一种燃料电池测试系统及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池测试系统及控制方法。


背景技术：

2.燃料电池发动机系统是一种新型的燃料电池发电系统，它是将装置内化学反应产生的化学能通过这个电化学装置转变为电能。氢燃料电池发动机系统作为氢燃料应用的重要载体，具有无污染、环境友好等特点，是实现碳中和、碳达峰的重要技术路线。燃料电池发动机的主要零部件包括空气机、氢喷喷射器/比例阀、水泵、氢气循环泵等。
3.燃料电池发动机在低温环境下启动是普遍面临的难题，氢气循环泵在冷启动过程中，经常面临因冷却水结冰而无法启动循环泵。为解决氢气循环泵在冷启动及运行可靠性等方面的问题，引射器逐渐被引入燃料电池领域用于替代氢气循环泵。引射器一般按在引射器中相互作用介质的状态来分类：(1)引射和被引射介质的相态相同的引射器；(2)引射与被引射介质处于不同相态，它们在混合过程中相态也不改变的引射器；(3)引射或被引射介质的相态发生改变的引射器。
4.燃料电池引射器属于气气引射器，其主要作用为替代氢气循环泵的功能，使得电堆未完全利用的气体重新循环进入电堆的入口，重复利用，提升燃料电池的氢气利用率。燃料电池引射器有效的解决了氢气循环泵易卡滞、工作功耗高、耐久性等问题，燃料电池引射器的性能开发成为日渐重要的工作。现有引射器的测试方法一般为测试干态条件下的引射器的喷、引射性能，缺乏全局性的测试系统和完善的部件级、系统级的控制方法。
5.目前在燃料电池引射器测试系统方面的内容主要为控制引射器入口气体压力，控制调节回流路气体压力、湿度等，模拟电堆工况，测试引射器引射比，在专利cn210692688u中提及一种燃料电池引射器的测试系统级测试方法，其原理流程图如下，通过调节第一压力调节阀和第二压力调节阀的开闭程度来模拟燃料电池电堆内压力变化和气体消耗量，采用增湿器模拟燃料电池内湿度，采用温度控制器来模拟电堆内部的温度，通过模拟不同工况下温度、压力、湿度和流量获取引射器的工作性能。
6.然而对于燃料电池运行工况的模拟，无法实现燃料电池反应气体组分的模拟；通过调节阀控制模拟燃料电池运行的气体消耗，控制精确性较差；且该申请主要用于模拟燃料电池运行工况模拟，对于引射器回流量、流阻的模拟具有局限性，且只能完成单比例阀 引射器的功能测试，无法实现匹配燃料电池运行全工况条件下的map图测试。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是：提供一种克服背景技术中存在的技术问题的燃料电池测试系统及控制方法。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
9.一种燃料电池测试系统，包括
10.气源系统，为所述燃料电池测试系统供应气体；
11.引射器供气系统，将气源系统供应的气体经过引射器进行输出；
12.消耗系统，模拟电堆的运行接收来自引射器供气系统输出的气体；以及
13.温湿度控制系统，将气源系统的气体和/或消耗系统排出气体经过控温控湿处理后送入引射器供气系统。
14.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
15.一种上述的燃料电池测试系统的控制方法，包括
16.启动燃料电池测试系统，根据是否模拟气体组分选择测试模式，若是，则燃料电池测试系统进入预设的引射器性能开环增湿测试模式；若否，则燃料电池测试系统进入预设的引射器性能闭环测试模式或双喷射路性能测试。
17.本发明的有益效果在于：通过燃料电池测试系统能够模拟电堆运行环境，模拟电堆运行气体消耗、排气、排水等条件下，验证引射器工况特性；模拟电堆氧气循环气体组分，引射特性更接近电堆真实运行条件；可进行引射器的开环测试，引射回流流阻、湿度、温度实现精确控制；可进行引射器的闭环测试，系统可调试、验证燃料电池发动机引射器控制策略；可进行“单一比例阀/喷射器 引射器”性能的测试，也可进行“比例阀/喷射器 引射器 bypass(旁通)比例阀/喷射器”性能的测试；可实现燃料电池发动机引射器在发动机运行过程中的全工况map测试。
