CN216528973U - 用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃料电池领域，公开了一种用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，用于燃料电池燃料氢气引射泵性能测试，特别是提供温度影响的测定，通过对氢气子系统结构的温度做主动管理和定量分析，获得宽谱的结冰、凝水的条件，为发动机集成中的氢气管理提供温度和热交换参数，对系统匹配设计提供依据，也可以从小型测试获得大型应用的放大设计参数。该实用新型可以节约研发时间和成本，有利于提高燃料电池发动机的可控性。

Description

用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池领域，具体涉及一种通过建立氢气引射泵运行中的温度条件控制的测试，以获得在燃料电池中深化气体回流的一种重点在于温度管理的优化系统。

背景技术

氢质子交换膜燃料电池(FEMFC)使用氢气和氧气反应，产生电能，其氢气一般需要回流以增加入口氢气湿度、增加阳极流场的流速、带出液态水分和稀释富集的非氢气组分，常规技术采用了消耗动力的回流泵和不外加消耗动力的回流器来实现气体的回流。

其中，不消耗外加动力的回流器采用引射泵比较多，引射泵或称引射器、喷射泵。为保障电堆输出电力的要求，引射泵需要在运行条件下，包括新氢气的温度压力，电堆出口氢气的温度、湿度、压力、液态水，设备的环境温度等，维持一定的氢气回流流量或比例。在具体运行中可能会出现一些不利状况，如出现回流量不足、进堆氢气温度未优化、线路中发生结冰堵塞、液态水进入电堆等现象。

具体流程范围的氢气，从引射泵的两个气源进口气源源头、引射泵泵体、经过出口直到进入电堆氢气总管，根据电堆系统的设计不同，沿途有独立的管道、阀体、容器等，可能还有端板，这些器壁与氢气之间具有温度和水汽的传导或交换发生。这些影响回流的问题目前还未能很好地研究和解决，也缺乏解决的技术和方法。

目前对引射泵，检测的技术主要在元件测试、电堆或模拟电堆运行，完成减压和温湿度检测、流量控制和流量检测，对氢气加热加湿，模拟电堆的阳极氮气富集和阴极氮气透过膜向阳极扩散影响分析，上述技术很少涉及到建立供气的主动温度管理和评价。

如，CN113067018A，对氢气循环进行测试。CN110374856B，测试氢气引射泵，模拟氢气消耗和氮气渗透影响，测试的引射性能是流量。CN111063916B，引射泵将经过控温的阳极回流分离水吸入新氢中，送入电堆。CN112228331A，以测试电堆工况和参数需求的回流泵为目的，与引射泵原理略有不同。以上技术均不包括原料氢气和回流过程的环境温度以及热交换等因素，不考虑沿途冰冻阻塞、进堆的液态形成的条件。

CN112510228B，该技术用于电堆控制，主要针对低温启动，对阳极回路提供电加热和阴极废热加热措施，没有涉及到引射泵性能测试和相关参数。

计算模拟是一项主要技术辅助手段，但是其模拟仍然很难涉及到复杂的主动温度管理，并且其研究结果仍然需要测试来验证和改进，而测试验证又多在缺少主动温度管理的真实系统进行。

发明内容

针对上述不足，本实用新型用于燃料电池燃料氢气引射泵的性能测试，通过对氢气子系统结构路径上的温度做主动管理和定量分析，获得更宽的结冰、凝水的条件，为发动机集成中的氢气管理提供温度和热交换参数，对回流系统硬件匹配的设计提供依据。本实用新型也有利于根据小型测试获得大型应用的放大设计参数，即可以节约整体研发时间和成本，也有利于提高燃料电池发动机的可控性。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案实现的：

用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，系统由管路顺序连接有新气气源单元、气源选择单元、流量控制单元、回流器单元、模拟电堆单元和排放单元，模拟电堆单元之后具有两路回路分支，第一路分支是回到回流器单元，该分支是模拟回流单元；第二路分支是回到气源选择单元，该分支是升压复用单元；

其中新气气源单元，氢气源连接减压阀，减压阀后的管路上连接有减压输出压力计；

气源选择单元，由新氢开关阀和新氢单向阀一路、复用氢气开关阀和复用氢气单向阀一路，两路并联组成；

流量控制单元，依次设有干氢流量计、干氢流量控制阀、干氢温度换热器、干氢温度压力计；

回流器单元，导热器的一端与引射泵相连，另一端与导热器换热器相连，导热器换热器与混氢换热器相连，导热器设有导热器温度计，混氢换热器前后分别设有换热前温度计和换热后温度计，混氢换热器带有观测窗；

