一种空冷电堆环境模拟测试系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池空冷电堆测试的环境模拟装置的结构和控制方法，更具体地说，涉及一种具有模拟环境低气压，以及温度、湿度、氧气浓度、氢气浓度控制的测试和运行管理方法。


背景技术：

2.氢气可以用于燃料电池高效地产生电能，并以氢质子交换膜燃料电池为常见。由于效率低于百分之百，电堆运行将产生废热，按照废热的移除方式，即冷却方式，主要分成水冷堆和空冷堆两种。
3.水冷电堆一般具有阴极增压和冷却剂循环二次冷却的特点，阴极空气与冷却空气具有不同的物理通道空间。其中，阴极空气可以经过增压、增湿调节之后进入阴极，并与冷却腔分离，冷却腔的液体在电堆外部与空气交换热量。空冷电堆的阴极空气一般直接使用环境大气，并使用这些空气在电堆内部直接进行冷却，冷却通道与阴极通道在相同的物理空间通道一体化，空气直接经过电堆的极板间，并且不经过温度、压力和湿度处理。由于这些原因，空冷电堆运行表现对于环境条件的依赖比水冷电堆要严重的多。
4.因此，用于水冷电堆测试的环境仓以及测试方法与用于直接空冷电堆的差异较大，需要有针对性地开发相关技术。
5.目前对于水冷电堆的大气环境模拟测试开展的也尚少，对于空冷电堆的大气环境模拟测试开展的更少。
6.专利申请cn111540930a公开一种空冷电堆的装置，在重复结构下用于多个空冷电堆的常规测试，以加快检测进度，但是只能在常规大气开放条件下进行。
7.专利申请cn111162296a，公开了一种测试室和控制方法，用于大气环境模拟。该技术用于水冷电堆在环境模拟仓中运行，使用环境仓内空气增压用于阴极气体，散热在环境仓外。其氢气直接排放于环境仓，这将产生氢气扩散在测试空间内，经过阴极空气压缩机送往阴极，很明显，其电堆运行在阴极具有一定量的氢气而与实际环境中阴极空气没有氢气是不同的，并且不在模拟气候环境仓内散热，这与空冷电堆直接散热到电堆周围环境中，具有根本的不同。由于该技术的氢气尾排在环境仓中，为控制氢气浓度、降低阴极排放的氢气影响，需要加大换气排放或加大空间来稀释氢气，结果是空间增大或空间换气次数增加，在常用的模拟高原低压操作中，该技术需要支出较大的真空换气能耗。
8.专利申请cn111380688a，公开了一种集装箱式检测装置，针对水冷电堆，其氢气尾气与空气尾气混合，排放到大气中，并且其氢气从电堆释放的环境压力与测试仓压力无关，电堆产生的热量也不排放到检测的模拟气候环境仓中，与空冷堆测试的原理不同。


技术实现要素：

9.为了克服现有技术存在的不足，本发明涉及燃料电池空冷电堆测试的环境模拟装置结构和运行的控制方法，更具体地说，涉及一种具有模拟环境气压，特别是低气压，以及
温度、湿度、氧气浓度、氢气浓度控制的测试装置条件和运行管理方法。
10.本发明的具体技术方案如下：
11.一种空冷电堆环境模拟测试系统，由环境仓、氢气管理系统和空气管理系统组成，其中环境,为耐真空压力容器环境仓，所述环境仓中部放置待测的空冷电堆，空冷电堆带有风扇引风，在空冷电堆与环境仓之间具有空隙可以流通空气，该空隙中设置有风向和流速检测的风向风速计，环境仓还具有限定压力不低于限定值的安全阀、接近于出口处的环境仓氢气浓度传感器。
12.进一步的，所述氢气管理系统由环境仓外的氢气源、氢气控制器、环境仓外依次连接的尾气缓冲器、氢气分水器以及连接管道组成，氢气控制器一端与氢气源相连。另一端与尾气缓冲器相连，尾气缓冲器与氢气分水器之间的连接管道设有尾气缓冲器阀，氢气分水器与环境大气a的连接管道设有氢气分水器破空阀，氢气分水器与氢气真空系统的连接管道设有连接真空的阀a，氢气分水器设有压力传感器，下方的管道设有下端的放水阀。
