一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台及方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台及测试方法，将空气系统以一定的方式从整个燃料系统剥离出来，单独搭建相应的测试和控制一体的测控平台，通过模拟实际应用中的调节阀、容积、管径、电磁阀等化工参数，实现实际工作条件下的特性模拟；一方面可用于气路设计中的阀体和管径特性匹配，另一方面可用于入口空气压缩装置和排气端阀门的控制参数标定。本发明专利技术既可以模拟空气供应回路的主要工作特性，又具有可靠性高，成本低的特点。成本低的特点。成本低的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台及方法


[0001]本专利技术属于氢燃料电池的应用
，涉及一种用于燃料电池阴极空气供应回路的化工及控制特性的测控平台，以及其测试方法。

技术介绍

[0002]燃料电池的正常运行需要阴极提供过量的氧气，如果氧气不足，燃料电池的性能和寿命会受到极大的影响。空气供应系统主要是为燃料电池阴极提供反应所需的氧气，确保阴极有合适的氧气流量、氧气压力和适宜的湿度。为了提高燃料电池的性能，保证燃料电池整体输出净功率最优，需要设计空气供应系统高效的利用方案。
[0003]空气系统的功耗占整个燃料电池附属部件功耗的绝大部分，为了保证燃料电池整体系统工作在最优状态，需要对空气系统进行空气流量和压力的控制。对空气流量和压力的控制主要在于对空气供应系统空气压缩机和排气端阀门的控制，保证阴极处于最佳工作状态。
[0004]然而，在实际的燃料电池系统中，空气供给系统存在较强的非线性和参数强耦合性，因此对空气供给系统的调控存在很大的难度。这主要基于以下因素:第一，空气回路的压力控制直接关系到阴阳极的压差平衡，当阴阳极的压力差超过质子交换膜的耐受极限时，导致电堆损坏。
[0005]第二，空气供给系统是大滞后系统，当电堆的负载电流发生扰动时，空气流量和压力的响应速度很慢，容易造成电堆氧饥饿，导致电堆性能下降，甚至损坏电堆。
[0006]第三，在实际应用过程中，不同功率需求的电堆会选用不同的空气压缩装置，空气压缩装置的性能差异会导致实际控制方案的不同。
[0007]第四，如果化工部件的容积、管径和阀径不匹配时，阴极流量、压力无法通过控制稳定，导致空气供应系统频繁调节。
[0008]第五，整个燃料系统适当的背压可以提高电池的电流密度，在背压条件下，空气系统的进出堆压力的研究对整体系统的控制具有很大的意义。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的之一在于提供一种燃料电池空气供应回路的特性的测控平台，实现空气供应回路背压、常压、空滤堵塞、负荷变化等条件或工作模式的模拟，以达到化工匹配和控制参数标定的低成本、便利性测试与分析的良好效果。
[0010]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，包括空气过滤装置、空气压缩装置、基于缓冲罐的燃料电池电堆模拟装置、燃料电池控制器以及温度/压力/质量流量传感器；所述的空气过滤装置后端连接空气压缩装置；所述的空气压缩装置包括空气压缩机和电机，空气压缩装置后端通过球阀Ⅰ引出两条支路，一条连接缓冲罐前端，一条连接球阀Ⅱ后通过阀门连接空气出口，球阀Ⅰ和球阀Ⅱ的开度均等于燃料电池电堆内最小流道截面积的尺寸，缓冲罐的容积等于燃料电池电堆内的腔
体容积，缓冲罐后端连接有比例阀，通过调节比例阀可模拟电堆内部对空气的消耗，比例阀连接气体消耗出口；所述的燃料电池控制器与空气压缩装置、比例阀、阀门以及温度/压力/质量流量传感器连接，可以通过控制电机的转动速度调节进入燃料电池电堆模拟装置的空气流量，起到控制空气流量和压力的作用，以满足不同工况下多种不同燃料电池的流量和压力需求。
[0011]所述的一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，其燃料电池控制器包括中央控制单元、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块、CAN通信模块、PWM控制模块、供电电源模块、电源输出模块和数据存储模块；其中，模拟量输入输出模块用于温度/压力/质量流量传感器的控制与数据采集，CAN通信模块和PWM控制模块用于控制电机的转速，另一路带功率驱动能力的PWM用于控制燃料电池电堆模拟装置的比例阀的开度，排气端的阀门根据选型可以用PWM/DO/AO等控制，供电电源模块和电源输出模块用于给控制器和其余需要供电部件供电，以及作为部件采样信号的参考电压，数据存储模块用于存储实验过程中的各项数据，便于后续的分析研究。
[0012]所述的一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，其温度/压力/质量流量传感器包括连接在空气过滤装置和空气压缩装置之间的温度传感器、压力传感器和流量计I，连接在空气压缩装置和球阀Ⅰ之间的温度传感器、压力传感器，连接在球阀Ⅰ、球阀Ⅱ和缓冲罐之间的压力传感器，连接在球阀Ⅱ和阀门之间的温度传感器、压力传感器以及连接在比例阀出口处的流量计Ⅱ。
