一种氢燃料电池测试台供气湿度测量装置及测量方法

1.本公开属于氢燃料电池测试设备技术领域，特别涉及一种氢燃料电池测试台供气湿度测量装置及测量方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种将氢气和氧气作为反应气体且经过电化学反应将化学能转变为电能的发电装置，具有能量转化效率高、低温运行、低噪音污染、零排放等优点，被视作最有前途的绿色发电系统之一。在氢燃料电池的研发过程中，为了获得其工作性能、使用寿命等指标，需要利用氢燃料电池测试台对其进行性能、耐久性测试等。氢燃料电池测试台为氢燃料电池提供氢气和空气，同时控制电池温度，满足氢燃料电池的研发与性能测试需求。在氢气和空气的供给中，需要精确控制供给气体的温度、湿度、压力、流量。
3.供气湿度是对氢燃料电池性能影响重大的一个参数，因此，准确的湿度控制对氢燃料电池测试台尤为重要。使用湿度传感器可以实时获得供气湿度，通过在燃料电池供气入口管路安装湿度传感器检测供气湿度并调控加湿模块进行湿度控制，但在高湿度环境下，湿度传感器的探头处极易结露，影响湿度测量精度，而且探头的使用寿命较短，通常使用一年或两年就必须返厂进行探头更换和测量标定。对于需要长期工作的氢燃料电池测试台，使用湿度传感器控制供气湿度显然是不合适的。现有的氢燃料电池测试设备通过已设定的供气参数，计算供气的含湿量和露点温度，控制加湿模块的出口温度使其等于露点温度，从而控制供气湿度。其中，加湿模块可以实现加湿，出口气体为饱和湿气体。但是，由于加湿模块出口饱和湿气体与氢燃料电池供气入口湿气体存在压力差，加湿模块出口饱和湿气体的含湿量低于已设定电池进口湿气体的含湿量，导致实际供气的湿度低于设定值，给测试结果带来了偏差。
4.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种氢燃料电池供气湿度测量装置及测量方法，该装置以及方法能够解决传统的氢燃料电池测试台供气湿度存在偏差从而影响氢燃料电池测试结果的问题。
6.为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
7.一种氢燃料电池供气湿度测量装置，包括：质量流量控制器、加湿模块和控制模块，其中，
8.所述质量流量控制器的输出端连接加湿模块的输入端，所述加湿模块用于对经质量流量控制器输出的由氢气和空气构成的混合气体进行加湿；
9.所述加湿模块的输出端连接氢燃料电池的输入端，加湿后的混合气体经由该输入端进入氢燃料电池；
10.所述控制模块用于控制加湿模块，使得待进入氢燃料电池的混合气体的相对湿度达到混合气体预先设定的相对湿度。
11.优选的，所述控制模块包括：
12.采集子模块，用于采集加湿后的混合气体的压力值和温度值，记为第一压力值和第一温度值；以及用于采集待进入氢燃料电池的混合气体的压力值和温度值，记为第二压力值和第二温度值；
13.计算子模块，用于根据第一压力值和第一温度值计算加湿后的混合气体的含湿量，以及用于根据该含湿量和第二压力值、第二温度值计算待进入氢燃料电池的混合气体的相对湿度；
14.控制子模块，用于将待进入氢燃料电池的混合气体的相对湿度与预设相对湿度进行比对，并根据比对结果控制所述加湿模块调整混合气体的含湿量。
15.优选的，所述采集子模块包括温度传感器和湿度传感器。
16.优选的，所述计算子模块和控制子模块均采用单片机芯片。
17.优选的，所述加湿模块包括如下任一：鼓泡增湿器、喷淋增湿器和膜增湿器。
18.优选的，所述装置还包括热交换器。
19.优选的，所述装置还包括加热带。
20.本公开还提供一种氢燃料电池测试台供气湿度测量方法，包括如下步骤：
21.s100：对由氢气和空气构成的混合气体的流量、压力、温度和相对湿度进行设定，并计算混合气体的露点温度；
22.s200：采集加湿后的混合气体的压力值和温度值，记为第一压力值和第一温度值；
23.s300：对第一压力值和第一温度值进行抽样，获得抽样数据，对抽样数据进行处理，以获得加湿后的混合气体的真实含湿量；
24.s400：采集待进入氢燃料电池的混合气体的压力值和温度值，记为第二压力值和第二温度值，根据由步骤s300获得的真实含湿量以及第二压力值和第二温度值计算待进入氢燃料电池的混合气体的相对湿度；