模拟电堆单元，主体是集气罐，集气罐上方连接有集气罐压力计，集气罐具有温度控制装置；

排放单元，从集气罐连接出的尾气排放单元，由背压分支的背压阀和直排分支的尾排开关阀并联，然后合并到尾排流量计计量流量；

上述第一路分支是模拟回流，从集气罐连接出来，由顺序连接的回流泵、回流流量计、回流增湿器、回流温湿度压力计和其间管路组成；

第二路分支是升压复用，顺序地连接复用氢气控制阀、复用氢气缓冲罐、复用氢气增压泵、复用氢气换热器、复用氢气增压储罐、复用氢气控温器，分支还包括其中的连接管路。其中复用氢气缓冲罐具有复用氢气压力计，复用氢气增压储罐具有复用氢气温度压力计。

进一步的，集气罐的温度控制装置优选为采用水浴方式。

进一步的，集气罐的体积设定为为目标电堆阳极总空间的 50％～200％。

进一步的，集气罐压力计与回流温湿度压力计检测压力相差为具体限制的设定数值，控制其偏差处于该设定值范围内，其偏差为±0.5kPa。

进一步的，回流增湿器控制的含水量，可以是不饱和、饱和或过饱和，以喷雾式增湿器为佳。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

1)通过本项测试，可以在真实电堆不参与测试的条件下，从氢气引射泵运行中，获得更广范围的操作条件和结果的关系，并通过获得的数据，为防范电堆运行失效提供更多的预案设计基础，避免电堆损坏；

2)可以在扩展条件下，如果电堆运行的其它条件具备，则可以在超出电堆原定运行范围内，正常使用，从而提高电堆运行的适应性能；

3)温度条件测试获得在燃料电池中应用条件优化的技术，获得为发动机集成中的氢气管理提供温度和热交换参数，对系统匹配设计提供依据；

4)即使进行大流量测试，也可以节约氢气，节约成本的同时，降低大量氢气排放带来的安全管理问题；

5)本实用新型既可以节约研发时间和成本，也有利于提高燃料电池发动机的可控性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为氢气复用的测试系统框架示意图；

图2为氢气复用的测试系统流程示意图；

图3为无氢气复用的测试系统框架示意图；

图4为系统运行逻辑示意图。

图中：1.氢气源，2.减压阀，3.减压输出压力计，4.新氢开关阀， 5.新氢单向阀，6.干氢流量计，7.干氢流量控制阀，8.干氢温度换热器， 9.干氢温度压力计，10.引射泵，11.导热器，12.导热器温度计，13.导热器换热器，14.混氢换热器，15.混氢换热前温度计，16.混氢换热后温度计，17.集气罐，18.集气罐压力计，19.背压阀，20.尾排开关阀， 21.尾排流量计，22.回流泵，23.回流流量计，24.回流增湿器，25.回流温湿度压力计，26.复用氢气控制阀，27.复用氢气压力计，28.复用氢气缓冲罐，29.复用氢气增压泵，30.复用氢气换热器，31.复用氢气增压储罐，32.复用氢气温度压力计，33.复用氢气控温器，34.复用氢气开关阀，35.复用单向阀，36.初始充气阀。

具体实施方式

下面通过具体实施例详述本实用新型，但不限制本实用新型的保护范围。如无特殊说明，本实用新型所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。

本实用新型与研究低温启动不同，目的是获得阳极氢气在引射泵前、引射泵、回流口、出口等关键位置以及连接路途的主要参数，包括温度、压力、湿度、流量、换热特性，其中的压力差值体现阻力，配置的温度和导热影响体现气流沿途部件的换热特性。根据获得的上述数据，如果做进一步的分析，可以提出量的匹配关系，如，电堆各需求条件下的新气体与回流比、需求的热量、不结冰条件、脉冲影响等，测试部件、关联部件的热容与散热、换热对主动引入的换热的要求、功率和与功率、流量关联的变化时间等。

本实用新型目的还在于提供对引射泵在应用中的应用条件模拟，可以用于建立启停测试基本条件，寻找满足某个启停条件所必须的对氢气子系统的配套条件，从而对已选定的特定引射泵，对该关键部件提供适应其运行的辅助匹配条件，以达到整体系统的良好运行，也就是系统优化，并避免忽略的温度条件对引射泵产生的失效发生。

对于流程相同、规格不同的使用该引射泵的电堆系统设计而言，无论使用的换热方法如何，其换热方法包括的加热、降温在各个温度点的表现具有共性，因此，可以检测温度特性，根据温度特性来确定环境条件和功率工况条件的热量需求问题。