[0013]所述的一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，其阀门为节气门阀门。
[0014]本专利技术的目的之二是提供上述测控平台的测试方法，主要在以下两种工作模式下进行测试：背压工作模式时，燃料电池控制器控制排气端阀门开度，模拟背压环境；燃料电池控制器控制电机转速并调节进气流量；通过缓冲罐模拟燃料电池电堆内的腔体容积；燃料电池控制器控制比例阀开度，调节缓冲罐排出的气体流量，模拟当前燃料电池电堆的气体消耗；常压工作模式时，燃料电池控制器控制排气端阀门为全开；燃料电池控制器控制电机转速并调节进气流量；通过缓冲罐模拟燃料电池电堆内的腔体容积；燃料电池控制器控制比例阀开度，调节缓冲罐排出的气体流量，模拟当前燃料电池电堆的气体消耗。
[0015]所述的一种燃料电池空气供应回路特性的测试方法，还包括针对空气过滤装置，通过堵塞空气过滤装置的入口等方法来模拟空气入口堵塞的状况，在此状态下进行相应特征的研究。
[0016]本专利技术的有益效果在于：1，针对空气供应系统，搭建燃料电池空气供应回路的测控平台，将空气供应系统的特性测试和控制参数标定与燃料电池测控平台分离，独立研究空气供应系统的相关性能特性。
[0017]2，测控平台的搭建由管道、阀门、空气压缩装置等部件构成，搭建简单，不涉及复杂的结构设计，克服了实验平台搭建困难的缺点。同时，通过燃料电池模拟器模拟燃料电池电堆，不用在实验平台中加入真实的燃料电池电堆，极大节约了研究成本。
[0018]3，测控平台可以通过更换空气压缩机型号、缓冲罐容积、球阀开度等，模拟不同功率燃料电池电堆进行空气回路性能特性的研究，克服了现有技术针对不同电堆需要搭建不
同测试系统的弊端，对实际工况下燃料电池发动机系统的研究起到积极作用。
[0019]4，测控平台可以通过改变不同测试条件，如空滤堵塞、是否背压等模拟实际工况中的不同情景，从而记录空气系统各项参数。通过对参数、实验条件的分析，对空气系统的建模和控制方法的研究起到一定的推动作用。
[0020]5，通过对测控平台部件的增删、替换、管路的修改等，可以实现对不同应用场景下空气供给系统特性的研究，实现空气回路匹配特性测试的灵活性。
[0021]6，测控平台有效地模拟空气供应系统的流量-容积-压力特性，为空气压缩装置、出口出阀门的选型与控制参数调试，提供安全、可靠、有效的实验测试环境；7，控制器的选择可根据实际平台搭建情况进行，选用带有所匹配的端口的控制器即可。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的系统组成原理图；图2为本专利技术的背压工作模式图；图3为本专利技术的常压工作模式图。
[0023]各附图标记为：1—空气过滤装置，2—空气压缩装置，3—燃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，其特征在于：包括空气过滤装置（1）、空气压缩装置（2）、基于缓冲罐（4）的燃料电池电堆模拟装置（3）、燃料电池控制器（5）以及温度/压力/质量流量传感器；所述的空气过滤装置（1）后端连接空气压缩装置（2）；所述的空气压缩装置（2）包括空气压缩机和电机，空气压缩装置（2）后端通过球阀Ⅰ（13）引出两条支路，一条连接缓冲罐（4）前端，一条连接球阀Ⅱ（14）后通过阀门（16）连接空气出口，球阀Ⅰ（13）和球阀Ⅱ（14）的开度均等于燃料电池电堆内最小流道截面积的尺寸，缓冲罐（4）的容积等于燃料电池电堆内的腔体容积，缓冲罐（4）后端连接有比例阀（15），通过调节比例阀（15）模拟电堆内部对空气的消耗，比例阀（15）连接气体消耗出口；所述的燃料电池控制器（5）与空气压缩装置（2）、比例阀（15）、阀门（16）以及温度/压力/质量流量传感器连接，通过控制电机的转动速度调节进入燃料电池电堆模拟装置（3）的空气流量，以满足不同工况下多种不同燃料电池的流量和压力需求。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，其特征在于，所述的燃料电池控制器（5）包括中央控制单元、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块、CAN通信模块、PWM控制模块、供电电源模块、电源输出模块和数据存储模块；模拟量输入输出模块用于温度/压力/质量流量传感器的控制与数据采集，CAN通信模块和PWM控制模块控制电机的转速和比例阀（15）的开度，供电电源模块和电源输出模块用于供电以及作为部件采样信号的参考电压，数据存储模块用于存储实验过程中的各项数据，便于后续的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡旦，詹明，聂巍，张梦元，池飞飞，
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：