氢气过量系数的测量系统及测量方法与流程

1.本发明属于燃料电池检测领域，尤其涉及一种氢气过量系数的测量系统及测量方法。


背景技术：

2.氢燃料电池的供气系统分为氢气系统和空气系统。在氢气系统中，为了提高氢气利用率，保证有过量的氢气提供给电堆阳极，绝大多数的氢燃料电池的电堆阳极均配备有氢气循环装置。该氢气循环装置分为两种：一是氢气循环泵，二是引射器。氢气循环装置用于将电堆阳极出口的氢气通过电堆阳极入口重新引入电堆阳极内，形成氢气的循环。
3.一般评价循环装置的循环能力的指标是氢气过量系数，该氢气过量系数指进堆的氢气量与消耗的氢气量的比值。其中，进堆的氢气量是消耗氢气与循环利用的氢气量之和，循环利用的氢气量是循环装置从电堆出口回收的氢气量。
4.在燃料电池的实际运行过程中，电堆阳极的出口处为包含氢气和水的过饱和的湿氢气。而流量计一般只能测量单一组分气体的流量，故不能测出湿氢气中氢气的流量，导致氢气过量系数难以被精确测量出来。同时，在电堆阳极的氢气回路中设置流量计会显著增加氢气的流阻，导致氢气循环泵或者引射器的氢气循环能力受到显著影响，从而使数据失真，进一步增加了氢气过量系数的测量难度，降低了氢气过量系数的准确性。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供一种氢气过量系数的测量系统，以准确测量湿氢气的氢气流量，并获取准确的氢气过量系数，而且能够避免增加电堆阳极中的氢气回路的流阻。
6.为达此目的，本发明所采用的技术方案是：
7.一种氢气过量系数的测量系统，用于测量氢燃料电池的阳极系统的氢气过量系数，所述阳极系统包括电堆阳极、氢气回路和氢气供应管路，所述氢气回路的两端分别与所述电堆阳极的入口和出口连通，所述氢气供应管路与所述氢气回路连通，并向电堆阳极的入口提供氢气；所述氢气过量系数的测量系统包括：
8.流量测量模块，用于测量所述氢气供应管路中的氢气的流量；
9.第一测湿模块，用于测量所述电堆阳极的入口的氢气的湿度；
10.第二测湿模块，用于测量所述电堆阳极的出口的氢气的湿度；以及
11.控制单元，被配置为能够利用所述流量测量模块、所述第一测湿模块以及所述第二测湿模块的测量数据，并根据所述电堆阳极的入口处与出口处的湿氢气中水蒸气的质量守恒原理计算出所述电堆阳极的入口处和出口处的干氢气的流量，从而获得所述氢气过量系数。
12.进一步地，所述控制单元包括电连接的存储装置和计算装置，所述存储装置被配置为能够存储所述流量测量模块、所述第一测湿模块以及所述第二测湿模块的测量数据，所述计算装置被配置为能够根据所述测量数据计算所述氢气过量系数。
13.进一步地，所述第一测湿模块与所述第二测湿模块均包括温度传感器和压力传感器，以使所述第一测湿模块能够测量所述电堆阳极的入口处的氢气的温度和压力，所述第二测湿模块能够测量所述电堆阳极的出口处的氢气的温度和压力。
14.进一步地，所述存储装置与所述阳极系统通讯连接或电连接，所述电堆阳极的入口处的氢气的温度和压力通过所述存储装置传输至所述第一测湿模块，所述电堆阳极的出口处的氢气的温度和压力通过所述存储装置传输至所述第二测湿模块。
15.进一步地，所述氢气过量系数的测量系统还包括测温测压模块，所述测温测压模块用于测量所述电堆阳极的入口处和出口处的氢气的温度和压力。
16.进一步地，所述测温测压模块分别与所述第一测湿模块和所述第二测湿模块电连接或通讯连接，以将所述入口处的氢气的温度和压力传输至所述第一测湿模块以及将所述出口处的氢气的温度和压力传输至所述第二测湿模块。
17.进一步地，所述氢气过量系数的测量系统还包括接头，所述流量测量模块、所述第一测湿模块与所述第二测湿模块分别可拆卸地连通安装有所述接头，并通过对应的所述接头与所述阳极系统连通。
18.本发明的另一个目的在于提供一种氢气过量系数的测量方法，以准确测量湿氢气的氢气流量，并获取准确的氢气过量系数，而且能够避免增加电堆阳极中的氢气回路的流阻。
19.为达此目的，本发明所采用的技术方案是：
20.一种氢气过量系数的测量方法，使用上述的氢气过量系数的测量系统来测量氢燃料电池的阳极系统的氢气过量系数，所述氢气过量系数的测量方法包括：
