一种燃料电池空气流量计高效校准系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池空气流量计校准领域，尤其涉及一种燃料电池空气流量计高效校准系统及其控制方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种通过将燃料和氧化剂分别通入包含一定其他结构的阳极与阴极，从而直接将化学能转化为电能的装置。固体高分子型燃料电池是一种利用电解质膜只允许质子通过这一特性而组建的电池，每个电池单体包含阳极、阴极和夹杂在电极间的电解质膜组成，为了获得较高的功率输出，通常将多个燃料电池单体进行堆叠。固体高分子型燃料电池中的电解质膜是一种聚合物，可以较容易地制造且能够在低温下运行，同时能量转化方面效率比热力发电高，作为便携式电源和可移动物体的电源具有较大优势。
3.燃料电池系统配有压缩机，其作用是提供反应所需空气、稀释排出的氢、控制水含量等，目前已知可应用在燃料电池系统中的压缩机有两种，一种是罗茨式压缩机，一种为涡轮式压缩机，为了实现空气的精确供给，压缩机后一般安装有空气流量计，作用是计量所供给的空气量，燃料电池控制系统根据发电需求而计算出的流量指令值与流量计的测量值调节压缩机的运行，实现空气的快速和高精度供给，因此流量计的测量精确度显得较为重要，若计量有偏差，一方面燃料电池无法获得要求的发电量，另一方面，供给到燃料电池内部的空气会影响其含水量，例如超过发电所需的空气会增加带走的水量，使燃料电池内部干燥，发电效率降低，因此流量计的计量精确度尤为重要，而随着时间的推移，流量计的准确度会降低，给测量带来误差，所以需要间断性对流量计进行校准。
4.在以往公布的专利中，如已申请公布的cn102947997a，因为不同供给空气下燃料电池内部含水量不同，导致渗透入阳极的水量不同，从而影响氢循环泵消耗电力这一关系进行校准，但校准过程相对复杂，间接影响因素过多，准确度和实用性不高；已公布的cn102598381b是利用燃料电池内部和空气出入口阀间管路的固定空间来进行校准，具体方法中需要对阴极管路供应较高压力的空气，由于质子膜存在渗透现象，校准的精度仍受其影响，所以需要一个更为简单实用且校准精度较高的方法。因此提出一种燃料电池空气流量计高效校准系统及其控制方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种燃料电池空气流量计高效校准系统及其控制方法，解决了现有的燃料电池空气流量计在校准时受制约因素较多，精度低，误差大的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池空气流量计高效校准系统，包括空气供给模块ao、氢气供给模块ho、散热模块wo、控制模块uo与pemfc1燃料电池，所述空气供给模块ao包括空气过滤器a5、空气压缩机a3、反吹扫阀a6、空气入口阀a4、空气出口阀a2、旁通阀a2、吹扫泄放阀a7、空气入口压力传感器p3、出口压力传感器p4和互相连接管路组成。
7.优选的，所述氢气供给模块h0包括氢罐tk1、瓶口阀h1、氢气压力调节阀h2、氢气流量控制器h3、氢循环泵h4、气液分离器h5、氢管路泄放阀h6、氢气入口压力表p1、氢气出口压力表p2和相互连接管路组成，所述氢罐tk1上依次连接有瓶口阀h1、氢气压力调节阀h2、氢气流量控制器h3，所述氢气流量控制器h3与pemfc1燃料电池的氢气进口连接，且氢气流量控制器h3上安装有氢气入口压力表p1，所述pemfc1燃料电池的氢气出口安装有氢气出口压力表p2，且pemfc1燃料电池的氢气出口连接有气液分离器h5，所述气液分离器h5分别连接有氢循环泵h4与氢管路泄放阀h6，所述氢循环泵h4与pemfc1燃料电池的氢气进口连接。
