一种燃料电池系统氢气循环流量检测装置的制作方法

1.本发明涉及氢气循环流量检测技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统氢气循环流量检测装置。


背景技术：

2.氢燃料电池工作时需要在阴极与阳极分别通入空气和氢气，为了提高电化学反应速率同时将液态水排出电堆，需要提供过量的空气和氢气。将燃料电池电堆未参与反应的氢气再次送入电堆，可提高氢气的利用率。控制氢气循环量从而满足不同工况条件下氢气计量比和水管理的需求，是燃料电池系统氢气子系统的关键之一。然而，由于经过电堆内部的循环氢气的相对湿度较高，给流量测量带来了困难，一般的气体流量计为测试某些干燥气体介质成分的气体设计，对于湿度变化的气体介质，则存在明显的误差。同时，由于气体流量计往往流阻较大，将流量计串接入氢气循环系统中，则改变了原系统氢气循环流阻特性，无法获得原系统真实的流量数据。现有技术中超声波气体流量计可做到无干扰测量，但其本身需要的环境条件和安装条件在声源振动复杂、高集成度的燃料电池系统中无法满足。因此，目前急需一种可测量湿度变化的、无干扰、用于燃料电池系统的氢气循环流量测量方案。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了提供一种燃料电池系统氢气循环流量检测装置，解决了燃料电池系统氢气循环湿氢气流量无干扰测量的难题，使循环湿氢气流量的控制能够达到定量化。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种燃料电池系统氢气循环流量检测装置，包括：
6.气体流量计，设于供氢管路上；
7.进堆压力传感器、进堆温度传感器和进堆湿度传感器，设于氢气进堆管路上；
8.循环压力传感器、循环温度传感器和循环湿度传感器，设于氢气循环管路上；
9.电流传感器，设于电堆的电流输出端；
10.控制器，分别与电流传感器、气体流量计、进堆压力传感器、进堆温度传感器和进堆湿度传感器，以及循环压力传感器、循环温度传感器和循环湿度传感器连接；
11.所述供氢管路的输入端连接至氢气源，输出端连接至氢气循环驱动单元的第一输入端，所述氢气进堆管路的输入端连接至氢气循环驱动单元的输出端，输出端连接至电堆的氢气入口，所述氢气循环管路的输入端连接至电堆的氢气出口，输出端连接至氢气循环驱动单元的第二输入端；
12.所述控制器被配置为执行以下步骤：
13.接收循环温度传感器采集到的温度，并获取该温度下水的饱和蒸汽压p20；
14.接收循环湿度传感器采集到的湿度以及循环压力传感器采集到的压力；
15.结合接收循环湿度传感器采集到的湿度、循环压力传感器采集到的压力，以及饱和蒸汽压p20得到氢气循环管路内循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
；
16.接收进堆温度传感器采集到的温度，并获取该温度下水的饱和蒸汽压p30；
17.接收进堆湿度传感器采集到的湿度以及进堆压力传感器采集到的压力；
18.结合进堆湿度传感器采集到的湿度、进堆压力传感器采集到的压力，以及饱和蒸汽压p30得到氢气进堆管路内混合湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w3
；
19.接收气体流量计采集的供给干燥氢气摩尔流量n1；
20.结合供给干燥氢气摩尔流量n1、混合湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w3
，以及循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
，得到循环湿氢气摩尔流量n2；
21.接收电流传感器采集的负载电流，并基于该负载电流计算得到氢气消耗的摩尔流量ns；
22.结合供给干燥氢气摩尔流量n1、循环湿氢气摩尔流量n2、氢气消耗的摩尔流量ns，以及循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
，得到氢气计量比。
23.所述装置还包括氢气纯度传感器，该氢气纯度传感器设于氢气循环管路上。
24.所述控制器被配置为执行以下步骤：
25.接收循环温度传感器采集到的温度，并获取该温度下水的饱和蒸汽压p20；
26.接收循环湿度传感器采集到的湿度以及循环压力传感器采集到的压力；
27.结合接收循环湿度传感器采集到的湿度、循环压力传感器采集到的压力，以及饱和蒸汽压p20得到氢气循环管路内循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
；
28.接收进堆温度传感器采集到的温度，并获取该温度下水的饱和蒸汽压p30；
29.接收进堆湿度传感器采集到的湿度以及进堆压力传感器采集到的压力；