附图说明
18.图1为本发明具体实施例一的一种燃料电池测试系统的示意图；
19.图2为本发明具体实施例二的气体流动方向图(黑色箭头)；
20.图3为本发明具体实施例三的气体流动方向图(黑色箭头)；
21.图4为本发明具体实施例四的气体流动方向图(黑色箭头)；
22.图5为本发明具体实施例五的气体流动方向图(黑色箭头)；
23.图6为本发明具体实施例五的流程示意图；
24.标号说明：1、混合腔；2、第一流量计；3、第一压力传感器；4、第一比例阀/第一喷射器；5、第二流量计；6、第二压力传感器；7、第二比例阀/第二喷射器；8、第三压力传感器；9、引射器；10、第一三通阀；11、第四压力传感器；12、第一温度传感器；13、第一湿度传感器；14、第一电动阀；15、第二电动阀；16、第三电动阀；17、第二温度传感器；18、第五压力传感器；19、第三温度传感器；20、第二湿度传感器；21、第三流量计；22、第四电动阀；23、第一分水器；24、第一排水阀；25、电堆模拟腔；26、安全阀；27、排气阀；28、质量流量控制器；29、第二分水器；30、第二排水阀；31、气源系统；311、氢气源；312、氮气源；313、空气源；314、第四比例阀；315、第五比例阀；316、第六比例阀；32、第六压力传感器；33、氢浓度/氧浓度传感器；34、缓冲腔；35、第三比例阀/第三喷射器；36、第七压力传感器；37、第二三通阀；38、第一加热器；39、第三三通阀；40、第八压力传感器；41、第四温度传感器；42、第三湿度传感器；43、膜增湿器；44、第九压力传感器；45、第五温度传感器；46、节流阀；47、水泵；48、第四三通阀；49、第二加热器；50、散热器；51、流阻调节器。
具体实施方式
25.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附
图予以说明。
26.请参照图1至图6，一种燃料电池测试系统，包括
27.气源系统，为所述燃料电池测试系统供应气体；
28.引射器供气系统，将气源系统供应的气体经过引射器进行输出；
29.消耗系统，模拟电堆的运行接收来自引射器供气系统输出的气体；以及
30.温湿度控制系统，将气源系统的气体和/或消耗系统排出气体经过控温控湿处理后送入引射器供气系统。
31.进一步的，所述气源系统包括氢气源、氮气源、空气源、混合腔、缓冲腔，所述氢气源、氮气源和空气源分别通过电动阀与混合腔连通；所述氢气源、氮气源和空气源分别通过比例阀与缓冲腔连通；
32.所述混合腔与引射器供气系统连通；所述缓冲腔、消耗系统通过第二三通阀与温湿度控制系统连通。
33.有益效果：通过氢气源、氮气源、空气源的设置，能够提供引射器测试时的不同的气源，满足氢浓度/氧浓度达到目标要求；通过混合腔、缓冲腔的设置，能够将气体分别进行混合稳压，以满足引射器主要供气和回流供气的需要。
34.进一步的，所述引射器供气系统包括引射器、第一三通阀、主引射气源供气系统和引射器回流口供气系统，所述主引射气源供气系统包括第一流量计、第二流量计、第一比例阀/第一喷射器、第二比例阀/第二喷射器以及第三比例阀/第三喷射器；
35.所述混合腔、第二流量计、第二比例阀/第二喷射器、引射器四者依次连通构成主喷射路；所述引射器与消耗系统之间通过第一三通阀连通；
36.所述混合腔、第一流量计、第一比例阀/第一喷射器、第一三通阀四者依次连通构成旁通喷射路。
37.由上述描述可知，通过主喷射路和旁通喷射路的设置，可进行“单一比例阀/喷射器 引射器”性能的测试，也可进行“比例阀/喷射器 引射器 bypass(旁通)氢喷/比例阀(双喷射路)”性能的测试。
38.进一步的，所述消耗系统包括电堆模拟腔、安全阀、排气阀、质量流量控制器、第二分水器和排水阀，所述安全阀、排气阀、第二分水器分别与电堆模拟腔连通，所述质量流量控制器、第二排水阀分别与第二分水器连通。