其中，为叙述方便，新氢开关阀4、复用氢气控制阀26、复用氢气开关阀34、初始充气阀36、尾排开关阀20是常闭阀。

实施例1

参见图1、图2。

系统由新气气源、气源选择、流量控制、回流器、模拟电堆、模拟回流、升压复用和排放各个单元组成。送入模拟电堆的气体部分经过干燥、增压、温度控制处理，重新回流到一次减压的高压氢气管路中，使用复用描述，以区别于回流氢气。

系统由管路顺序连接有新气气源单元、气源选择单元、流量控制单元、回流器单元、模拟电堆单元和排放单元，模拟电堆单元之后具有两路回路分支，第一路是回到回流器单元，该分支是模拟回流单元；第二路是回到气源选择单元，该分支是升压复用单元，具有气体干燥、升压、储存、控温功能。

其中新气气源单元，从氢气源1获得氢气，连接减压阀2，减压阀2后的管路上连接有减压输出压力计3检测减压输出的压力。

气源选择单元，由新氢开关阀4和新氢单向阀5一路、复用氢气开关阀34和复用氢气单向阀35一路，两路并联组成，选择新氢或复用的氢气，从两路气体选择氢气供应到流量控制单元，或在复用氢气流量不足系统要求时，同时供应氢气。除启动时完全使用新氢，中间过程主要使用复用氢气。

流量控制单元，由干氢流量计6、干氢流量控制阀7、干氢温度换热器8、干氢温度压力计9组成。根据干氢温度压力计9测试数据对比干氢气输入的运行设定温度值，控制干氢温度换热器8的换热，包括加热和降温。

回流器单元，由引射泵10、导热器11、导热器温度计12、导热器换热器13、混氢换热器14、换热前温度计15、换热后温度计16 和其间的管道组成。本实用新型称干氢和回流氢气混合成的氢气称为混氢，包括除氢气以外的其它气体以及液体，如水。

模拟电堆单元，主体是集气罐17，集气罐17上方连接有集气罐压力计18。集气罐17具有温度控制装置，该控制装置控制集气罐17 温度为设定的电堆温度，优选为采用水浴方式。集气罐17体积设定为为目标电堆阳极总空间的50％～200％。

排放单元，从集气罐17连接出的尾气排放单元，由背压分支的背压阀19和直排分支的尾排开关阀20并联，然后合并到尾排流量计 21计量流量。其控制方式由电堆设定的运行方式决定。在稳态测试中，选择不开启背压阀19和尾排开关阀20，在应用目标的电堆使用死端运行，即脉冲排放氢气模式时，选择按照预定周期规定开启尾排开关阀20。

上述第一路分支是模拟回流，从集气罐17连接出来，由顺序连接的回流泵22、回流流量计23、回流增湿器24、回流温湿度压力计 25和其间管路组成。其中的回流泵22、回流流量计23均具有控温温度补偿装置，保持温度与出堆设定值相同，偏差不超过一个设定值，如设定±1℃，优选为采用水浴方式。回流流量使用回流流量计23检测，回流泵22用于保持回流温湿度压力计25、集气罐压力计18检测压力相差为偏差小于设定值，如设定为±0.5kPa，该压差检测值控制回流泵22转数，如果压差超过﹢0.5kPa，即超压，则减少转速；压差低于-0.5kPa，即亏压，则增加转速。系统通过回流增湿器24控制流体温度、含水量，该含水量可以是不饱和、饱和或过饱和，以喷雾式增湿器为佳，水量以系统设定含量和具体的回流流量计23检测到的流量为准进行定量计量。回流温湿度压力计25监测温度湿度和压力，但是并不控制湿度。系统压力变化发生在系统变压操作、变温操作、湿度变化等工况，或系统出现的正常的少量泄漏累计变化。混氢换热器14带有观测窗，观测氢气流中水滴是否出现，该观测窗未在图中表示。

第二路分支是升压复用，从电堆出口回到气源选择单元，该分支具有气体缓冲分水、干燥、升压分水、储存、控温功能。顺序地连接复用氢气控制阀26、复用氢气缓冲罐28、复用氢气增压泵29、复用氢气换热器30、复用氢气增压储罐31、复用氢气控温器33，分支还包括其中的连接管路。其中复用氢气缓冲罐28具有复用氢气压力计 27，复用氢气增压储罐31具有复用氢气温度压力计32。其中，复用氢气缓冲罐28、复用氢气控制阀26向复用氢气缓冲罐27释放模拟电堆的集气罐17中的气体。复用氢气增压储罐31控制干燥，使输出到气源选择单元的气体的露点低于干氢温度换热器8的最低控制温度，使之不发生结露和结冰。复用氢气控温器33对复用氢气进行温度控制，初步控制进入循环的氢气温度，进一步的温度控制由干氢温度控制器8完成。初始充气阀36用于系统启动时完成抽真空后，向升压复用单元的复用氢气开关阀34与复用氢气增压泵29之间充氢气。