8.优选的，所述散热模块w0包括三通调节阀w1、散热器w2、冷却剂循环泵w3、冷却剂出口温度传感器t1、冷却剂入口温度传感器t2和相互连接的管路，所述emfc1燃料电池的氢气进口连接三通调节阀w1，且emfc1燃料电池的氢气进口上安装有冷却剂出口温度传感器t1，所述三通调节阀w1分别连接有散热器w2与冷却剂循环泵w3，且散热器w2与冷却剂循环泵w3互相连接，所述冷却剂循环泵w3与emfc1燃料电池的空气出口连接，并在空气出口处安装有冷却剂入口温度传感器t2。
9.优选的，所述控制模块u0包括环境温度传感器t3，所述控制器u0上安装有环境温度传感器t3，所述控制器u0与空气出口阀a1、散热器w2、氢气压力调节阀h2控制信号连接。
10.优选的，所述空气过滤器a5连接有反吹扫阀a6，所述反吹扫阀a6连接有空气压缩机a3，所述空气压缩机a3的出口分别连接有空气入口阀a4与旁通阀a2，所述旁通阀a2与空气出口阀a1的出口连接，所述空气压缩机a3与空气入口阀a4之间连接有空气入口压力传感器p3，所述空气出口阀a1与pemfc1燃料电池的出口之间连接有出口压力传感器p4。
11.一种燃料电池空气流量计高效校准系统的控制方法，包括以下步骤：
12.s1：首先s10判断燃料电池距离上次校准是否经过了一定时间tn，例如7d，可更改设置，若没有即s10为否，则结束此控制，若收到停止运行信号s10为是，则进行s20控制；
13.s2：判断吹扫是否完成，且燃料电池内部温度t与外部空气温度t0相同，或两者相差在一定范围内，以此降低后续计算误差，系统维持此判断直到为是时进入s30；
14.s3：关闭燃料电池入口阀a4，使压缩机a3与燃料电池入口阀之间形成密闭管路，此封闭空间容积为vn，根据系统设计而定，且为固定值；
15.s4：然后进入s40开启压缩机并运行预先设定的时间tn，记录p3的变化值δp、流量计累计测量值v1；
16.s5：接着进入s50判断δp是否大于δpn，如果为否那么所建立的密闭空间存在泄露，转而执行s90，判断泄露的问题是否出现超过2次，若s90为是则进入s110发出建压故障报警，停止校准控制；
17.s6：当s90判断为否进入s100，打开a2阀，使p3为大气压，然后进入s40再次进行动作，如s50判断为是，则进入s60，则计算校准系数m1；
18.s7：控制系统u0将m1存储在内部，接着进入s70再次执行完整的上述过程，而得到m2，然后再计算确定校准系数m并存储，结束空气流量计的校准过程；
19.s8：校准之后，当燃料电池再次运行时，如燃料电池系统依据发电需求，计算出需要供给的空气流量为v，那么使空气流量计测量获得的流量f即可计算得出。
20.优选的，所述m1的计算公式为：
21.m1＝vn*δp/(v1*pa)
22.其中，pa为大气压力，根据当地的气压实际值而定。
23.优选的，所述m的计算公式为：
24.m＝(m1 m2)/2。
25.优选的，所述f的计算公式为：
26.f＝v/m。
27.与相关技术相比较，本发明提供的一种燃料电池空气流量计高效校准系统及其控制方法具有如下有益效果：
28.本发明提供一种燃料电池空气流量计高效校准系统及其控制方法，通过当燃料电池系统停止运行，吹扫完成且温度接近环境温度时，依据校准控制流程可确定校准系数m，可对下次空气的供给量指令值进行计算获得实际的流量计指示值，排除流量计的计量误差，更加精确地实线空气供给。校准流程中使用管路形成的闭合空间进行建压，与其他公开的方法相比可以更便捷地实现校准操作，且抑制了由于质子膜渗透导致的误差，因此可以更加精确地计算校准系数。
附图说明
29.图1为本发明的一种燃料电池空气流量计高效校准系统的原理图。
30.图2为本发明的一种燃料电池空气流量计高效校准系统的校准控制流程图。
31.图3为本发明的一种燃料电池空气流量计高效校准系统的压力变化值区间示意图。