39.由上述描述可知，通过电堆模拟腔，能够为模拟电堆消耗气体，通过质量流量控制器控制气体流量排放，包含安全阀(保护管路，超压保护)；所述分水器、第二排水阀，台架装置可用于分水器分水性能的验证，所述排气阀，用于模拟电堆运行过程中单片电压电压过低purge排气控制，能够模拟电堆气体消耗、排水、排气控制策略的验证。
40.进一步的，所述电堆模拟腔与第二三通阀连通形成回流路；所述电堆模拟腔与第二三通阀之间还设置有流阻调节器。
41.由上述描述可知，通过流阻调节器能够调节回流路的流阻。
42.进一步的，所述温湿度控制系统包括第一加热器、第三三通阀以及膜增湿组件；
43.所述第一加热器位于第二三通阀、第三三通阀之间；
44.所述第三三通阀分别与引射器、膜增湿组件连通。
45.由上述描述可知，通过温湿度控制系统能够对回流路的气体进行控温控湿处理。
46.进一步的，所述膜增湿组件包括膜增湿器、第一分水器、第四电动阀、第一排水阀、节流阀、水泵、第四三通阀、第二加热器、散热器，所述第三三通阀、膜增湿器、第一分水器、第四电动阀、引射器依次连通；
47.所述第一排水阀连接在第一分水器上；
48.所述水泵连接在膜增湿器上，并通过节流阀连回膜增湿器；
49.所述第二加热器、散热器通过第四三通阀并联在水泵于节流阀之间。
50.一种上述的燃料电池测试系统的控制方法，包括
51.启动燃料电池测试系统，根据是否模拟气体组分选择测试模式，若是，则燃料电池测试系统进入预设的引射器性能开环增湿测试模式；若否，则燃料电池测试系统进入预设的引射器性能闭环测试模式或双喷射路性能测试。
52.进一步的，在选择测试模式根据需要选择是否开启温湿度控制系统。
53.进一步的，所述双喷射路性能测试包括
54.电堆模拟腔模拟电堆工况，启动主喷射路的第二比例阀/第二喷射器，检测引射器出口压力值与目标压力差值，
55.若差值在预设范围之外，则检测电堆模拟腔是否超过保护压力，若是则开启排气阀泄压，若否则调节第二比例阀/第二喷射器的占空比；
56.若差值在预设范围内，则检测回流路气体温度、湿度是否符合要求，若不符合要求则启动温湿度控制系统，若符合要求检测是否到达启动旁通喷射路的目标流量，若否则调节第二比例阀/第二喷射器的占空比，若是则检测旁通喷射路的第一比例阀/第一喷射器是否开启，若开启则返回重新检测引射器出口压力值与目标压力差值，若未开启则重新检测是否到达启动旁通喷射路的目标流量。
57.由上述描述可知，通过燃料电池测试系统能够模拟电堆运行环境，模拟电堆运行气体消耗、排气、排水等条件下，验证引射器工况特性；模拟电堆氧气循环气体组分，引射特性更接近电堆真实运行条件；可进行引射器的开环测试，引射回流流阻、湿度、温度实现精确控制；可进行引射器的闭环测试，系统可调试、验证燃料电池发动机引射器控制策略；可进行“单一比例阀/喷射器 引射器”性能的测试，也可进行“比例阀/喷射器 引射器 bypass(旁通)比例阀/喷射器”性能的测试；可实现燃料电池发动机引射器在发动机运行过程中的全工况map测试。
58.实施例一
59.参照图1，一种燃料电池测试系统，包括
60.气源系统31，为所述燃料电池测试系统供应气体；
61.引射器9供气系统，将气源系统31供应的气体经过引射器9进行输出；
62.消耗系统，模拟电堆的运行接收来自引射器9供气系统输出的气体；以及
63.温湿度控制系统，将气源系统31的气体和/或消耗系统排出气体经过控温控湿处理后送入引射器9供气系统。
64.所述气源系统31包括(高压)氢气源311、(高压)氮气源312、(高压)空气源313、混合腔1、缓冲腔34，所述氢气源311、氮气源312和空气源313分别通过第一电动阀14、第二电动阀15、第三电动阀16与混合腔1连通；所述氢气源311、氮气源312和空气源313分别通过第四比例阀314、第五比例阀315、第六比例阀316与缓冲腔34连通；所述缓冲腔34上连通有第
六压力传感器32和氢浓度/氧浓度传感器33；
65.所述混合腔1与引射器9供气系统连通；所述缓冲腔34、消耗系统通过第二三通阀37与温湿度控制系统连通。