25.s500：将由步骤s400获得的待进入氢燃料电池的混合气体的相对湿度和步骤s100中设定的混合气体的相对湿度进行比对，根据比对结果返回步骤s200调整混合气体的含湿量。
26.与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
27.(1)本公开通过传感器测量气体温度和压力，获得准确的供气含湿量和相对湿度，与传统的氢燃料电池测试设备湿度控制相比，利用本公开计算的相对湿度进行氢燃料电池的供气湿度控制更加精确；
28.(2)本公开通过在加湿模块后增设稳压模块，能够减少气体压力的波动，有利于第一压力传感器的测量；同时稳压模块可以减少供气中可能存在的液态水滴，从而降低供气中液态水对测试设备和氢燃料电池产生的负面影响。
附图说明
29.图1是本公开一个实施例提供的一种氢燃料电池测试台供气装置的结构示意图；
30.图2是本公开另一个实施例提供的稳压模块的结构示意图；
31.图3是本公开另一个实施例提供的一种氢燃料电池测试台供气的湿度测量方法的流程图；
32.附图中的标记说明如下：
33.1-质量流量控制器；2-加湿模块；3-稳压模块；4-第一温度传感器；5-热交换器；6-加热带；7-第二压力传感器；8-第二温度传感器；9-氢燃料电池；10-第一压力传感器；11-气体出口端；12-排水口；13-气体进口端；14-隔板。
具体实施方式
34.下面将参照附图1至图3详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以通过各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
35.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
36.为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
37.一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种氢燃料电池供气湿度测量装置，包括：质量流量控制器1、加湿模块2和控制模块，其中，
38.所述质量流量控制器1的输出端连接加湿模块2的输入端，所述加湿模块2用于对经质量流量控制器1输出的由氢气和空气构成的混合气体进行加湿；
39.所述加湿模块2的输出端连接氢燃料电池9的输入端，加湿后的混合气体经由该输入端进入氢燃料电池9；
40.所述控制模块用于控制加湿模块2，使得待进入氢燃料电池9的混合气体的相对湿度达到混合气体预先设定的相对湿度。
41.另一个实施例中，所述控制模块包括：
42.采集子模块，用于采集加湿后的混合气体的压力值和温度值，记为第一压力值和第一温度值；以及用于采集待进入氢燃料电池的混合气体的压力值和温度值，记为第二压力值和第二温度值；
43.计算子模块，用于根据第一压力值和第一温度值计算加湿后的混合气体的含湿量，以及用于根据该含湿量和第二压力值、第二温度值计算待进入氢燃料电池的混合气体的相对湿度；
44.控制子模块，用于将待进入氢燃料电池的混合气体的相对湿度与预设相对湿度进行比对，并根据比对结果控制所述加湿模块调整混合气体的含湿量。
45.另一个实施例中，所述装置还包括稳压模块3，所述稳压模块3包括：腔体，腔体一
侧设置有气体进口端13，另一侧设置有气体出口端11，与气体出口端11同侧还设置有排水口12。
46.本实施例中，当气体进入腔体后，其压力波动就会缓解，从而起到稳定气体压力的作用。
47.另一个实施例中，所述稳压模块还包括隔板14，用于分离气体中携带的液态水滴。
48.本实施例中，通过设置隔板，能够对气体中的液态水滴进行隔离，以避免因进入液态水滴从而对氢燃料电池造成损害。
49.另一个实施例中，所述采集子模块包括温度传感器和压力传感器。
50.本实施例中，温度传感器包括第一温度传感器4和第二温度传感器8；压力传感器包括第一压力传感器10和第二压力传感器7。其中，第一温度传感器设置于稳压模块的气体出口端，用于测量经稳压后的混合气体的温度值；第一压力传感器设置于稳压模块上，用于测量稳压模块腔体内的气体压力值。第二压力传感器和第二温度传感器则设置于氢燃料电池入口，用于测量待进入氢燃料电池的气体压力值和温度值。
