一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，包括流量分析与增湿效果计算两个部分，流量分析用到了3σ数据处理、牛顿/拉格朗日插值和4阶Runge‑Kutta这几种数据处理和数值方法，增湿效果计算部分则根据具体实验数据和湿度计算公式得到最后结果；本发明专利技术通过数值运算就能简单、精确地预测增湿罐增湿效果和增湿水补充时间等技术参数，可实现快速预测和计算各工况下燃料电池电堆增湿效果。

A Test Method for Humidifying Effect of Fuel Cell Humidifying Tank

The invention discloses a test method for humidifying effect of fuel cell humidifying tank, which includes two parts: flow analysis and humidifying effect calculation. Flow analysis uses three data processing methods, Newton/Lagrange interpolation method and four-order Runge_Kutta method. The calculation part of humidifying effect is based on specific experimental data. According to the formula of humidity calculation, the final result can be obtained; the humidification effect of the humidification tank and the humidification water replenishment time of the fuel cell stack can be predicted simply and accurately by numerical calculation, and the humidification effect of the fuel cell stack under various operating conditions can be predicted and calculated rapidly.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法
本专利技术涉及燃料电池测试装置，特别涉及一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池因其能源利用率高、振动与噪音小、环境友好、功率组合灵活等特性已成为当前最具潜力的氢能源利用方式。而增湿器作为燃料电池的重要辅机，其增湿效果是影响电堆性能的重要因素之一。由于燃料电池功率组合灵活的特点，实验室组装的电堆模块功率从15kW到240kW不等，也就是说氢氧供应端进气量跨越几十至几千标升每分钟，而质量流量控制器价格高昂，且需配备多个，成本较高；同时现有湿度传感器在用于测试增湿罐增湿湿度时，由于探头处水分凝结，会产生巨大误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于根据现有技术的不足，提供一种不需要配备质量流量控制器、高精湿度传感器的湿度测试方法，满足对燃料电池增湿罐增湿效果的快速、高精度检测。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，步骤如下S0，在被测试增湿罐的上端依次连接气液分离器和球阀一，在增湿罐的下端依次连接单向阀、球阀二、空压机和干燥器，同时在增湿罐上设置压力计传感器、温度传感器、液位传感器和加热器，并将增湿罐与水泵连接；S1，增湿罐流量分析：S11，通过压力计传感器测定增湿罐内稳定状态下的压力，并记录压力增加Δpi的时间Δti；S12，运用3σ准则进行数据处理，剔除异常数据；S13，运用拉格朗日或牛顿插值法求出单位压力变化下的时间，并通过理想气体状态方程通过压力求出质量；S14，运用4阶Runge-Kutta方法，求出增湿罐稳定工作压力下质量随时间变化的斜率，即稳定工作状态下的流量，也可将质量流量转化为标准体积流量；S2，增湿罐增湿效果分析，根据具体实验数据和湿度计算公式得到最后结果：S21，将步骤S1中得到的流量进行取平均数或中位数得到最终流量；S22，通过液位传感器记录增湿罐稳定工作时单位时间内增湿水液位变化，并通过3σ准则进行数据处理；S23，通过气体相对于绝对湿度定义，计算气体增湿后的湿度。