CN213878168U - 一种燃料电池的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域内的一种燃料电池控制系统，包括干路管路、湿路管路、加热器、质量流量控制器以及电池堆；干路管路与湿路管路连通为并联管路，加热器设置于并联管路的入口端，并联管路的出口端与电池堆连通；质量流量控制器包括第一质量流量控制器和第二质量流量控制器，第一质量流量控制器设置于干路管路的上游，第二质量流量控制器设置于湿路管路的上游；湿路管路中设置有用于气体增湿的增湿器，增湿器连通于第二质量流量控制器的下游。本实用新型通过将气体分为干、湿两路，控制两路的流量和温度，并且通过改变干、湿两路的气体流量，可以对气体湿度调节快速响应，解决了调节增湿罐温度所需时间长，消耗能量大的问题。

Description

一种燃料电池的控制系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体地，涉及一种燃料电池的控制系统。

背景技术

燃料电池测试平台一般包含空气供应子系统、氢气供应子系统、热管理子系统、控制子系统、电子负载以及测试系统等。其中的反应物气体，即空气和氢气的温度、湿度、流量和压力对燃料电池的输出性能有显著的影响。现有的燃料电池测试平台通常采用外增湿，即在燃料电池外将反应物气体增湿到所需的湿度，常用的技术包括鼓泡增湿、湿膜增湿、蒸气增湿、超声波增湿等。一旦需要对大功率燃料电池进行测试，测试平台采用鼓泡增湿效果差，能耗高；湿膜增湿效率低、噪声大；蒸汽式增湿器投资较高，运作费用较高，设计要求复杂；超声波增湿制造成本较高等。同时上述常用的增湿方式，一旦所需湿度变化，响应速度慢，几乎不能实现动态响应试验的要求。

经现有技术检索发现：中国发明专利公开号CN110600770A，公开了一种燃料电池加湿器测试系统，包括：干空气产生子系统、湿空气产生子系统、数据采集子系统和自动控制子系统；干空气产生子系统与待测加湿器的干空气入口连接；湿空气产生子系统的一端与待测加湿器的干空气出口连接，另一端与待测加湿器的湿空气入口通过管路连接，以形成回路；待测加湿器的湿空气出口连接外部大气；数据采集子系统分布设置在待测加湿器的干空气入口、干空气出口、湿空气入口和湿空气出口的管路上，并分别用于采集进入/离开待测加湿器的空气状态数据；自动控制子系统分别与干空气产生子系统、湿空气产生子系统和数据采集子系统相连接，并用于接收空气状态数据，以及控制干空气产生子系统和湿空气产生子系统。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种燃料电池控制系统。

根据本实用新型提供的一种燃料电池控制系统，包括干路管路、湿路管路、加热器、质量流量控制器以及电池堆；

所述干路管路与所述湿路管路连通为并联管路，所述加热器设置于所述并联管路的入口端，所述并联管路的出口端与所述电池堆连通；

所述质量流量控制器包括第一质量流量控制器和第二质量流量控制器，所述第一质量流量控制器设置于所述干路管路的上游，所述第二质量流量控制器设置于所述湿路管路的上游；

所述湿路管路中设置有用于气体增湿的增湿器，所述增湿器连通于所述第二质量流量控制器的下游。

一些实施方式中，气体经所述加热器加热后的温度高于预设温度5-8℃，所述预设温度指进入电池堆内的气体温度。

一些实施方式中，所述加热器上游设置有温度传感器S1，所述第一质量流量控制器下游设置有温度传感器S2，所述温度传感器S1与所述温度传感器S2用于实现所述加热器的功率控制。

一些实施方式中，位于所述增湿器下游的所述湿路管路中设置有温度传感器S3与压力传感器P1，所述温度传感器S3与所述压力传感器P1用于实现对所述增湿器温度与压力的控制。