32.图4为本发明的一种燃料电池空气流量计高效校准系统的校准控制流程图的变形例。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
34.实施例一：
35.请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种燃料电池空气流量计高效校准系统，包括空气供给模块ao、氢气供给模块ho、散热模块wo、控制模块uo与pemfc1燃料电池，空气供给模块ao包括空气过滤器a5、空气压缩机a3、反吹扫阀a6、空气入口阀a4、空气出口阀a2、旁通阀a2、吹扫泄放阀a7、空气入口压力传感器p3、出口压力传感器p4和互相连接管路组成。
36.空气供给模块a0包括空气过滤器a5、空气压缩机a3、a6空气流量计、空气入口阀a4、空气出口阀a1、旁通阀a2、吹扫泄放阀a7、空气入口压力传感器p3、出口压力传感器p4和相互连接管路组成。空气过滤器a5过滤掉空气中的杂质、灰尘，通过空气压缩机a3控制空气的输送压力和流量，空气入口阀a4是常闭阀，当满足一定压力的空气流入时打开，空气出口阀a1是可调节阀，通过调节其开度控制燃料电池中空气供应的压力，旁通阀a2也是可调节阀，控制由压缩机a3出口的空气向燃料电池内部流入的量，也可用来稀释氢气供给模块h0
泄放出的氢气浓度，使之满足排放要求，反吹扫阀a6用于停机吹扫，当燃料电池停止运行时将其打开，使空气经过反吹扫阀a6而流入燃料电池出口进行反吹扫，吹扫泄放阀a7是将经反吹扫后的气体液体输送至排放口，空气入口压力传感器p3测量进入燃料电池的空气压力，出口压力传感器p4测量燃料电池出口的空气测压力。
37.氢气供给模块h0包括氢罐tk1、瓶口阀h1、氢气压力调节阀h2、氢气流量控制器h3、氢循环泵h4、气液分离器h5、氢管路泄放阀h6、氢气入口压力表p1、氢气出口压力表p2和相互连接管路组成。氢罐tk1存储高压氢气燃料，如35mpa或70mpa，亦可以是重整产生的燃料箱，瓶口阀h1控制氢气供应的通断，氢气压力调节阀h2调整由氢罐流出的高压氢气，如将高压氢气减压至200kpa，氢气流量控制器h3是用来调节供应至燃料电池的氢气的流量，可采用比例调节阀或电磁脉冲阀，氢循环泵h4将由燃料电池排出的未进行反应的氢气以一定的压力和流量再循环至氢气供应管路，使这部分氢气再次进入燃料电池反应，提高燃料的利用效率，气液分离器h5作用是将燃料电池氢气排放管路排出的废气中的气体与水分开，分离后的气体进入氢循环泵h4，分离后的水存于分离器的下半端，氢管路泄放阀h6以一定的周期或根据控制器的信号打开，将气液分离器中的水和氢管路中的非氢气体，如由阴极渗透到阳极的氮气和少量氢等，经空气稀释后以规定浓度以下排出到大气中，氢气入口压力表p1和氢气出口压力表p2分别测量进入和排出燃料电池的氢气压力。
38.散热模块w0包括三通调节阀w1、散热器w2、冷却剂循环泵w3、冷却剂出口温度传感器t1、冷却剂入口温度传感器t2和相互连接的管路。
39.冷却水出口温度传感器t1和冷却剂入口温度传感器t2分别测量燃料电池冷却管路出口和入口的冷却剂温度，其中冷却水出口温度传感器t1的值可认为是燃料电池内部的温度，散热器w2是用来使流过的冷却剂降温的设备，例如换热管配有风扇进行吹扫冷却或多相流换热设备，传热管路三通调节阀w1根据燃料电池内部温度调节进入散热器w2的冷却剂量，进入散热器w2的冷却剂越多，燃烧器入口冷却剂的温度越低，有利于降低燃料电池内部温度，一般地，控制燃料电池内部温度在60-80℃之间，冷却剂循环泵w3调整冷却剂循环量，即流速，当需要更快速降温时，升高冷却剂循环泵w3的转速更利于实现燃料电池的降温。
40.fc1为燃料电池本体，由多个燃料电池单体堆叠而成，可通过调整燃料和空气的供给量控制燃料电池fc1的发电量。控制器u0收集各模块中的和环境温度传感器t3测量数据，并根据内置的控制策略与程序调节诸如阀门、泵、压缩机等部件运行，使燃料电池的发电量满足控制指令要求。