所述的一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，其步骤S11为：向增湿罐内注入增湿水至指定液位L，关闭球阀二，开球阀一，记录罐内稳定时的压力数值Pi，即为空压力提供的压力；开启球阀二，若气体出口处无明显液态水随气体排出，则认为液位L为可试验液位，并记录此时的压力计传感器的数值P，即为增湿罐工作时罐内的压力；关闭球阀一，开启球阀二，使增湿罐内压力P降为0，关闭球阀二，开启球阀一，试验人员记录n组数据，每组数据分别为罐内表压从0增加到Pi时，增加Δpi时的时间Δt，各组试验记录m次数据。所述的一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，其步骤S12是分析所测数据在3σ规则的上下控制限，并按照如下方法剔除不合理数据：a，求取n组数据中达到特定压力（p1、p2、…、pm）时对应的时间（t1、t2、…、tm）的平均值，m组数据中第i组时间平均值为；b，n组等压数据对应时间ti的样本方差为，其标准差即为σi；c，将各组数据的σi乘以3，偏差超出此范围的数据默认为偏差值，予以剔除。所述的一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，其步骤S12中剔除异常的n组数据值后，每组还剩Mi个值（Mi≤m），将这n组数据通过拉格朗日法或牛顿法，选取适当Δp做Mi阶插值。所述的一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，所述的拉格朗日法使用如下公式：。所述的一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，所述的牛顿法使用如下公式：（1）（2）（Mi+1）所以方程（1）到（Mi+1）可得：因为代数插值存在唯一性定理，n次牛顿插值公式恒等于n次拉格朗日插值公式，误差余项也相等，即为：其中。所述的一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，其步骤S14中通过公式∆mgas=MgasRT/(∆pV)，将用插值法得到的n组数据用4阶Runge-Kutta方法，得到在压力为P时，压力随时间变化的斜率∆mgas/∆t，即为气体流量g/s，其中Mgas为气体的物质的量，R为理想气体常数取8.314，T为增湿罐开尔文温度，V为罐中除水以外的体积。所述的一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，其步骤S23中当增湿罐内压力达到P时，分k组测试每L分钟增湿罐液位变化，得到单位L时间液位变化的平均值，即可得到增湿消耗水的质量mwater，则可得到此时增湿气体的绝对湿度，V为单位时间内通过的气体体积，则相对湿度为：。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过数值运算就能简单、精确地预测增湿罐增湿效果和增湿水补充时间等技术参数，可实现快速预测和计算各工况下燃料电池电堆增湿效果，且具有步骤简单、代码编写容易、所需工具少、低成本等优点，满足对燃料电池增湿罐增湿效果的快速、高精度检测。附图说明图1为本专利技术测试装置的结构示意图。各附图标记为：1—增湿罐，2—空压机，3—水泵，4—干燥器，5—压力计传感器，6—温度传感器，7—液位传感器，8—加热器，9—气液分离器，10—单向阀，11—球阀一，12—球阀二。具体实施方式本专利技术提供一种仅需要空压机2、温度传感器6（温度计）、液位传感器7（液位计）、加热器8、压力计传感器5（压力表）等常规检测仪器，通过数值运算就能快速测试增湿效果的方法。在被测试增湿罐1的上端依次连接气液分离器9和球阀一11，在增湿罐1的下端依次连接单向阀10（止回阀）、球阀二12、空压机2和干燥器4，同时在增湿罐1上设置压力计传感器5、温度传感器6、液位传感器7和加热器8，并将增湿罐1与水泵3连接。仅需要以上所述材料装置就能简单、精确地预测增湿罐增湿效果和增湿水补充时间等技术参数。本专利技术的测试步骤为：1）增湿罐流量分析。流量分析用到了3σ数据处理、牛顿/拉格朗日插值和4阶Runge-Kutta这几种数据处理和数值方法。通过水泵3向增湿罐1内注入增湿水至指定液位L，关闭球阀二12，开球阀一11，记录罐内稳定时的压力数值Pi，即为空压力提供的压力。开启球阀二12，若气体出口处无明显液态水随气体排出，则认为液位L为可试验液位，并记录此时的压力计传感器5的数值P，即为增湿罐工作时罐内的压力。