一些实施方式中，所述电池堆上游管路中设置有温度传感器S4、压力传感器P2以及湿度传感器H1。

一些实施方式中，还包括背压阀，所述背压阀设置于所述电池堆的下游管路中。

一些实施方式中，还包括换热器，所述换热器设置于所述并联管路出口端与所述电池堆之间。

一些实施方式中，还包括液态水分离装置，所述液态水分离装置设置于所述换热器与所述电池堆之间。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型通过将气体分为干、湿两路，控制两路的流量和温度，并且通过改变干、湿两路的气体流量，可以对气体湿度调节快速响应，解决了调节增湿罐温度所需时间长，消耗能量大的问题。

2、本实用新型燃料电池控制系统中加热器设置于增湿器之前，解决了干路管路的气体温度低于湿路管路加湿后的温度时，二者汇合后将冷凝析出液态水，不仅导致管路积水，并且气体湿度无法达到预设的问题。

3、本实用新型通过优化系统的组成，增设换热器、液态水分离装置等，进一步提高对进入电池堆内的气体在温度、湿度以及压力方面的控制精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型燃料电池控制系统结构示意图；

其中，附图中对应的相应标记为：

1-干路管路，2-湿路管路，21-增湿器，3-加热器，4-质量流量控制器，41-第一质量流量控制器，42-第二质量流量控制器，5-换热器，6-液态水分离装置，7- 电池堆，8-背压阀，9-单向阀，10-补充水路开关阀。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

实施例1

本实用新型提供了一种燃料电池控制系统，包括干路管路1、湿路管路2、加热器3、质量流量控制器4以及电池堆7。干路管路1与湿路管路2两者通过并联的方式形成并联管路，将干湿气体混合后达到预设的温度值、湿度值以及压力值后送入电池堆7内。加热器3用于气体的加热，质量流量控制器4用于控制干湿两路管路中的气体流量，以使得混合后的气体湿度达到预设值。本实用新型通过将气体分为干、湿两路，控制两路的流量和温度，并且通过改变干、湿两路的气体流量，可以对气体湿度调节快速响应，解决了调节增湿罐温度所需时间长，消耗能量大的问题。具体地：

干路管路1和湿路管路2以并联的方式形成并联管路，加热器3设置于并联管路的上游，两个质量流量控制器4分别设置于干路管路1和湿路管路2的上游，设置于干路管路1和湿路管路2中的质量流量控制器分别标记为第一质量流量控制器 41与第二质量流量控制器，位于第二质量流量控制器42下游的湿路管路2中连通有增湿器21，加热后的气体通过增湿器21增湿后与干路管路1中的干燥气体于并联管路的交汇管路中充分混合，最终使得满足预设温度、湿度以及压力的气体进入到电池堆7内。增湿器21可以有多种形式，包括但不仅限于鼓泡增湿器、膜增湿器、超声波增湿器、蒸汽发生器等，一些实施方式中还可使用鼓泡加喷淋结合的增湿方法。同时增湿器21设置有补充水路开关阀10，用于控制增湿器21内的水量。优选的，在第一质量流量控制器41下游以及第二质量流量控制器42与增湿器21之间均设置有单向阀9，防止气体的回流。本实用新型燃料电池控制系统中加热器 3设置于增湿器21之前，解决了干路管路的气体温度低于湿路管路加湿后的温度时，二者汇合后将冷凝析出液态水，不仅导致管路积水，并且气体湿度无法达到预设的问题。

为满足燃料电池控制系统的控制精度，在本申请的燃料电池控制系统中还设置有相应传感器，其传感器主要为温度传感器、湿度传感器以及压力传感器。具体地：位于加热器3的上游设置有温度传感器S1,位于第一质量流量控制器41的下游干路管路1中设置有温度传感器S2。位于增湿器21下游的湿路管路2中设置有温度传感器S3和压力传感器P1。位于电池堆7的上游管路中设置有温度传感器S4、压力传感器P2以及湿度传感器H1，同时在电池堆7的下游气体排出管路中设置有背压阀8。

