CN217587536U - 一种基于空压机的燃料电池阻抗测定系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及燃料电池领域，并公开了一种基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，其中，包括进气组件及出气组件，所述进气组件设置在燃料电池的第一端，所述出气组件设置在燃料电池的第二端；在所述直流输压模式下，所述实时流量信号值等于所述直流流量信号值；在所述实时流量信号值等于所述直流流量信号值后，所述控制装置同步启动所述高频扰动模式，在所述高频扰动模式下，所述实时流量信号值等于所述复合流量信号值；所述控制装置内设置有直流/高频流量压力解耦模型。提供一种通过空压机在燃料电池阴极测施加高频物理扰动且通过直流/高频流量压力解耦模型对压力流量信号进行解耦的基于空压机的燃料电池电化学反应介质阻抗测定系统。

Description

一种基于空压机的燃料电池阻抗测定系统

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种基于空压机的燃料电池阻抗测定系统。

背景技术

近年来，全球化石能源逐步式微，氢能源作为新能源转型的重要探索方向，产业发展势头强劲，成为各国积蓄力量的焦点，氢能因其环保、泛在的优势，成为能源变革中的重要发展对象。氢能的发展将推动燃料电池的进步，目前电化学反应介质阻抗功能是燃料电池监测内部状态的关键方法，通过对电化学反应介质阻抗值的监测可以反应燃料电池的运行状态，从而进一步对燃料电池的运行状态作出一定修正与调整。

现有电化学反应介质阻抗状态的检测常通过氧气传输特征频率及电化学特征特征频率进行检测，然而氧气传输特征频率和电化学特征频率相近时，现有电化学反应介质阻抗的测量方法无法将二者解耦，同时在低于1HZ扰动频率下无法有效提取阻抗信息。

实用新型内容

本申请主要解决现有技术所存在的现有电化学反应介质阻抗状态的检测无法将氧气传输特征频率和电化学特征频率解耦，且在低扰动频率下无法提取有效阻抗信息的技术问题，提供一种通过空压机在燃料电池阴极测施加高频物理扰动且通过直流/高频流量压力解耦模型对压力流量信号进行解耦的基于空压机的燃料电池阻抗测定系统。

为了解决上述技术问题实现上述申请目的，本申请提供一种基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，包括进气组件及出气组件，所述进气组件设置在燃料电池的第一端，所述出气组件设置在燃料电池的第二端；所述燃料电池的第一端设置有DC/DC模块，所述燃料电池的第二端设置有电压巡检装置，所述燃料电池通过所述DC/DC模块与控制装置相连；所述进气组件包括进气管及进气部件，所述进气管两端分别设置有第一进口及第一出口，所述进气管通过所述第一出口与所述燃料电池相连，所述进气部件包括由所述第一进口至所述第一出口依次设置在所述进气管上的空气压缩机、中冷器及流量计，所述空气压缩机通过电机与所述控制装置相连，所述电压巡检装置与所述流量计和所述控制装置相连；所述控制装置内设置有直流输压模式及高频扰动模式，所述控制装置内设置有直流流量信号值及复合流量信号值，所述流量计测量的流量信号值为实时流量信号值；在所述直流输压模式下，所述实时流量信号值等于所述直流流量信号值；在所述实时流量信号值等于所述直流流量信号值后，所述控制装置同步启动所述高频扰动模式，在所述高频扰动模式下，所述实时流量信号值等于所述复合流量信号值；所述控制装置内设置有直流/高频流量压力解耦模型。

在一可实施方式中，所述直流/高频流量压力解耦模型包括信号分离单元、通用压力流量闭环控制单元及高频压力流量闭环控制单元。

在一可实施方式中，所述出气组件包括出气管及出气部件，所述出气管两端分别设置有第二进口及第二出口，所述出气管通过第二出口与所述燃料电池相连，所述进气部件包括由所述第二进口至所述第二出口依次设置在所述出气管上的排气阀及第一压力温度传感器，所述第一压力温度传感器及所述排气阀均与所述控制装置相连。