实施例2

参见图3，使用模拟电堆，仅使用新氢气，无氢气复用的运行测试。

与实施例1不同的是，本例仅使用新氢气，运行第一路回路分支，关闭第二回路分支，新氢气按照消耗计量提供，回流量由引射泵10 产生，以模拟的应用目标电堆系统的氢气流量，使用尾排流量计21 做流量检测，该流量控制背压阀19开启度。按照应用目标电堆系统的氢气尾排脉冲周期和开启时间长度控制尾排开关阀20做模拟脉冲排放。

优点是降低系统的复杂性，缺点是增加氢气消耗和需要增加氢气排放的处理系统。相对更适合于小流量系统，例如优先用于大约1kw 或以下级别的燃料电池使用的氢气回流系统测试。

其设计条件便于考察环境条件模拟测试。例如用于低温低压条件下考察氢气系统可能出现的积水、结冰等问题的边界条件，分析补偿条件和装置代价。

该级别的小型测试具有积极意义是，可以在小型测试场地甚至包括桌面规格条件下，在较低的代价水平上获得相关属性特点。特别是对于计划进行较少的实验情况下，对于某种回流结构总体设计，低代价地快速获得基本性能，为应用级别，特别是大型，如100kw以上级设计缩小设计偏差，有利于应用产品的运行调试和型号改进。

实施例3

参见图3，使用模拟电堆，仅使用新氢气，无氢气复用的运行测试的。

与实施例2不同的是，本例装置无第二路回路分支，其余相同。

根据上述用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，提供一种运行方法，通过进行以下步骤来实现：

参见图4，上述用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的系统，按照以下的方法运行：

步骤S001，启动指令，进行步骤S002；

步骤S002，设置设备条件和运行参数，包括设定减压阀2的压力、干氢流量控制阀7控制的流量、干氢温度换热器8控制的干氢温度、导热器换热器13控制的引射泵10温度、混氢换热器14控制的温度、集气罐17控制的温度和压力、尾排开关阀20的开启条件、背压阀19的设定压力、模拟回流单元的温度、回流增湿器24设定的湿度、复用氢气增压储罐31的压力范围、复用氢气控温器33设定的温度、复用氢气压力计27压力低于集气罐17的具体差值、应用目标电堆系统的氢气流量、应用目标电堆系统的氢气尾排脉冲周期和开启时间长度。集气罐压力计18、回流温湿度压力计25检测压力相差设定为小于设定值，该设定值为±0.5kPa。包括设定一项或多项测试、顺序地进行测试，进行步骤S003；

步骤S003，判断，如果系统为初次启动，则进行步骤S004；如果系统为非初次启动，即已经充氢气，则进行步骤S014；

步骤S004，室温下，全系统使用惰性气体如氮气吹扫，结合封闭抽真空或单独抽真空，此为常规技术，未做图示，调节减压阀2压力为设定运行的压力值，系统空间充新氢气至常压，然后进行步骤 S005；

步骤S005，判断，如果不使用氢气复用系统时，直接到步骤S007；如果使用氢气复用系统，则进行步骤S006；

步骤S006，通过初始充气阀36直接对复用氢气增压储罐31充气，充气压力是减压阀2设定压力，然后关闭初始充气阀36，进行步骤S007；

步骤S007，系统空间充氢气，按照S002设置的数据，开启回流循环、如果使用复用氢气则开启复用循环，进行步骤S008；

步骤S008，将步骤S002所述的部件温度、压力和湿度调节到步骤S002规定值，该温度调节包括加热和冷却，氢气压力不足时初始充气阀36直接对复用氢气增压储罐31充气，压力超过时使用尾排开关阀20常压排气，进行步骤S009；

步骤S009，根据系统设定值与回流温湿度压力计25检测值，回流增湿器24对回流气体调节温度和湿度；导热器11对引射泵10进行温度调节；混氢换热前温度计15测定温度偏离系统设定值时，混氢换热器14对引射泵10与集气罐17之间的氢气换热；