41.本实施方案中，如上所述，当燃料电池系统停止运行，吹扫完成且温度接近环境温度时，依据校准控制流程可确定校准系数m，可对下次空气的供给量指令值进行计算获得实际的流量计指示值，排除流量计的计量误差，更加精确地实线空气供给。校准流程中使用管路形成的闭合空间进行建压，与其他公开的方法相比可以更便捷地实现校准操作，且抑制了由于质子膜渗透导致的误差，因此可以更加精确地计算校准系数。
42.实施例二：
43.请参阅图1-4所示，在实施例一的基础上，本发明提供一种技术方案：一种燃料电池空气流量计高效校准系统的控制方法，包括以下步骤：
44.第一步：首先s10判断燃料电池距离上次校准是否经过了一定时间tn，例如7d，可
更改设置，若没有即s10为否，则结束此控制，若收到停止运行信号s10为是，则进行s20控制；
45.第一步：判断吹扫是否完成，且燃料电池内部温度t与外部空气温度t0相同，或两者相差在一定范围内，以此降低后续计算误差，系统维持此判断直到为是时进入s30；
46.第一步：关闭燃料电池入口阀a4，使压缩机a3与燃料电池入口阀之间形成密闭管路，此封闭空间容积为vn，根据系统设计而定，且为固定值；
47.第一步：然后进入s40开启压缩机并运行预先设定的时间tn，记录p3的变化值δp、流量计累计测量值v1；
48.第一步：接着进入s50判断δp是否大于δpn，如果为否那么所建立的密闭空间存在泄露，转而执行s90，判断泄露的问题是否出现超过2次，若s90为是则进入s110发出建压故障报警，停止校准控制；
49.第一步：当s90判断为否进入s100，打开a2阀，使p3为大气压，然后进入s40再次进行动作，如s50判断为是，则进入s60，则计算校准系数m1；
50.第一步：控制系统u0将m1存储在内部，接着进入s70再次执行完整的上述过程，而得到m2，然后再计算确定校准系数m并存储，结束空气流量计的校准过程；
51.第一步：校准之后，当燃料电池再次运行时，如燃料电池系统依据发电需求，计算出需要供给的空气流量为v，那么使空气流量计测量获得的流量f即可计算得出。
52.m1的计算公式为：m1＝vn*δp/(v1*pa)；其中，pa为大气压力，根据当地的气压实际值而定。
53.m的计算公式为：m＝(m1 m2)/2。
54.f的计算公式为：f＝v/m。
55.如下图3所示，图中实线曲线为δp，当在δpn值以内为正常区域，超过δpn为故障区域，故障产生的原因可能是管路泄露或者阀a4不能完全关闭等，故障区域的压力变化值则不可用于校准流量计，因此需要进行报警，本控制流程设定了2次确认操作，降低意外情况(如第一次阀未完全关闭)导致校准过程的不正常停止。
56.实施例三：
57.请参阅图1-4所示，在实施例一的基础上，本发明提供一种技术方案：图3是本发明的变型例，与第一实施例相比将s90-110替换为s120-150，其他控制和燃料电池结构原理与第一实施例相同，s120判断两次获得的校准系数之差绝对值是否低于预先设定的值δm，δm是根据两次相同的校准过程可能存在的误差如测量误差而导致的计算偏离值设定，如果判断是则进入s80执行跟第一实施例相同的操作，否则转到s130，原因如下，当两次获得的校准系数之差绝对值高于所设定的阈值，则意味着两次校准过程中出现了不可忽视的误差，s130判断本测量循环是否出现两次同类的问题，如果是则进行s150中表示的建压故障报警，并停止校准，如果否则执行s140，重新进行校准流程，并重新获取两次校准系数再次进行s120中的判断，本变形例中将原先压差偏离量的判断调整到校准系数偏离判断，为了使最终确定的校准系数将流量计的计量值趋近于需要的真实值，而抑制经校准系数校正后的计量值更加偏离真实值。