压力传感器。第一温度压力传感器设于电堆吹扫进气口前端，第二温度压力传感器设于氢气泄露进气口前端。第二温度压力传感器用于检测进入封装模块的氢气的温度和压力。
实施时，压缩空气经过第一调节阀控制进入电堆内，通过第一流量计对进入PACK内部的空气流量进行检测；压缩氢气经过第二调节阀控制进入电堆内，通过第二流量计对进入PACK内部的氢气流量进行检测。氢气泄露进气口的位置应结合封装模块内部流体仿真结果，布置于低流速区域。
与现有技术相比，本实施例提供的电堆通风吹扫流量标定装置通过增加外接管路(氢气泄露进气口依次经第二流量计、第二调节阀接压缩氢气源)，模拟氢气泄露，结合氢气浓度流体仿真结果，将氢气泄漏进气口布置在流速低的位置，结合双极板与膜电极、双极板间的密封特性，控制管路的氢气泄漏流量，可获得不同通风流量下，电堆内部不同部位的氢气浓度分度，判断是否满足设计要求，进而标定所需的空气流量。在减小对燃料电池性能及空压机零部件影响的同时，达到吹扫氢气的目的，使得氢气浓度数值快速达到安全阈值内。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，该电堆通风吹扫流量标定装置还包括第一温度压力传感器、第二温度压力传感器，如图2所示。第一温度压力传感器设于电堆吹扫进气口前端，第二温度压力传感器设于氢气泄露进气口前端。第二温度压力传感器用于检测进入封装模块的氢气的温度和压力。
优选地，该电堆通风吹扫流量标定装置还包括环境模拟装置。其中，该环境模拟装置进一步包括干湿循环模拟单元、酸性环境模拟单元、气压波动模拟单元、压缩多变环境模拟单元、高低温环境模拟单元。
干湿循环模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在反复干燥、湿润状态下运行后吹扫。
酸性环境模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在酸性状态下运行后吹扫。
气压波动模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在气压波动环境下运行后吹扫。
高低温环境模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在高温或低温环境下运行后吹扫。
通风吹扫进气口前端连接温度压力传感器1检测进入封装模块的空气的温度和压力。
优选地，PACK的壳体上还设置有第一防水透气阀和第二防水透气阀，其中，第一防水透气阀安装于PACK的电堆吹扫进气口侧，第二防水透气阀安装于PACK的电堆吹扫出气口侧，二者用于平衡PACK内外压力，并防止水及水蒸气进入封装模块内部，影响其防护性能，并在模块内压力超过其限值时，防水透气阀将爆开，损坏后需要及时更换。
氢气泄露进气口布设于PACK的无电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口的一侧。
优选地，氢气浓度传感器设有7个，分别为第一氢气浓度传感器、第二氢气浓度传感器、第三氢气浓度传感器、第四氢气浓度传感器、第五氢气浓度传感器、第六氢气浓度传感器、第七氢气浓度传感器。
第一氢气浓度传感器，布设于PACK的第一防水透气阀外部。
第二氢气浓度传感器，布设于PACK的第二防水透气阀外部。
第三氢气浓度传感器，布设于PACK内电堆吹扫出气口处，用于检测电堆出气口的氢气浓度。
第四氢气浓度传感器、第五氢气浓度传感器、第六氢气浓度传感器、第七氢气浓度传感器，均匀布设于PACK的顶部。即在该顶部的4个角布置4个氢气浓度传感器，用来检测封装模块(PACK)内部氢气浓度。
优选地，氢气泄露进气口布设于PACK的底部。根据封装模块内部流体仿真结果，PACK的底部为低流速区域。
优选地，该电堆通风吹扫流量标定装置还包括控制器。
控制器执行如下程序以完成电堆通风吹扫流量的标定功能：
S0.启动环境模拟装置，对环境调节进行设置；
S1.启动第一调节阀，获取第一流量计、第一温度压力传感器的数据；优选地，步骤S1启动第一调节阀后，以大于0.2m/s的空气流速对PACK内电堆执行吹扫，该空气流速下能够保证PACK内无死角；
S2.启动第二调节阀，获取第二流量计、第二温度压力传感器的数据；优选地，综合考虑使用环境及寿命对结合双极板间、双极板与膜电极间的密封特性的影响，步骤S2中调整第二调节阀的开度使得氢气泄露流量为1.2倍的安全系数流量；
S3.多次调整第一调节阀、第二调节阀的开度以模拟不同氢气泄露量下电堆通风吹扫流量，获取第一氢气浓度传感器至第七氢气浓度传感器的氢气浓度数值；优选地，步骤S3在第一调节阀的开度调整过程中，空气流速始终大于0.2m/s；
S4.将第一氢气浓度传感器至第七氢气浓度传感器的氢气浓度数值与设计值进行对比，识别是否满足所有氢浓度数值≤设计值(目标值)，如果是，达到标定目的，结束标定，输出第一调节阀的开度对应的电堆通风吹扫流量；否则，重新执行步骤S3～S4，如图3所述，但不限于图3标注的内容。
优选地，PACK内置优多个待标定电堆，以模拟多电堆燃料电池。
优选地，PACK为燃料电池自带PACK或实验室用PACK模拟器。
对于燃料电池自带PACK，该装置还包括用于对该PACK打孔以制备氢气泄露进气口的辅助单元。
对于上下放置的双堆燃料电池，第一防水透气阀位于电堆吹扫进气口的上侧，第二防水透气阀位于电堆吹扫出气口的上侧，电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口位于PACK壳体的一对角线上。
与现有技术相比，本实施例提供的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置具有如下有益效果：