步骤S010，判断运行是否失效，如果运行中，干氢流量计6流量发生非系统设置的降低，同时干氢温度压力计9检测到压力升高、回流温湿度压力计25检测到压力升高，包括干氢流量计6流量突然降低、大幅度波动、断流，说明可能出现冰冻堵塞，是该条件导致应用目标的电堆系统将发生运行失效。通过混氢换热器14的观测窗，观测是否出现水滴，出现，则该运行条件是析出水滴的条件，出现水滴属于失效；判断失效时，如果失效则进行步骤S011；如果不失效则进行步骤S012；

步骤S011，对导热换热器13和混氢换热器14升温换热，消除积水和结冰，进行步骤S012；

步骤S012，判断预定的一项或多项测试是否均已完成。如果判断完成，则运行步骤S013；如果判断未完成，返回步骤S003；

步骤S013，运行停机程序；

步骤S014，如果复用氢气压力计27压力与集气罐17的压力差值超过S002中规定，即设定为±0.5kPa，如果压差超过﹢0.5kPa，即超压，则减少转速，如果压差低于-0.5kPa，即亏压，则增加转速。

则复用氢气增压泵29降低转速甚至停止，同时新氢开关阀4项系统补充新氢，直至复用氢气压力计27压力与集气罐17相同，关闭新氢开关阀4，复用氢气增压泵29，恢复转速，如果复用氢气增压泵 29处于停止状态则重新启动，进行步骤S008。

步骤S015，新氢补充，通过初始充气阀36直接对复用氢气增压储罐31充气，充气压力是减压阀2设定压力，达到该设定值后，关闭初始充气阀36，进行步骤S008。

以上所述实施方式仅为本实用新型的优选实施例，而并非本实用新型可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本实用新型原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，其特征是，系统由管路顺序连接有新气气源单元、气源选择单元、流量控制单元、回流器单元、模拟电堆单元和排放单元，模拟电堆单元之后具有两路回路分支，第一路分支是回到回流器单元，该分支是模拟回流单元；第二路分支是回到气源选择单元，该分支是升压复用单元；

其中新气气源单元，氢气源(1)连接减压阀(2)，减压阀(2)后的管路上连接有减压输出压力计(3)；

气源选择单元，由新氢开关阀(4)和新氢单向阀(5)一路、复用氢气开关阀(34)和复用氢气单向阀(35)一路，两路并联组成；

流量控制单元，依次设有干氢流量计(6)、干氢流量控制阀(7)、干氢温度换热器(8)、干氢温度压力计(9)；

回流器单元，导热器(11)的一端与引射泵(10)相连，另一端与导热器换热器(13)相连，导热器换热器(13)与混氢换热器(14)相连，导热器(11)设有导热器温度计(12)，混氢换热器(14)前后分别设有换热前温度计(15)和换热后温度计(16)，混氢换热器(14)带有观测窗；

模拟电堆单元，主体是集气罐(17)，集气罐(17)上方连接有集气罐压力计(18)，集气罐(17)具有温度控制装置；

排放单元，从集气罐(17)连接出的尾气排放单元，由背压分支的背压阀(19)和直排分支的尾排开关阀(20)并联，然后合并到尾排流量计(21)计量流量。

2.如权利要求1所述的用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，其特征是，所述第一路分支是模拟回流，从集气罐(17)连接出来，由顺序连接的回流泵(22)、回流流量计(23)、回流增湿器(24)、回流温湿度压力计(25)和其间管路组成。

3.如权利要求1所述的用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，其特征是，所述第二路分支是升压复用，顺序地连接复用氢气控制阀(26)、复用氢气缓冲罐(28)、复用氢气增压泵(29)、复用氢气换热器(30)、复用氢气增压储罐(31)、复用氢气控温器(33)，分支还包括其中的连接管路，其中复用氢气缓冲罐(28)具有复用氢气压力计(27)，复用氢气增压储罐(31)具有复用氢气温度压力计(32)。

4.如权利要求1所述的用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，其特征是，所述集气罐(17)的温度控制装置采用水浴方式。

5.如权利要求1所述的用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，其特征是，所述集气罐(17)的体积设定为为目标电堆阳极总空间的50％～200％。

6.如权利要求1所述的用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，其特征是，所述集气罐压力计(18)与回流温湿度压力计(25)检测压力相差为具体限制的设定数值，控制其偏差处于该设定值范围内，其偏差为±0.5kPa。

7.如权利要求2所述的用于燃料电池引射泵供气系统温控优化的测试系统，其特征是，所述回流增湿器(24)控制的含水量，可以是不饱和、饱和或过饱和，以喷雾式增湿器为佳。

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