在一可实施方式中，所述流量计及所述中冷器间的所述进气管上设置有三通阀，所述三通阀通过中间管与所述出气管相连，所述三通阀与所述控制装置相连。

在一可实施方式中，所述三通阀与所述第二出口间的所述进气管上设置有第二压力温度传感器。

在一可实施方式中，所述中冷器及所述空气压缩机间的所述进气管上设置有消音装置。

在一可实施方式中，所述空气压缩机与空气过滤器相连。

相对于现有技术，本申请一种基于空压机的燃料电池电化学反应介质阻抗测定系统具有以下有益效果：

空气压缩机通过直流输压模式及高频扰动模式复合的方式向燃料电池的施加物理扰动，并对燃料电池的压力和流量进行监控得到直流/高频流量压力信号，然后通过直流/高频流量压力解耦模型对直流/高频流量压力信号解耦得到直流信号及高频交流信号，其中直流信号作为通用压力流量解耦算法的输入进行正常闭环控制，分离后的高频交流信号作为高频电流注入闭环控制的输入进行高频压力/流量扰动，最后通过高频扰动下的压力及流量信号值计算电化学反应介质阻抗值，并进行燃料电池状态分析及修正，且低至0.1HZ的阴极压力扰动频率计可以产生燃料电池的电压输出扰动。

因此，本申请具有结构合理，使用方便的特点。

附图说明

附图1是本申请的一种结构示意图。

图中标号说明：1、燃料电池；2、DC/DC模块；3、电压巡检装置；4、控制装置；5、进气管；6、第一进口；7、第一出口；8、空气压缩机；9、中冷器；10、流量计；11、电机；12、出气管；13、第二进口；14、第二出口；15、排气阀；16、第一压力温度传感器；17、第三通阀；18、中间管；19、第二压力温度传感器；20、消音装置；21、空气过滤器。

具体实施方式

为使本申请的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

现有技术中存在的现有电化学反应介质阻抗状态的检测无法将氧气传输特征频率和电化学特征频率解耦，且在低扰动频率下无法提取有效阻抗信息的技术问题。

为此，本申请一方面提供了一种基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，其特征在于，包括进气组件及出气组件，所述进气组件设置在燃料电池1的第一端，所述出气组件设置在燃料电池1的第二端；所述燃料电池1的第一端设置有DC/DC模块2，所述燃料电池1的第二端设置有电压巡检装置3，所述燃料电池1通过所述DC/DC模块2与控制装置4相连；所述进气组件包括进气管5及进气部件，所述进气管5两端分别设置有第一进口6及第一出口7，所述进气管5通过所述第一出口7与所述燃料电池1相连，所述进气部件包括由所述第一进口6至所述第一出口7依次设置在所述进气管5上的空气压缩机8、中冷器9及流量计10，所述空气压缩机8通过电机11与所述控制装置4相连，所述电压巡检装置3与所述流量计10和所述控制装置4相连；所述控制装置4内设置有直流输压模式及高频扰动模式，所述控制装置4内设置有直流流量信号值及复合流量信号值，所述流量计10测量的流量信号值为实时流量信号值；在所述直流输压模式下，所述实时流量信号值等于所述直流流量信号值；在所述实时流量信号值等于所述直流流量信号值后，所述控制装置4同步启动所述高频扰动模式，在所述高频扰动模式下，所述实时流量信号值等于所述复合流量信号值；所述控制装置4内设置有直流/高频流量压力解耦模型。

实施例1：

图1出示了本申请基于空压机的燃料电池阻抗测定系统的一种实施例。

本申请基于燃料电池1的空气供给设备设置，在空气供给设备中空压机对空气进行升压处理以达到进堆目标压力，并将压缩空气输入燃料电池1，空气会在燃料电池1内发生反应，最终反应剩余的空气会通过阴极侧出口处的背压阀排出，其可通过改变阀门的开度来调节气体流阻，以此达到调整电堆阴极腔内部的压力。由此可知空压机和背压阀都可以影响燃料电池1的压力和流量，因此在进行物理扰动时需要通过调整空压机或背压阀来实现。在本申请的具体实施例中采用空压机来实现物理扰动。