1、该通风流量的标定装置考虑了封装模块的多环境因素影响，得到的通风吹扫流量结果相比现有技术更准确，贴合实际。
2、通过模拟氢气泄漏方法，准确标定封装模块进风口流量，将氢气泄露对燃料电池系统的性能的影响、空压机功耗的影响降到最低，提升燃料电池系统的安全性与可靠性。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，包括内置待标定电堆的PACK、压缩空气源、压缩氢气源、第一调节阀、第二调节阀、第一流量计、第二流量计，以及若干个氢气浓度传感器；
PACK的壳体上设置有电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口、氢气泄露进气口；所述电堆吹扫进气口依次经第一流量计、第一调节阀接压缩空气源；所述电堆吹扫出气口连通标定装置室外；所述氢气泄露进气口依次经第二流量计、第二调节阀接压缩氢气源；
氢气泄露进气口布设于PACK上的低流速区域；氢气浓度传感器布设于PACK内多个不同的部位，以测量PACK内的氢气浓度分布；低流速指区域内的气体流速不超过电堆吹扫进气口处压缩空气流速的20％。
2.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，还包括环境模拟装置；其中，该环境模拟装置进一步包括：
干湿循环模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在反复干燥、湿润状态下运行后吹扫；
酸性环境模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在酸性状态下运行后吹扫；
气压波动模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在气压波动环境下运行后吹扫。
3.根据权利要求2所述的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，该环境模拟装置还包括：
高低温环境模拟单元，设置于PACK所在室内，用于模拟电堆在高温或低温环境下运行后吹扫。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，还包括第一温度压力传感器、第二温度压力传感器；其中，第一温度压力传感器设于电堆吹扫进气口前端，第二温度压力传感器设于氢气泄露进气口前端；并且，
PACK的壳体上还设置有第一防水透气阀和第二防水透气阀；其中，
第一防水透气阀安装于PACK的电堆吹扫进气口侧，第二防水透气阀安装于PACK的电堆吹扫出气口侧，二者用于平衡PACK内外压力，并防止水及水蒸气进入PACK内部；
氢气泄露进气口布设于PACK的无电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口的一侧。
5.根据权利要求4所述的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，氢气浓度传感器设有7个，分别为：
第一氢气浓度传感器，布设于PACK的第一防水透气阀外部；
第二氢气浓度传感器，布设于PACK的第二防水透气阀外部；
第三氢气浓度传感器，布设于PACK内电堆吹扫出气口处；
第四氢气浓度传感器、第五氢气浓度传感器、第六氢气浓度传感器、第七氢气浓度传感器，均匀布设于PACK的顶部。
6.根据权利要求1、2、3、5任一项所述的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，氢气泄露进气口布设于PACK的底部。
7.根据权利要求5所述的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，还包括控制器；所述控制器执行如下程序以完成电堆通风吹扫流量的标定功能：
S1.启动第一调节阀，获取第一流量计、第一温度压力传感器的数据；
S2.启动第二调节阀，获取第二流量计、第二温度压力传感器的数据；
S3.多次调整第一调节阀、第二调节阀的开度以模拟不同氢气泄露量下电堆通风吹扫流量，获取第一氢气浓度传感器至第七氢气浓度传感器的氢气浓度数值；
S4.将第一氢气浓度传感器至第七氢气浓度传感器的氢气浓度数值与设计值进行对比，识别是否满足所有氢浓度数值≤设计值，如果是，结束标定，输出第一调节阀的开度对应的电堆通风吹扫流量；否则，重新执行步骤S3～S4。
8.根据权利要求7所述的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，步骤S1启动第一调节阀后，以大于0.2m/s的空气流速对PACK内电堆执行吹扫；并且，
步骤S2中调整第二调节阀的开度使得氢气泄露流量超过设计安全流量；
步骤S3在第一调节阀的开度调整过程中，空气流速始终大于0.2m/s。
9.根据权利要求8所述的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，PACK内置优多个待标定电堆，以模拟多电堆燃料电池。
10.根据权利要求9所述的用于氢燃料电池的电堆通风吹扫流量标定装置，其特征在于，PACK为燃料电池自带PACK或实验室用PACK模拟器；对于燃料电池自带PACK，该装置还包括用于对该PACK打孔以制备氢气泄露进气口的辅助单元；并且，
对于上下放置的双堆燃料电池，第一防水透气阀位于电堆吹扫进气口的上侧，第二防水透气阀位于电堆吹扫出气口的上侧，电堆吹扫进气口、电堆吹扫出气口位于PACK壳体的一对角线上。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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