其中，温度传感器S1和温度传感器S2用于对加热器3的功率调整，使进入干路管路1和湿路管路2中的气体达到相应的预设值。加热器3加热方法包括导热油加热，蒸汽锅炉加热，电热丝加热，电磁加热器加热等。优选的，加热器3将气体加热后的温度高于预设温度5-8℃，此处预设温度是指干湿气体混合后进入到电池堆7 的温度。气体在管路中流动会有部分热量的损失，如，通过管道散热。通过高于预设温度一定值，可弥补上述热量的散失。如预设温度过高，后续板式换热器降温所需的水流量会很大，耗能大，或者进出水温差距很大，造成部分气态水的冷凝。

加热器3加热气体后，系统稳定30min后试验数据如下：

设置于增湿器21下游的温度传感器S3和压力传感器P1用于调整增湿器21的相应温度控制参数以及压力控制参数。调整过程中，通过将温度传感器S3和压力传感器P1与增湿器21自身内置的温度传感器和压力传感器的数值进行比对调节。其中，为达到所需设定温度，需要控制增湿罐内水到一定的温度并保持恒定，使得饱和增湿后的气体稳定在一定温度、压力。优选的，其温度控制在40-90℃，压力控制在2-5bar，特别优选的，温度控制为90℃，压力控制在3bar。

设置于电池堆7气体入口端的温度传感器S4、压力传感器P2以及湿度传感器 P1用于检测干湿两路气体混合后的温度值、压力值以及湿度值，进而通过控制系统进行对加热器3、质量流量控制器4以及增湿器21进行调整，以满足预设要求。

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过优化系统的组成，进一步提高对进入电池堆内的气体在温度、湿度以及压力方面的控制精度。具体地：

还包括换热器5，换热器设置于干路管路1和湿路管路2并联管路的下游，并位于电池堆7的上游。经加热器3加热后的气体经干路管路1和湿路管路2于并联管路交汇处混合后，进入换热器5的气道腔体内进行换热。优选的，换热器5采用去离子水与混合后的干湿气体进行换热，通过调节去离子水的进出流量调节换热效果。此时，位于换热器5上游的温度传感器S2、温度传感器S3以及位于换热器5 下游的温度传感器S4共同对换热器5的换热功率进行检测，将采集的温度反馈给控制系统后调整换热器5的去离子水的进出流量，以实现气体温度和湿度的精确控制。

进一步优选的，还包括液态水分离装置6，液态水分离装置6设置于电池堆7 的上游管路，混合后的干湿气体经过液态分离装置6将干湿混合气体中的液态水去除后再进入电池堆内，进一步提高进入电池堆7内的气体湿度值的精度。优选的，当系统中设置有换热器5时，将液态分离装置6设置于换热器5与电池堆7之间。经换热器5换热后的干湿混合气体经液态水分离装置6后，将干湿混合气体中的液态水分离。

实施例3

本实施例3是在实施例2的基础上形成的一种燃料电池控制方法，采用上述的燃料电池控制系统，包括如下步骤：

温度调节步骤：加热器3加热气体至高于预设温度值5-8℃，质量流量控制器4控制进入干路管路1和湿路管路2内的气体流量，干湿混合气体进入换热器5内进行换热后，通过设置于电池堆7上游管路中的温度传感器S4显示是否达到预设温度；

湿度调节步骤：经第二质量流量控制器42进入湿路管路2的加热气体进入增湿器21内，通过增湿调节算法调节对进入增湿器21内的气体进行增湿处理，通过设置于电池堆7上游管路中的湿度传感器H1显示是否达到预设湿度；