2）关闭球阀一11，开启球阀二12，使增湿罐1内压力P降为0，关闭球阀二12，开启球阀一11，试验人员记录n组数据，每组数据分别为罐内表压从0增加到Pi时，增加Δpi时的时间Δt，各组试验记录m次数据。3）分析所测在3σ规则的上下控制限，并剔除不合理数据，其方法如下：a，求取n组数据中达到特定压力（p1、p2、…、pm）时对应的时间（t1、t2、…、tm）的平均值，m组数据中第i组时间平均值为；b，n组等压数据对应时间ti的样本方差为，其标准差即为σi；c，将各组数据的σi乘以3，偏差超出此范围的数据默认为偏差值，予以剔除。4）剔除异常值后n组数据，每组还剩Mi个值（Mi≤m），将这n组数据通过拉格朗日法或牛顿法，选取适当Δp做Mi阶插值。拉格朗日法：牛顿法：（1）（2）（Mi+1）所以方程（1）到（Mi+1）可得：因为代数插值存在唯一性定理，n次牛顿插值公式恒等于n次拉格朗日插值公式，误差余项也相等，即为：其中。5）由pV=nRT可得∆n=∆pV/(RT)，而n=mgas/Mgas，所以∆mgas=Mgas∆pV/(RT)，Mgas为气体的物质的量、R为理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，其特征在于：步骤如下S0，在被测试增湿罐（1）的上端依次连接气液分离器（9）和球阀一（11），在增湿罐（1）的下端依次连接单向阀（10）、球阀二（12）、空压机（2）和干燥器（4），同时在增湿罐（1）上设置压力计传感器（5）、温度传感器（6）、液位传感器（7）和加热器（8），并将增湿罐（1）与水泵（3）连接；S1，增湿罐流量分析：S11，通过压力计传感器（5）测定增湿罐（1）内稳定状态下的压力，并记录压力增加Δpi的时间Δti；S12，运用3σ准则进行数据处理，剔除异常数据；S13，运用拉格朗日或牛顿插值法求出单位压力变化下的时间，并通过理想气体状态方程通过压力求出质量；S14，运用4阶Runge‑Kutta方法，求出增湿罐（1）稳定工作压力下质量随时间变化的斜率；S2，增湿罐增湿效果分析：S21，将步骤S1中得到的流量进行取平均数或中位数得到最终流量；S22，通过液位传感器（7）记录增湿罐（1）稳定工作时单位时间内增湿水液位变化，并通过3σ准则进行数据处理；S23，通过气体相对于绝对湿度定义，计算气体增湿后的湿度。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，其特征在于：步骤如下S0，在被测试增湿罐（1）的上端依次连接气液分离器（9）和球阀一（11），在增湿罐（1）的下端依次连接单向阀（10）、球阀二（12）、空压机（2）和干燥器（4），同时在增湿罐（1）上设置压力计传感器（5）、温度传感器（6）、液位传感器（7）和加热器（8），并将增湿罐（1）与水泵（3）连接；S1，增湿罐流量分析：S11，通过压力计传感器（5）测定增湿罐（1）内稳定状态下的压力，并记录压力增加Δpi的时间Δti；S12，运用3σ准则进行数据处理，剔除异常数据；S13，运用拉格朗日或牛顿插值法求出单位压力变化下的时间，并通过理想气体状态方程通过压力求出质量；S14，运用4阶Runge-Kutta方法，求出增湿罐（1）稳定工作压力下质量随时间变化的斜率；S2，增湿罐增湿效果分析：S21，将步骤S1中得到的流量进行取平均数或中位数得到最终流量；S22，通过液位传感器（7）记录增湿罐（1）稳定工作时单位时间内增湿水液位变化，并通过3σ准则进行数据处理；S23，通过气体相对于绝对湿度定义，计算气体增湿后的湿度。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池增湿罐增湿效果测试方法，其特征在于，所述的步骤S11为：向增湿罐（1）内注入增湿水至指定液位L，关闭球阀二（12），开球阀一（11），记录罐内稳定时的压力数值Pi，即为空压力提供的压力；开启球阀二（12），若气体出口处无明显液态水随气体排出，则认为液位L为可试验液位，并记录此时的压力计传感器（5）的数值P，即为增湿罐工作时罐内的压力；关闭球阀一（11），开启球阀二（12），使增湿罐（1）内压力P降为0，关闭球阀二（12），开启球阀一（11），记录n组数据，每组数据分别为罐内表压从0增加到Pi时，增加Δpi时的时间Δt，各组试验记录m次数据。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池增湿罐增湿效果测...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海波，张樱，徐增师，潘建欣，孙佳，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42