13.进一步的，所述氢气控制器为设置在环境仓内的电堆自备氢气控制器或设置在环境仓外的氢气控制器。
14.进一步的，所述外置空气管道系统包括循环管道、空气供气、氧气供气、氮气供气和去离子水供应，从环境仓上连接出空气出口的循环管道，循环管道上依次连接有出堆后氢气浓度传感器、出堆后温度传感器、降温换热器、空气分水装置、循环风机、降温后湿度传感器、降温后温度传感器、氧气浓度传感器，再依次连接上循环管道的气体组分调节段，包括空气供气、氧气供气、氮气供气、去离子水供应、升温前温度传感器、升温换热器、升温后氧气浓度传感器、升温后压力传感器、升温后温度传感器、升温后湿度传感器，然后回到环境仓。
15.进一步的，所述空气分水装置包括，连接在循环管道上、降温换热器之后的空气分水器，空气分水器与环境大气的连接管道设有连接真空的阀c，空气分水器与收集器的连接管道设有空气分水器阀，收集器与环境大气b的连接管道设有收集器破空阀，收集器与空气真空系统的连接管道设有连接真空的阀b,收集器设有收集器压力传感器，下方的管道设有收集器放水阀。
16.对于上述测试装置，本发明提供一种空冷电堆环境模拟测试的控制方法，系统启动主程序，选定运行参数或修改运行参数，周期性检测包括各种压力、温度、湿度、浓度、流量的参数，并在以下各过程中持续进行。
17.控制方法还包括对空气子系统控制子程序、氢气子系统运行控制子程序的控制。
18.(1)空气子系统控制子程序
19.测试系统进入启动状态时，首先开启防爆的循环风机，风向风速计检测风向和风速，保持相对风向为从左到右，控制循环风机的转速，通过开启循环管道上的连接真空的阀c调节内部气体压力至设定值；如果氢气浓度超标，则开启循环管道上的连接真空的阀c的同时开启空气供气，降低循环管道内的氢气浓度，直到氢气浓度降低到测试运行设定的氢气浓度，以避免氢气浓度影响电堆阴极运行条件，并对低浓度不予处理，以节省不必要的过高标准消耗；
20.满足上述条件后，打开循环管道的收集器上的连接真空的阀b，开空气分水器阀，使收集器与循环管道同压，控制升温换热器升温到预定温度；根据降温后湿度传感器与升
温后湿度传感器的监测数值，如果低于要求的湿度则调整增加喷雾加入水量，如果高于要求的湿度则增加降温换热器的冷水流量，将空气调整到要求的露点；
21.根据氧气浓度传感器和升温后氧气浓度传感器检测浓度，对比系统设置的氧气浓度，如果氧气浓度与系统设置的氧气浓度相同，则选择空气供气，浓度低于系统设置则选择氧气供气，浓度高于系统设置则选择氮气供气，同时只选择其中之一供气，保持循环管道的压力和进入环境仓的氧气浓度相同；利用升温后压力传感器检测循环管道的压力，如果压力超过设定值则通过循环管道的连接真空的阀c降压达到设定值；如果压力低于设定值，则根据设置的氧气浓度高低，通过空气供气、氧气供气、氮气供气其中之一供气，达到增压和控制氧气浓度；循环管道内的气体温度使用降温换热器和升温换热器控制，检测点是出堆后温度传感器、降温后温度传感器、升温前温度传感器、升温后温度传感器；
22.检测空气路收集器的水位，如果达到指定的放水位置，则关闭空气分水器阀，打开空气路收集器破空阀，放水后，关闭空气路收集器破空阀，打开连接真空的阀b减压，与循环管道同压后，开空气分水器阀再次收水；
23.(2)氢气子系统控制子程序
24.测试系统进入启动状态时，氢气源未向空冷电堆通入氢气，开通防爆的循环风机，利用环境仓氢气浓度传感器、出堆后氢气浓度传感器检测氢气浓度；