30.结合进堆湿度传感器采集到的湿度、进堆压力传感器采集到的压力，以及饱和蒸汽压p30得到氢气进堆管路内混合湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w3
；
31.接收气体流量计采集的供给干燥氢气摩尔流量n1；
32.结合供给干燥氢气摩尔流量n1、混合湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w3
，以及循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
，得到循环湿氢气摩尔流量n2；
33.接收电流传感器采集的负载电流，并基于该负载电流计算得到氢气消耗的摩尔流量ns；
34.接收氢气纯度传感器采集到的氢气摩尔分数x
h2
；
35.结合供给干燥氢气摩尔流量n1、循环湿氢气摩尔流量n2、氢气消耗的摩尔流量ns，以及氢气摩尔分数x
h2
，得到氢气计量比。
36.所述氢气循环驱动单元为引射器。
37.所述氢气循环驱动单元为循环泵。
38.所述氢气循环管路上设有气水分离器。
39.所述氢气源包括高压氢气储氢单元和减压阀。
40.所述供氢管路上设有调压阀。
41.所述供氢管路上设有中压传感器。
42.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
43.1、解决了燃料电池系统氢气循环湿氢气流量无干扰测量的难题，使循环湿氢气流
量的控制能够达到定量化。
44.2、成本低：无需开发专用流量计，通过测量干燥气体的流量，并利用系统中的流量关系，采用传统的压力、温度、湿度传感器即可测算循环湿氢气的流量。
45.3、使用范围广：测算方法的实现所需布置的传感器对安装空间和环境的要求低，易于在燃料电池系统中实现。
附图说明
46.图1为本发明一个实施例的结构示意图；
47.图2为本发明另一个实施例的结构示意图；
48.其中：1、氢气源，2、减压阀，3、气体流量计，4、中压传感器，5、调压阀，6、引射器，7、进堆压力传感器，8、进堆温度传感器，9、进堆湿度传感器，10、燃料电池堆，11、气水分离器，12、循环压力传感器，13、循环温度传感器，14、循环湿度传感器，61、循环泵。
具体实施方式
49.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
50.实施例1：
51.一种燃料电池系统氢气循环流量检测装置，如图1所示，包括：
52.气体流量计3，设于供氢管路上；
53.进堆压力传感器7、进堆温度传感器8和进堆湿度传感器9，设于氢气进堆管路上；
54.循环压力传感器12、循环温度传感器13和循环湿度传感器14，设于氢气循环管路上；
55.电流传感器，设于电堆的电流输出端；
56.控制器，分别与电流传感器、气体流量计3、进堆压力传感器7、进堆温度传感器8和进堆湿度传感器9，以及循环压力传感器12、循环温度传感器13和循环湿度传感器14连接；
57.供氢管路的输入端连接至氢气源1，输出端连接至引射器的第一输入端，氢气进堆管路的输入端连接至引射器的输出端，输出端连接至电堆的氢气入口，氢气循环管路的输入端连接至电堆的氢气出口，输出端连接至引射器的第二输入端。
58.以上是对硬件部分的设计，仅需在供氢管路安装一个气体流量计，对燃料电池系统氢气循环流阻特性几乎无干扰，能够真实反应系统中氢气循环流量值和气体湿度。且所需传感器成本较低，安装空间要求低，对现有燃料电池系统改造较容易实现，实用性强。
59.如图1所示，氢气循环管路上设有气水分离器11，氢气源1包括高压氢气储氢单元和减压阀2，供氢管路上设有调压阀5和中压传感器4。
60.其中，气体流量计3用于采集供给干燥氢气摩尔流量n1，进堆压力传感器7、进堆温度传感器8和进堆湿度传感器9分别采集氢气进堆管路内混合湿氢气的压力、温度和湿度，而循环压力传感器12、循环温度传感器13和循环湿度传感器14则分别用于采集氢气循环管路内循环湿氢气的压力、温度和湿度。
61.根据循环氢气与干燥氢气混合前后的水平衡，有如下等式：
62.n2*x
w2
＝(n1+n2)*x
w3
63.其中，n2为循环湿氢气摩尔流量，即图1中r2处管路处，x
w2
为循环湿氢气中水蒸气摩尔分数，n1为供给干燥氢气摩尔流量，即图1中调压阀5处管路处，x
w3
为混合湿氢气中水蒸气摩尔分数，即图1中p3处管路处。则循环湿氢气摩尔流量n2为：
64.n2＝n1*x
w3
/(x
w2
–
x
w3
)
65.根据燃料电池堆负载电流可计算得到氢气消耗的摩尔流量ns，若忽略氮气组分，则可计算得到燃料电池系统的氢气计量比λ
h2
为：
66.λ
h2
＝(n1+n2*(1
–
x
w2
))/ns67.上式中x
w2
和x
w3
的值的确定方法如下：
68.根据循环温度传感器13测量的温度，通过公式计算或查表得到该温度下水的饱和蒸汽压p20，则：
69.x