66.所述引射器9供气系统包括引射器9、第一三通阀10、主引射气源供气系统和引射器9回流口供气系统，所述主引射气源供气系统包括第一流量计2、第二流量计5、第一压力传感器3、第二压力传感器6、第三压力传感器8、第一比例阀/第一喷射器4、第二比例阀/第二喷射器7以及第三比例阀/第三喷射器35；
67.所述混合腔1、第二流量计5、第二压力传感器6、第二比例阀/第二喷射器7、第三压力传感器8、引射器9依次连通构成主喷射路；所述引射器9与消耗系统之间通过第一三通阀10连通；
68.所述混合腔1、第一流量计2、第一压力传感器3、第一比例阀/第一喷射器4、第一三通阀10依次连通构成旁通喷射路；
69.所述第三比例阀/第三喷射器35位于缓冲腔34与第二三通阀37之间；所述第三比例阀/第三喷射器35与第二三通阀37之间设置有第七压力传感器36。
70.所述消耗系统包括电堆模拟腔25、安全阀26、排气阀27、质量流量控制器28、第二分水器29和排水阀，所述安全阀26、排气阀27、第二分水器29分别与电堆模拟腔25连通，所述质量流量控制器28、第二排水阀30分别与第二分水器29连通。所述电堆模拟腔25与第一三通阀10连通，所述电堆模拟腔25与第一三通阀10之间还设置有第四压力传感器11、第一温度传感器12、第一湿度传感器13；
71.所述电堆模拟腔25与第二三通阀37连通形成回流路；所述电堆模拟腔25与第二三通阀37之间还设置有流阻调节器51。
72.所述温湿度控制系统包括第一加热器38、第三三通阀39以及膜增湿组件；
73.所述第一加热器38位于第二三通阀37、第三三通阀39之间；
74.所述第四电动阀22与温湿度控制系统之间还设置有第五压力传感器18、第三温度传感器19、第二湿度传感器20以及第三流量计21；
75.所述第三三通阀39分别与引射器9、膜增湿组件连通。所述第三三通阀39与引射器9之间设置有第二温度传感器17。
76.所述膜增湿组件包括膜增湿器43、第一分水器23、第四电动阀22、第一排水阀24、节流阀46、水泵47、第四三通阀48、第二加热器49、散热器50，所述第三三通阀39、膜增湿器43、第一分水器23、第四电动阀22、引射器9依次连通；
77.所述膜增湿器43与第三三通阀39之间还设置有第八压力传感器40、第四温度传感器41、第三湿度传感器42；
78.所述第一排水阀24连接在第一分水器23上；
79.所述水泵47连接在膜增湿器43上，并通过节流阀46连回膜增湿器43，所述节流阀46与膜增湿器43之间依次设置有第五温度传感器45和第九压力传感器44；
80.所述第二加热器49、散热器50通过第四三通阀48并联在水泵47于节流阀46之间。
81.实施例二
82.参照图2，一种实施例一所述的燃料电池测试系统的控制方法，包括引射器性能开环不增湿测试模式。
83.实施例三
84.参照图3，一种实施例一所述的燃料电池测试系统的控制方法，包括引射器性能开环增湿测试模式。
85.实施例四
86.参照图4，一种实施例一所述的燃料电池测试系统的控制方法，包括引射器性能闭环增湿测试模式。
87.实施例五
88.参照图5和图6，一种实施例一所述的燃料电池测试系统的控制方法，包括双喷射路性能测试模式(比例阀/喷射器 引射器 bypass(旁通)比例阀/喷射器”性能的测试模式)：
89.所述双喷射路性能测试包括
90.电堆模拟腔模拟电堆工况，启动主喷射路的第二比例阀/第二喷射器，检测引射器出口压力值与目标压力差值，
91.若差值在预设范围之外，则检测电堆模拟腔是否超过保护压力，若是则开启排气阀泄压，若否则调节第二比例阀/第二喷射器的占空比；
92.若差值在预设范围内，则检测回流路气体温度、湿度是否符合要求，若不符合要求则启动温湿度控制系统，若符合要求检测是否到达启动旁通喷射路的目标流量，若否则调节第二比例阀/第二喷射器的占空比，若是则检测旁通喷射路的第一比例阀/第一喷射器是否开启，若开启则返回重新检测引射器出口压力值与目标压力差值，若未开启则重新检测是否到达启动旁通喷射路的目标流量。
93.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。