25.开启尾气缓冲器阀，打开连接真空的阀a，压力传感器检测实际压力，氢气分水器破空阀参与调节压力，维持该压力与空冷电堆运行环境压力差值在一定范围内；
26.将氢气尾排放入尾气缓冲器中，尾气缓冲器的压力控制在与循环管道压力相差为一定范围内，模拟并保持一种与真实环境中的空冷电堆的氢气腔与空气腔的压差条件，包括脉冲式的压差波动条件下，氢气不排放到循环管道中；
27.当氢气分水器的水位达到预定排放高度时，关闭尾气缓冲器阀，打开氢气分水器破空阀，恢复氢气分水器压力为环境大气压以排水，氢气分水器的压力恢复与环境大气a相同后，氢气分水器内的水在重力作用下排出放水，然后关闭氢气分水器破空阀，打开连接真空的阀a使氢气分水器减压到循环管道的压力值，打开尾气缓冲器阀，接受尾气排放，继续接水；
28.上述放水时间选择在下一次尾气脉冲结束后的立即时刻，关闭尾气缓冲器阀，在脉冲周期10～30秒内，完成破空、排水、减压、再次打开收水的一个周期。
29.进一步的，测试运行设定的氢气浓度为0～200ppm，优选为10～100ppm。
30.进一步的，循环风机的风速控制在0.1～2m/s，优选为0.2～0.5m/s。
31.进一步的，氢气分水器破空阀参与调节的压力与空冷电堆运行环境压力差值在控制在
±
5.0kpa，优选为
±
0.2～2.0kpa。
32.本发明与现有技术相比的有益效果是：
33.本发明可以获得更接近于实际运行的模拟条件，有利于降低测试能耗，便于测试的稳定运行。在保持氢气排气口压力与设定环境压力相同的条件下，氢气尾气不排放到测试装置的循环空气中，能够大幅度降低换气能耗，特别是降压条件下的真空抽气的能量消耗，提高系统安全。
34.本发明有益之处还在于有利于空冷电堆测试系统体积减小和造价的降低，也有利于获得更全面的运行数据。一方面是因为空冷电堆系统功率一般小于水冷电堆系统的功
率，另一方面是因为本发明降低了主容器的体积。
附图说明
35.图1，空冷电堆环境模拟测试系统的结构示意图；
36.图2，对具有完整氢气管理的空冷电堆系统的测试局部结构示意图；
37.图3，部分管路穿过环境仓的布局示意图。
38.其中，1、循环管道，2、空气供气，3、氧气供气，4、氮气供气，5、去离子水供应，6、升温换热器，7、氢气源，8、电堆自备氢气控制器，9、尾气缓冲器，10、环境大气a，11、氢气分水器破空阀，12、氢气分水器，13、下端的放水阀，14、连接真空的阀a，15、氢气真空系统，16、压力传感器，17、尾气缓冲器阀，18环境大气b，19收集器破空阀，20、收集器，21、收集器放水阀，22、连接真空的阀b，23、空气真空系统，24、收集器压力传感器，25、空气分水器阀，26、空气分水器，27、连接真空的阀c，28、环境大气c，29、降温换热器，30、循环风机，31、氧气浓度传感器，32、降温后温度传感器，33、降温后湿度传感器，34、出堆后温度传感器，35、出堆后氢气浓度传感器，36、环境仓氢气浓度传感器，37、空冷电堆，38、环境仓，39、安全阀，40、环境大气d，41、风向风速计，42、升温后湿度传感器，43、升温后温度传感器，44、升温后压力传感器，45、升温后氧气浓度传感器，46、升温前温度传感器。
具体实施方式
39.下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明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。
40.所述氢气真空系统具有对氢气的常规处理方法与设施，本文不予详述。