在本申请的具体实施例中，基于空压机的燃料电池1电化学反应介质阻抗测定系统是通过空压机来对燃料电池1的产生物理扰动从而实现电化学反应介质阻抗的测量，包括进气组件及出气组件，进气组件用于向燃料电池1输入空气，出气组件用于在空气反应完成后将剩余的空气输出燃料电池1。

其中，进气组件与出气组件均设置在燃料电池1的阴极侧，进气组件设置在燃料电池1的第一端，出气组件设置在燃料电池1的第二端，燃料电池1的第一端设置有DC/DC模块2，DC/DC模块2用来升压或降压，燃料电池1的第二端设置有电压巡检装置3，电压巡检装置3用于测量燃料电池1的电压，燃料电池1通过DC/DC模块2与控制装置4相连。

其中，进气组件包括进气管5及进气部件，进气管5两端分别设置有第一进口6及第一出口7，进气管5通过第一出口7与燃料电池1相连，进气部件包括空气压缩机8、中冷器9及流量计10，空气压缩机8通过电机11与控制装置4相连，电压巡检装置与流量计10和控制装置4相连。

其中，控制装置4内设置有直流输压模式及高频扰动模式，控制装置4内设置有直流流量信号值及复合流量信号值，流量计10测量的流量信号值为实时流量信号值；在直流输压模式下，实时流量信号值等于直流流量信号值；在实时流量信号值等于直流流量信号值后，控制装置4同步启动高频扰动模式，在高频扰动模式下，实时流量信号值等于复合流量信号值；控制装置4内设置有直流/高频流量压力解耦模型。

空气压缩机8通过直流输压模式及高频扰动模式复合的方式向燃料电池1的施加物理扰动，并对燃料电池1的压力和流量进行监控得到直流/高频流量压力信号，然后通过直流/高频流量压力解耦模型对直流/高频流量压力信号解耦得到直流信号及高频交流信号，其中直流信号作为通用压力流量解耦算法的输入进行正常闭环控制，分离后的高频交流信号作为高频电流注入闭环控制的输入进行高频压力/流量扰动，最后通过高频扰动下的压力及流量信号值计算电化学反应介质阻抗值，并进行燃料电池1状态分析及修正，且低至0.1HZ的阴极压力扰动频率计可以产生燃料电池1的电压输出扰动。

在注入高频流量后，通过电压巡检装置测量到的电堆单片流量除以高频流量得到电化学反应介质阻抗值。

具体操作时，先开启燃料电池1，同时控制装置4控制向电机11输入直流电流，电机11驱动空气压缩机8工作，并通过进气管5将压缩空气通向燃料电池1，此时流量计10测量燃料电池1的实时流量信号值，第二压力温度传感器测量燃料电池1的实时压力值。当实时流量信号值等于直流流量信号值时，控制装置4控制向电机11同步输入高频电流，此时电机11处于直流电流及高频电流复合的状态，并控制压缩机，直至实时流量信号值等于复合流量信号值，此时的复合流量信号值为直流流量信号值与高频流量信号值叠加，将实时流量信号值及实时压力值发送至控制装置4，并经直流/高频流量压力解耦模型解耦分析获取电化学反应介质阻抗值，根据电化学反应介质阻抗值对燃料电池1进行状态分析及修正。

在本申请的具体实施例中，直流/高频流量压力解耦模型包括信号分离单元、通用压力流量闭环控制单元及高频压力流量闭环控制单元。

在本申请的具体实施例中，出气组件包括出气管12及出气部件，出气管12两端分别设置有第二进口13及第二出口14，出气管12通过第二出口14与燃料电池1相连，进气部件包括由第二进口13至第二出口14依次设置在出气管12上的排气阀15及第一压力温度传感器16，第一压力温度传感器16及排气阀15均与控制装置4相连。第一压力温度传感器16用于检测出气管12内的直流状态下或高频状态下的出气压力与温度，排气阀15用于控制排气管是否向外排气。

在本申请的具体实施例中，流量计10及中冷器9间的进气管5上设置有三通阀，三通阀通过中间管18与出气管12相连，三通阀与控制装置4相连。三通阀的通断用于决定是否通过排气管排气。