21.测量所述氢气供应管路中的氢气的流量；
22.测量所述电堆阳极的入口处的氢气的湿度；
23.测量所述电堆阳极的出口处的氢气的湿度；
24.利用所述氢气供应管路中的氢气的流量、所述电堆阳极的入口处和出口处的氢气湿度的测量数据，并根据所述电堆阳极的入口处与出口处的湿氢气中水蒸气的质量守恒原理计算出所述电堆阳极的入口处和出口处的干氢气的流量，从而获得所述氢气过量系数。
25.进一步地，在测量所述电堆阳极的入口处和出口处的氢气湿度之前，所述氢气过量系数的测量方法还包括：
26.测量所述电堆阳极的入口处以及出口处的氢气的温度和压力。
27.进一步地，在测量所述电堆阳极的入口处和出口处的氢气湿度之前，所述氢气过量系数的测量方法还包括：将测量的所述电堆阳极的入口处的氢气的温度和压力传输至所述第一测湿模块，将所述出口处的氢气的温度和压力传输至所述第二测湿模块。
28.本发明的有益效果为：
29.本发明提供了一种氢气过量系数的测量系统，包括流量测量模块、第一测湿模块、第二测湿模块以及控制单元，通过流量测量模块测量氢气供应管路中的氢气的流量，第一测湿模块测量电堆阳极的入口的氢气湿度，第二测湿模块测量电堆阳极的出口的氢气的流量。控制单元利用测量数据，并根据电堆阳极的入口处与出口处的湿氢气中水蒸气的质量守恒原理计算电堆阳极的入口处和出口处的干氢气的流量，从而准确计算出氢气过量系数。该氢气过量系数的测量系统结构简单，便于携带，易于操作，能够用于具有不同种类的
氢气循环装置的氢燃料电池的阳极系统中，使用场景丰富。
30.此外，本发明提供的氢气过量系数的测量系统进行数据测量时，未在阳极系统的氢气回路中使用流量计，避免了增加氢气回路中氢气的流阻，有利于保证阳极系统中氢气循环装置的循环能力。
31.本发明提出的一种氢气过量系数的测量方法，在氢燃料电池的阳极系统中，分别测量氢气供应管路中的氢气的流量、电堆阳极的入口处和出口处的氢气湿度，然后利用上述的测量数据，并根据电堆阳极的入口处与出口处的湿氢气中水蒸气的质量守恒原理计算出电堆阳极的入口处和出口处的干氢气的流量，从而准确获取氢气过量系数。该氢气过量系数的测量方法操作简便，提高了氢气过量系数的检测效率。
附图说明
32.图1是本发明实施例提供的配置有氢气循环泵的燃料电池的阳极系统的结构示意图；
33.图2是本发明实施例提供的配置有引射器的燃料电池的阳极系统的结构示意图；
34.图3是本发明实施例一提供的氢气过量系数的测量系统的结构示意图；
35.图4是本发明实施例一提供的氢气过量系数的测量方法的主要流程图。
36.图中部件名称和标号如下：
37.1、流量测量模块；2、第一测湿模块；3、第二测湿模块；4、控制单元；5、接头；
38.10、截止阀；20、调压阀；30、气水分离器；40、排水阀；50、混合尾排；60、氢气循环泵；70、引射器；80、电堆阳极；81、入口；82、出口。
具体实施方式
39.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
40.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
43.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
44.在现有的氢燃料电池的阳极系统中，为保证有过量的氢气提供给电堆阳极80，绝大多数的阳极系统中均配备有氢气循环装置，氢气循环装置用于将电堆阳极80的出口82处的氢气通过电堆阳极80的入口81重新引入电堆阳极80内，形成氢气的循环，以提高氢气的利用率。阳极系统的各个组成部件的安装位置和连接关系基本相同，主要区别点在于：配备的氢气循环装置的种类不同，常用的氢气循环装置分为两种：一是氢气循环泵60，二是引射器70。
45.图1为配置有氢气循环泵60的燃料电池的阳极系统的结构示意图，图2为配置有引射器70的燃料电池的阳极系统的结构示意图。如图1和图2所示，阳极系统主要由氢气回路和氢气供应管路组成，具体包括电堆阳极80、截止阀10、调压阀20、气水分离器30以及氢气循环装置。氢气回路的两端分别与电堆阳极80的入口81处和出口82处连通。电堆阳极80的出口82依次通过气水分离器30和氢气循环装置与电堆阳极80的入口81连通。截止阀10与调压阀20依次连通，并形成上述的氢气供应管路，调压阀20与氢气循环装置连通，以向电堆阳极80的入口81提供氢气。