w2
＝r2*p20/p2
70.其中，r2为循环湿度传感器14测得的相对湿度值，p2为循环压力传感器12测得的压力值。
71.根据循环温度传感器8测量的温度，通过公式计算或查表得到该温度下水的饱和蒸汽压p30，则：
72.x
w3
＝r3*p30/p3
73.其中，r3为进堆湿度传感器9测得的相对湿度值，p3为进堆压力传感器7测得的压力值。
74.至此，燃料电池系统循环湿氢气摩尔流量n2、氢气计量比λ
h2
和氢气相对湿度r2的数据都以测算得到。
75.根据以上原理，采用计算机程序形式，控制器被配置为执行以下步骤：
76.接收循环温度传感器13采集到的温度，并获取该温度下水的饱和蒸汽压p20；
77.接收循环湿度传感器14采集到的湿度以及循环压力传感器12采集到的压力；
78.结合接收循环湿度传感器14采集到的湿度、循环压力传感器12采集到的压力，以及饱和蒸汽压p20得到氢气循环管路内循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
；
79.接收进堆温度传感器8采集到的温度，并获取该温度下水的饱和蒸汽压p30；
80.接收进堆湿度传感器9采集到的湿度以及进堆压力传感器7采集到的压力；
81.结合进堆湿度传感器9采集到的湿度、进堆压力传感器7采集到的压力，以及饱和蒸汽压p30得到氢气进堆管路内混合湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w3
；
82.接收气体流量计3采集的供给干燥氢气摩尔流量n1；
83.结合供给干燥氢气摩尔流量n1、混合湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w3
，以及循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
，得到循环湿氢气摩尔流量n2；
84.接收电流传感器采集的负载电流，并基于该负载电流计算得到氢气消耗的摩尔流量ns；
85.结合供给干燥氢气摩尔流量n1、循环湿氢气摩尔流量n2、氢气消耗的摩尔流量ns，以及循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
，得到氢气计量比。
86.本技术实现了对燃料电池系统湿氢气循环流量的准确测量，填补了燃料电池系统湿氢气循环流量测量方法的空白。
87.实施例2
88.本实施例与实施例1中的不同之处在于，装置还包括氢气纯度传感器，该氢气纯度传感器设于氢气循环管路上，其作用是可以考虑氮气组分的影响，氢气纯度传感器可以得到氢气循环管路内循环湿氢气中氢气的摩尔分数x
h2
，则燃料电池系统的氢气计量比λ
h2
为：
89.λ
h2
＝(n1+n2*x
h2
)/ns90.对应的，相关程序需要进行修改，控制器被配置为执行以下步骤：
91.接收循环温度传感器13采集到的温度，并获取该温度下水的饱和蒸汽压p20；
92.接收循环湿度传感器14采集到的湿度以及循环压力传感器12采集到的压力；
93.结合接收循环湿度传感器14采集到的湿度、循环压力传感器12采集到的压力，以及饱和蒸汽压p20得到氢气循环管路内循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
；
94.接收进堆温度传感器8采集到的温度，并获取该温度下水的饱和蒸汽压p30；
95.接收进堆湿度传感器9采集到的湿度以及进堆压力传感器7采集到的压力；
96.结合进堆湿度传感器9采集到的湿度、进堆压力传感器7采集到的压力，以及饱和蒸汽压p30得到氢气进堆管路内混合湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w3
；
97.接收气体流量计3采集的供给干燥氢气摩尔流量n1；
98.结合供给干燥氢气摩尔流量n1、混合湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w3
，以及循环湿氢气中水蒸气摩尔分数x
w2
，得到循环湿氢气摩尔流量n2；
99.接收电流传感器采集的负载电流，并基于该负载电流计算得到氢气消耗的摩尔流量ns；
100.接收氢气纯度传感器采集到的氢气摩尔分数x
h2
；
101.结合供给干燥氢气摩尔流量n1、循环湿氢气摩尔流量n2、氢气消耗的摩尔流量ns，以及氢气摩尔分数x
h2
，得到氢气计量比。
102.实施例3
103.本实施例与实施例1相比的区别在于，本实施例中，氢气循环驱动单元由引射器6替换为循环泵61，在本实施例中，所有的测算逻辑和原理均与实施例1中相同，因此不再赘述。
104.实施例4：
105.本实施例与实施例2相比的区别在于，本实施例中，氢气循环驱动单元由引射器6替换为循环泵61，在本实施例中，所有的测算逻辑和原理均与实施例2中相同，因此不再赘述。