41.实施例1
42.在图1中，空冷电堆的环境模拟测试装置，由装有待测电堆的测试装置主体，即放置被测空冷电堆37的环境仓38，与环境仓38连接的氢气管理系统和外置空气管理系统组成。
43.外置空气管道系统中的环境模拟空气从环境仓38的相对对侧进出，为方便表述，本图中空气为左侧进入、右侧流出，这是非限定性的相对方位。环境仓38中部放置待测的空冷电堆37，空冷电堆37具有的风扇引风方向与前述左进右出相同，在空冷电堆37与环境仓38之间具有空隙可以流通空气，该空隙中设置有风向和流速检测的风向风速计41，环境仓38还具有限定压力不低于限定值的安全阀39、接近于出口处的环境仓氢气浓度传感器36。
44.所述氢气管理系统包括环境仓38内的电堆自备氢气控制器8，环境仓38外的氢气源7、尾气缓冲器9，尾气缓冲器9下端连接尾气缓冲器阀17、氢气分水器12，氢气分水器12上具有氢气分水器破空阀11、连接真空的阀a14、压力传感器16、下端的放水阀13，以及其中的连接管道。
45.所述外置空气管道系统包括循环管道1，包括空气、氧气、氮气和水增湿，循环管道1具有保温隔热材料包覆，以降低系统各种部件与环境的热量交换。从环境仓38上连接出空气出口的循环管道1，循环管道1上依次连接的出堆后氢气浓度传感器35、出堆后温度传感器34、降温换热器29、空气分水装置、连接真空的阀c27、防爆的循环风机30、降温后湿度传感器33、降温后温度传感器32、氧气浓度传感器31、空气供气2、氧气供气3、氮气供气4、去离
子水供应5、升温前温度传感器46、升温换热器6、升温后氧气浓度传感器45、升温后压力传感器44、升温后温度传感器43、升温后湿度传感器42。
46.其中所述空气分水装置包括，连接在循环管道1上的空气分水器26，以及空气分水器26下端出水口连接的空气分水器阀25、收集器放水阀21，以及收集器20上的收集器破空阀19、收集器压力传感器24、连接真空的阀b22，以及其中连接管道。
47.实施例2
48.如图2所示，与实施例1不同的是，本例被测空冷电堆37具有自备的氢气管理系统自行控制氢气的排放，空冷电堆37的环境模拟测试装置只提供氢气源7，但是不提供电堆自备氢气控制器8，空冷电堆37产生的氢气排放直接进入尾气缓冲器9，其余与实施例1相同。
49.实施例3
50.如图3所示，循环管道1在经过循环风机30之后，穿过环境仓38内部，再经过升温换热器6进入到环境仓38内部。这种布局比实施例1的布局减少总体外形尺寸。其它的氢气尾气管理系统、各种传感器、空气管理系统中不包括穿过环境仓38的其它部分，相对位置和作用保持不变。
51.实施例4
52.对于上述测试装置，本发明提供一种空冷电堆环境模拟测试的控制方法，如下所述：
53.系统启动主程序，选定运行参数或修改运行参数，周期性检测包括各种压力、温度、湿度、浓度、流量等参数，并在以下各过程中持续进行。在各种情况下，系统检测到的故障保护指令、人为中断指令等，则优先自动进行相关指令，属于常规，本文不做具体描述。
54.控制方法包括对空气子系统控制子程序、氢气子系统运行控制子程序的控制。
55.(1)空气子系统控制子程序
56.测试系统进入启动状态时，首先开启防爆的循环风机30，风向风速计41检测风向和风速，保持相对风向为从左到右，风速优选为0.1～2m/s，更优选为0.2～0.5m/s，并以此控制循环风机30的转速。
57.打开连接真空的阀c27，开空气分水器阀25，打开连接真空的阀b22，收集器20与循环管道1同压。控制升温换热器6，升温到预定温度；根据降温后湿度传感器33与升温后湿度传感器42，如果低于要求的湿度则调整喷雾加入水量，高于要求的湿度则加大降温换热器29的流量，将空气调整到要求的露点。