46.具体地，截止阀10用于控制是否向电堆阳极80供应氢气。调压阀20用于调节氢气供应管路中氢气的压力。本实施例的调压阀20可以为比例阀或氢气喷射器等。气水分离器30用于将从电堆阳极80出口82流出的含氢气和水的过饱和的湿氢气进行气水分离，从而获得水与湿氢气。湿氢气从气水分离器30的一个出口流出，并经过氢气循环泵60或引射器70重新进入电堆阳极80内。此外，阳极系统还包括排水阀40和混合尾排50，气水分离器30的另一个出口与排水阀40和混合尾排50依次连通，以使分离出来的水经过气水分离器30的另一个出口依次经过排水阀40和混合尾排50排出。
47.一般评价氢气循环装置的循环能力的指标是氢气过量系数，该氢气过量系数指进入电堆阳极80的氢气量与电堆阳极80消耗的氢气量的比值。其中，进入电堆阳极80的氢气量是消耗的氢气与循环利用的氢气量之和，循环利用的氢气量是循环装置从电堆阳极80的出口82回收的氢气量。
48.在燃料电池的实际运行过程中，电堆阳极80的出口82的氢气为包含水和氢气的湿氢气。而流量计一般只能测量单一组分气体的流量，故不能测出湿氢气中氢气的流量，导致氢气过量系数难以被精确测量出来。同时，在电堆阳极80的氢气回路中设置流量计会显著增加氢气的流阻，导致氢气循环泵60或者引射器70的氢气循环能力受到显著影响，导致测得的数据失真，进一步增加了氢气过量系数的测量难度和准确性。
49.实施例一
50.为解决上述问题，如图3所示，本实施例提出了一种氢气过量系数的测量系统，该氢气过量系数的测量系统包括流量测量模块1、第一测湿模块2、第二测湿模块3以及控制单元4。流量测量模块1连通安装于氢气供应管路中，用于测量氢气的流量。第一测湿模块2连通安装于电堆阳极80的入口81，用于测量电堆阳极80的入口81处的氢气湿度。第二测湿模块3连通安装于电堆阳极80的出口82，用于测量电堆阳极80的出口82处的氢气湿度。控制单元4能够利用上述的测量数据，并根据电堆阳极80的入口81处与出口82处的湿氢气中水蒸
气的质量守恒原理计算电堆阳极80的入口81处和出口82处的干氢气的流量，从而获得氢气过量系数。
51.需要说明的是，上述的测量数据包括氢气供应管路中的氢气的流量以及电堆阳极80的入口81处和出口82处的氢气的温度、压力和湿度。根据电堆阳极80的入口81处与出口82处的湿氢气中水蒸气的质量守恒原理，当获得氢气供应管路中的氢气的流量、电堆阳极80的入口81处和出口82处的氢气湿度的测量数据后，可以根据氢气供应管路中的氢气的流量计算出电堆阳极80出口82处的干氢气的流量。由于电堆阳极80的入口81处的干氢气的流量为氢气供应管路中的氢气的流量与电堆阳极80出口82处的干氢气的流量之和，因此，能够获得电堆阳极80的入口81处的干氢气的流量，最后通过电堆阳极80的入口81处的干氢气的流量除以氢气供应管路中的氢气的流量即可获得准确的氢气过量系数。需要注意的是，由于氢气的温度和压力会影响氢气的湿度，不同的温度和压力下的氢气的湿度也不相同，即，氢气过量系数也不相同。因此，第一测湿模块2、第二测湿模块3需要基于湿氢气的实际温度和压力下测量氢气的湿度。
52.具体地，控制单元4包括电连接的存储装置和计算装置，存储装置能够存储流量测量模块1、第一测湿模块2以及第二测湿模块3的测量数据，计算装置能够根据测量数据计算出氢气过量系数。本实施例的计算装置内可以安装有计算氢气过量系数的算法，通过输入测量数据，可以输出对应的氢气过量系数的数值，方便快捷，具有直观性。
53.继续如图3所示，本实施例的存储装置分别与流量测量模块1、第一测湿模块2与第二测湿模块3电连接，使得氢气过量系数的测量系统一体式设置，从而使得氢气过量系数的测量系统的整体结构简单，便于携带，易于操作。同时，通过线束或线缆传输关联数据，有利于提高数据传输稳定，避免受到外界干扰。
54.在其他可替代的实施例中，存储装置还可以分别与流量测量模块1、第一测湿模块2与第二测湿模块3通讯连接，使得氢气过量系数的测量系统分开设置，方便氢气过量系数的测量系统与氢燃料电池之间进行远距离数据传输。