在本申请的具体实施例中，三通阀与所述第二出口14间的进气管5上设置有第二压力温度传感器19。第二压力温度传感器19用于检测进气管直流状态下或高频状态下的出气压力与温度。空气压缩机8对空气进行加压后会使空气温度上升，同时也几乎使得气体中的水分完成蒸发，所以需要中冷器9使干燥的空气达到适合的湿度，适合的湿度会使燃料电池1性能提升。

在本申请的具体实施例中，中冷器9及所述空气压缩机8间的进气管5上设置有消音装置20。由于空气压缩机8采用离心式泵体，叶片的高速旋转会产生巨大的噪音，从而燃料电池1安装在车上以后会影响整车舒适性，因此需要安装消音装置20进行消音处理。

在本申请的具体实施例中，空气压缩机8与空气过滤器21相连。空气过滤器21由物理过滤及化学吸附组成，物理过滤主要去除粉尘等颗粒物，化学吸附主要剥离未经物理吸附而被去除的有害气体。经过空气过滤器21的两重净化后，干净的空气被送入空气压缩机8。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，其特征在于，包括进气组件及出气组件，所述进气组件设置在燃料电池（1）的第一端，所述出气组件设置在燃料电池（1）的第二端；所述燃料电池（1）的第一端设置有DC/DC模块（2），所述燃料电池（1）的第二端设置有电压巡检装置（3），所述燃料电池（1）通过所述DC/DC模块（2）与控制装置（4）相连；所述进气组件包括进气管（5）及进气部件，所述进气管（5）两端分别设置有第一进口（6）及第一出口（7），所述进气管（5）通过所述第一出口（7）与所述燃料电池（1）相连，所述进气部件包括由所述第一进口（6）至所述第一出口（7）依次设置在所述进气管（5）上的空气压缩机（8）、中冷器（9）及流量计（10），所述空气压缩机（8）通过电机（11）与所述控制装置（4）相连，所述电压巡检装置（3）与所述流量计（10）和所述控制装置（4）相连；所述控制装置（4）内设置有直流输压模式及高频扰动模式，所述控制装置（4）内设置有直流流量信号值及复合流量信号值，所述流量计（10）测量的流量信号值为实时流量信号值；在所述直流输压模式下，所述实时流量信号值等于所述直流流量信号值；在所述实时流量信号值等于所述直流流量信号值后，所述控制装置（4）同步启动所述高频扰动模式，在所述高频扰动模式下，所述实时流量信号值等于所述复合流量信号值；所述控制装置（4）内设置有直流/高频流量压力解耦模型。

2.根据权利要求1所述的基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，其特征在于，所述直流/高频流量压力解耦模型包括信号分离单元、通用压力流量闭环控制单元及高频压力流量闭环控制单元。

3.根据权利要求1所述的基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，其特征在于，所述出气组件包括出气管（12）及出气部件，所述出气管（12）两端分别设置有第二进口（13）及第二出口（14），所述出气管（12）通过第二出口（14）与所述燃料电池（1）相连，所述进气部件包括由所述第二进口（13）至所述第二出口（14）依次设置在所述出气管（12）上的排气阀（15）及第一压力温度传感器（16），所述第一压力温度传感器（16）及所述排气阀（15）均与所述控制装置（4）相连。

4.根据权利要求3所述的基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，其特征在于，所述流量计（10）及所述中冷器（9）间的所述进气管（5）上设置有三通阀，所述三通阀通过中间管（18）与所述出气管（12）相连，所述三通阀与所述控制装置（4）相连。

5.根据权利要求4所述的基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，其特征在于，所述三通阀与所述第二出口（14）间的所述进气管（5）上设置有第二压力温度传感器（19）。

6.根据权利要求1所述的基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，其特征在于，所述中冷器（9）及所述空气压缩机（8）间的所述进气管（5）上设置有消音装置（20）。

7.根据权利要求1所述的基于空压机的燃料电池阻抗测定系统，其特征在于，所述空气压缩机（8）与空气过滤器（21）相连。

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