压力调节步骤：通过设置于电池堆7上游管路中的压力传感器P2显示是否达到预设压力，通过背压阀8调节电池堆7内的气体压力。

其中，所述温度调节步骤中，增湿调节算法为：

Q_v,set,g＝Q_v,dry,g+Q_v,wet,g,

其中，Q_v指体积流量，set指设定流量，dry和wet指干、湿路，g指气体；

Q_v,act＝Q_v,set,g+Q_v,vapor,

其中act指实际的流量，vapor指水蒸气(来自增湿水)；

根据道尔顿分压定律：

Q_v,wet,g/Q_v,vapor＝(P_(P3)-P*_(S5))/P*_(S5)，

P指当前气体总压力，P*指在相应温度下的饱和蒸汽压，P3指压力传感器P3的读数，S5指温度传感器S5的读数；

根据气体中水质量守恒：

Q_v,vapor×ρ_(S8)＝Q_v,act×RH×P*_(S4)×[ρ_(S4)×RH]/P_(P2)，

ρ指在相应温度下的饱和水蒸气密度，并可以由以下公式得到：ρ＝597/[(1+0.597/230)[(373.15-212)/(T-212)]^5.19)-0.597/230](g/m^-3)；

根据以上方程，可以计算得到Q_v,dry,g与Q_v,wet,g，即分配到干、湿路的气体体积流量，并通过第一质量流量控制器41和第二质量流量控制器42进行控制。

标定过程：通过湿度传感器校准湿度，对于目标温度和目标湿度，进行标定。目标温度下，当通过计算的气流量Q_v,dry,g与Q_v,wet,g得到的湿度为a，小于目标湿度时，通过增大Q_v,wet,g，设置为(100+x)％，得到目标湿度；当得到的实际湿度为a，大于目标湿度时，通过减小Q_v,wet,g，设置为(100-x)％，得到目标湿度。通过该种方式标定不同温度下，得到目标湿度的偏移量。在实际应用中，通过插值的方法查表计算，进行校准。举例标定表格如下：

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种燃料电池控制系统，其特征在于，包括干路管路(1)、湿路管路(2)、加热器(3)、质量流量控制器(4)以及电池堆(7)；

所述干路管路(1)与所述湿路管路(2)连通为并联管路，所述加热器(3)设置于所述并联管路的入口端，所述并联管路的出口端与所述电池堆(7)连通；

所述质量流量控制器(4)包括第一质量流量控制器(41)和第二质量流量控制器(42)，所述第一质量流量控制器(41)设置于所述干路管路(1)的上游，所述第二质量流量控制器(42)设置于所述湿路管路(2)的上游；

所述湿路管路(2)中设置有用于气体增湿的增湿器(21)，所述增湿器(21)连通于所述第二质量流量控制器(42)的下游。

2.根据权利要求1所述的燃料电池控制系统，其特征在于，气体经所述加热器(3)加热后的温度高于预设温度5-8℃，所述预设温度指进入电池堆(7)内的气体温度。

3.根据权利要求2所述的燃料电池控制系统，其特征在于，所述加热器(3)上游设置有温度传感器S1，所述第一质量流量控制器(41)下游设置有温度传感器S2，所述温度传感器S1与所述温度传感器S2用于实现所述加热器(3)的功率控制。

4.根据权利要求1所述的燃料电池控制系统，其特征在于，位于所述增湿器(21)下游的所述湿路管路(2)中设置有温度传感器S3与压力传感器P1，所述温度传感器S3与所述压力传感器P1用于实现对所述增湿器(21)温度与压力的控制。

5.根据权利要求1所述的燃料电池控制系统，其特征在于，所述电池堆(7)上游管路中设置有温度传感器S4、压力传感器P2以及湿度传感器H1。

6.根据权利要求5所述的燃料电池控制系统，其特征在于，还包括背压阀(8)，所述背压阀(8)设置于所述电池堆(7)的下游管路中。

7.根据权利要求1所述的燃料电池控制系统，其特征在于，还包括换热器(5)，所述换热器(5)设置于所述并联管路出口端与所述电池堆(7)之间。

8.根据权利要求7所述的燃料电池控制系统，其特征在于，还包括液态水分离装置(6)，所述液态水分离装置(6)设置于所述换热器(5)与所述电池堆(7)之间。

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