55.本实施例的氢气过量系数的测量系统能够用于具有不同种类的氢气循环装置(氢气循环泵60或引射器70)的氢燃料电池的阳极系统中，使用场景丰富，具备一定的通用性。
56.在本实施例中，流量测量模块1包括流量计，流量测量模块1通过内置的流量计采集氢气供应管路的干氢气的流量。第一测湿模块2与第二测湿模块3均包括湿度传感器，并通过内置的湿度传感器分别测量电堆阳极80的入口81处和出口82处的湿氢气的湿度。
57.如图1和图2所示，本实施例的流量测量模块1、截止阀10与调压阀20沿氢气的流动方向依次连通。当然，流量测量模块1还可以连通安装于截止阀10与调压阀20之间或者调压阀20与氢气循环装置之间，均能够准确测量氢气供应管路的干氢气的流量。而且，流量测量模块1中的流量计不会增加氢气回路中的氢气流阻。
58.在对阳极系统进行温度和压力的数据采集时，本实施例的存储装置还能够与阳极系统通讯连接或电连接，在电堆阳极80的入口81处和出口82处均安装有温度传感器和压力传感器，以分别测量对应位置的温度和压力，并将测量的数据通过有线或无线的方式传输至存储装置中。然后，存储装置将电堆阳极80的入口81处的氢气的温度和压力传输至第一测湿模块2以及将电堆阳极80的出口82处的氢气的温度和压力传输至第二测湿模块3，以实现第一测湿模块2与第二测湿模块3后续的湿度测量。
59.在其它可替代的实施例中，阳极系统还可以实时读取电堆阳极80的入口81处以及出口82处的温度值和压力值，并直接录入存储装置内，无需将存储装置与阳极系统进行连接，更加方便快捷。
60.在本实施例中，氢气过量系数的测量系统还包括接头5，氢气过量系数的测量系统通过接头5与阳极系统连通。流量测量模块1、第一测湿模块2与第二测湿模块3分别可拆卸地连通安装有接头5，并通过对应的接头5与阳极系统连通。本实施例的三个接头5分别连通安装于氢气供应管路、电堆阳极80的入口81处以及气水分离器30的出口与氢气循环装置之间。
61.具体地，接头5可以为三通管，三通管通过其中的两个接口连通安装于阳极系统中对应的位置，并预留一个接口，以便于流量测量模块1、第一测湿模块2或第二测湿模块3的安装。本实施例的接头5与流量测量模块1、第一测湿模块2或第二测湿模块3之间的连接方式可以为螺纹连接或卡接等方式，安装操作简单便捷，有利于提高氢气过量系数的测量系统的安装效率和检测效率。
62.在其他可替代的实施例中，阳极系统中还可以在氢气供应管路、电堆阳极80的入口81处以及气水分离器30的出口与氢气循环装置之间直接预留接口，无需安装接头5，简化了氢气过量系数的测量系统的结构组成。将流量测量模块1、第一测湿模块2和第二测湿模块3直接安装到阳极系统中对应的接口，节省了接头5的安装时间，安装操作更加简单便捷，进一步提高了氢气过量系数的测量系统的安装效率和检测效率。
63.如图4所示，本实施例还提出了一种氢气过量系数的测量方法，上述氢气过量系数的测量系统通过该氢气过量系数的测量方法检测氢燃料电池的阳极系统的氢气过量系数。该氢气过量系数的测量方法主要包括：
64.测量氢气供应管路中的氢气的流量。
65.测量电堆阳极80的入口81处的氢气湿度。
66.测量电堆阳极80的出口82处的氢气湿度。
67.利用氢气供应管路、电堆阳极80的入口81处以及出口82处的测量数据，并根据电堆阳极80的入口81处与出口82处的湿氢气中水蒸气的质量守恒原理计算出电堆阳极80的入口81处和出口82处的干氢气的流量，从而获得氢气过量系数。
68.具体地，将流量测量模块1安装于测量氢气供应管路中，以测量氢气的流量。将第一测湿模块2安装于电堆阳极80的入口81，以测量电堆阳极80的入口81处的氢气湿度。将第二测湿模块3安装于气水分离器30的出口，以测量电堆阳极80的出口82处的氢气湿度。控制单元4根据测量数据计算电堆阳极80的入口81处和出口82处的干氢气的流量，从而获得氢气过量系数。
69.在使用氢气过量系数的测量方法对阳极系统进行检测之前，还需要进行接头5的安装操作。具体地，在氢气供应管路、电堆阳极80的入口81处以及气水分离器30的出口与氢气循环装置之间分别连通安装接头5，将流量测量模块1、第一测湿模块2以及第二测湿模块3分别与对应的接头5连通安装。