58.检测收集器20的水位，如果达到指定的放水位置，则关闭空气分水器阀25，打开收集器破空阀19，放水后，关闭收集器破空阀19，打开连接真空的阀b22减压，与循环管道1同压后，开空气分水器阀25再次收水。
59.在空冷电堆37运行中，对循环空气至少带来温度、压力、湿度、氧气含量、氢气含量的变化。
60.如果环境仓38氢气浓度传感器29或出堆后氢气浓度传感器36检测氢气浓度超标，即循环管道1或环境仓38中氢气浓度超标，则打开连接真空的阀c27，连续排出循环空气，同时通过空气供气补充气体，降低系统内的氢气含量。
61.循环管道1的压力、温度达到指标后，进行湿度调节，利用升温后湿度传感器42控制去离子水供应5的加水量；根据升温后氧气浓度传感器45和氧气浓度传感器31检测浓度，
对比系统设置的氧气浓度，如果浓度相同则选择空气供气2，浓度低于系统设置则选择氧气供气3，浓度高于系统设置则选择氮气供气4，同时只选择其中之一供气，保持循环管道1的压力和进入环境仓38的氧气浓度；利用升温后压力传感器44检测循环管道1的压力，如果压力超过设定值则通过连接真空的阀c27降压达到设定值；如果压力低于设定值，则根据设置的氧气浓度高低，通过空气供气2、氧气供气3、氮气供气4其中之一供气，达到增压和控制氧气浓度；循环管道1内的气体温度使用降温换热器29和升温换热器6控制，检测点是出堆后温度传感器34、降温后温度传感器32、升温前温度传感器46、升温后温度传感器43。
62.(2)氢气子系统控制子程序
63.测试系统进入启动状态时，氢气源7未向空冷电堆37通入氢气；
64.打开连接真空的阀a14，压力传感器16检测氢气分水器12的实际压力，氢气分水器破空阀11和连接真空的阀a14共同调节压力；当检测压力高于设定的运行压力时，连接真空的阀a14开启降低压力，当检测压力低于设定的运行压力时，氢气分水器破空阀11开启提高压力，维持该压力与空冷电堆37运行环境压力差值在一定范围内，例如
±
5.0kpa，优选为
±
0.2～2.0kpa；压力差值为上述范围内之后，开启尾气缓冲器阀17，空冷电堆37可以运行。
65.氢气管理系统有两种，一种属于空冷电堆37自带的运行管理，另一种是整个空冷电堆环境模拟测试系统直接管理；两种方法均是将氢气尾排放入尾气缓冲器9中，尾气缓冲器9的压力控制在与循环管道1压力相差为预定范围内，如1kpa内，模拟并保持一种与真实环境中的空冷电堆的氢气腔与空气腔的压差条件，包括脉冲式的压差波动条件下，氢气不排放到循环管道1中；
66.当氢气分水器12的水位达到预定排放高度时，关闭尾气缓冲器阀17，打开氢气分水器破空阀11，氢气分水器12的压力恢复与环境大气a10相同后下端的放水阀13放水，然后关闭氢气分水器破空阀11，打开连接真空的阀a14使氢气分水器12减压到与循环管道1的压力差值为上述预定范围，打开尾气缓冲器阀17，继续接水；
67.上述氢气路排水的时间管理方法是，在需要排水时，当排水信号发出后紧接的一次尾气脉冲结束后立即关闭尾气缓冲器阀17，电堆一般脉冲周期为10～30秒内，在此周期内完成破空、排水、减压、再次打开收水的一个周期。
68.以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明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发明的权利要求保护范围之内。