70.需要注意的是，在氢气过量系数的测量方法中，流量采集与湿度采集可以同时进行，且不会影响氢气过量系数的计算结果。在流量测量模块1、第一测湿模块2以及第二测湿模块3与阳极系统的连接操作之前、之时或之后，均可以将存储装置与阳极系统进行电连接
或通讯连接。
71.在测量电堆阳极80的入口81处和出口82处的氢气湿度之前，氢气过量系数的测量方法还包括：测量电堆阳极80的入口81处以及出口82处的氢气的温度和压力。具体地，通过存储装置将采集的电堆阳极80的入口81处的氢气的温度和压力传输至第一测湿模块2，将出口82处的氢气的温度和压力传输至第二测湿模块3，从而使得第一测湿模块2与第二测湿模块3能够分别基于对应位置的温度和压力值测量氢气的湿度。同时，为了方便对氢气过量系数进行保存记录，还可以采集实际的氢燃料电池的输出功率，记录对应输出功率下的氢气过量系数。
72.此外，在计算氢气过量系数之前，如果阳极系统中的氢气循环装置为氢气循环泵60，还可以测量并采集氢气循环泵60的转速。需要说明的是，氢燃料电池输出功率与氢气循环泵60的转速均不会影响氢气过量系数的计算结果，仅仅作为氢气过量系数的实际工况数据。
73.本实施例的氢气过量系数的测量系统通过采用上述氢气过量系数的测量方法获取阳极系统的氢气过量系数，流程简单，方便快捷，保证了氢气过量系数的准确性。
74.实施例二
75.本实施例公开了一种氢气过量系数的测量系统，该氢气过量系数的测量系统与实施例一中的基本相同，主要区别点在于：阳极系统的氢气供应管路、电堆阳极80的入口81处以及出口82处的温度和压力的数据采集方式不同。
76.具体地，本实施例的第一测湿模块2与第二测湿模块3均还包括温度传感器和压力传感器，以使第一测湿模块2能够直接测量电堆阳极80的入口81处的氢气的温度和压力，第二测湿模块3能够直接测量电堆阳极80的出口82处的氢气的温度和压力，方便快捷，提高了检测效率。
77.在本实施例中，第一测湿模块2与第二测湿模块3在各自的湿度传感器的基础上均集成有温度传感器和压力传感器，提高了氢气过量系数的测量系统的集成度。而且，当采集电堆阳极80的入口81处以及出口82处的温度和压力时，无需将控制单元4的存储装置与阳极系统连接，简化了氢气过量系数的测量系统的采集流程，提高了数据采集效率。同时，当现有的阳极系统不能输出或直接读取电堆阳极80的入口81处以及出口82处的氢气的温度和压力时，本实施例的氢气过量系数的测量系统依然能够对其进行氢气过量系数的准确检测，进一步丰富了使用场景，提高了通用性。
78.实施例三
79.本实施例公开了一种氢气过量系数的测量系统，该氢气过量系数的测量系统与实施例一中的基本相同，主要区别点在于：阳极系统的氢气供应管路、电堆阳极80的入口81处以及出口82处的温度和压力的数据采集方式不同。
80.具体地，本实施例的氢气过量系数的测量系统还包括测温测压模块，测温测压模块用于测量电堆阳极80的入口81处以及出口82处的氢气的温度和压力。以使氢气过量系数的测量系统能够直接测量电堆阳极80的入口81处以及出口82处的氢气的温度和压力。
81.具体地，测温测压模块为温度传感器和压力传感器的集成体，能够同时检测对应位置的氢气的温度和压力。本实施例的测温测压模块数量可以为两个，两个测温测压模块能够分别连通安装于电堆阳极80的入口81处以及出口82处。
82.本实施例的测温测压模块分别与第一测湿模块2和第二测湿模块3电连接或通讯连接，以将入口81处的氢气的温度和压力传输至第一测湿模块2以及将出口82处的氢气的温度和压力传输至第二测湿模块3。从而使得第一测湿模块2与第二测湿模块3能够分别基于对应位置的温度和压力值测量氢气的湿度。
83.在本实施例中，当现有的阳极系统不能输出或直接读取电堆阳极80的入口81处以及出口82处的温度和压力时，本实施例的氢气过量系数的测量系统依然能够对其进行氢气过量系数的准确检测，进一步丰富了使用场景，提高了通用性。
84.以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。