51.另一个实施例中，所述计算子模块和控制子模块均采用单片机芯片。
52.凡是具有计算功能和控制功能的单片机芯片均可用于本实施例中，本实施例不致力于对其作出改进。
53.另一个实施例中，所述加湿模块包括如下任一：鼓泡增湿器、喷淋增湿器和膜增湿器。
54.另一个实施例中，所述装置还包括热交换器5。
55.本实施例中，设置热交换器的目的在于控制待进入氢燃料电池的气体的温度，从而使得气体湿度保持在一个相对稳定的状态。
56.另一个实施例中，所述装置还包括加热带6。
57.本实施例中，加热带缠绕在输气管道上，主要起到保温的作用，防止气体在管路中因冷凝、降温而导致湿度降低。
58.另一个实施例中，本公开还提供一种氢燃料电池测试台供气湿度测量方法，包括如下步骤：
59.s100：对由氢气和空气构成的混合气体的流量、压力、温度和相对湿度进行设定，并计算混合气体的露点温度；
60.该步骤中，首先设定待进入氢燃料电池的气体的流量w、压力p、温度t、相对湿度rh，然后根据以上参数计算混合气体的露点温度，即
61.p
sat
(td)＝rh
×
p
sat
(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
62.其中，p
sat
(t)为温度t下的水蒸气饱和蒸气压；
63.且，p
sat
(t)和温度t(温度t采用开尔文温度)的关系如下：
[0064][0065]
控制模块执行控制策略，使得质量流量控制器的流量达到设定值w；加湿模块控制的气体露点温度达到公式(1)计算值td；进入氢燃料电池的气体温度达到设定值t，气体压力达到设定值p。
[0066]
s200：采集加湿后的混合气体的压力值和温度值，记为第一压力值和第一温度值；
[0067]
该步骤中，采集第一压力传感器10的测量值p1′
和第一温度传感器4的测量值t1′
，其中，采样时间为δt(采样时间δt由传感器和系统硬件决定，可选择300ms)。
[0068]
s300：对第一压力值和第一温度值进行抽样，获得抽样数据，对抽样数据进行处理，以获得加湿后的混合气体的真实含湿量；
[0069]
该步骤中，抽取tm时间段内(时间段tm由用户设定，可设定为30s)的压力数据和温度数据，对数据进行降噪处理(采用现有的降噪方法即可)；降噪处理后进行算术平均，获得经过稳压模块3输出的饱和湿气体的平均压力p1和平均温度t1，进而计算加湿后的混合气体的真实含湿量d1，计算公式如下：
[0070][0071]
其中，为水的摩尔质量；m
gas
为气体的摩尔质量，气体为氢气或者空气。
[0072]
s400：采集待进入氢燃料电池的混合气体的压力值和温度值，记为第二压力值和第二温度值，根据由步骤s200获得的真实含湿量以及第二压力值和第二温度值计算待进入氢燃料电池的混合气体的相对湿度；
[0073]
该步骤中，通过步骤s300中获得的含湿量d1以及由第二压力传感器测量获得的测量值p和由第二温度传感器测量获得的测量值t，计算可得输入氢燃料电池的气体的相对湿度rh
′
，即
[0074][0075]
s500：将由步骤s400获得的待进入氢燃料电池的混合气体的相对湿度和步骤s100中设定的混合气体的相对湿度进行比对，根据比对结果返回步骤s200调整混合气体的含湿量。
[0076]
该步骤中，对计算获得的rh
′
与设定值rh进行比较，若rh
′
大于rh，则控制加湿模块降低出口气体的温度；若rh
′
小于rh，则控制加湿模块提高出口气体的温度，从而实现燃料电池测试台准确的气体湿度供给。
[0077]
下面，本公开通过一个具体的实施例对本公开所述方法作进一步说明。
[0078]
假设供气为空气，进入燃料电池堆的干气体流量为6000nlpm，气体温度80℃，进气压力为200kpa，进气相对湿度为0.85。此外，加湿模块2的出口与氢燃料电池9之间存在压力，在当前供气流量下假设气体压差为20kpa，则加湿模块2出口的气体压力为220kpa。
[0079]
利用公式(1)和(2)计算露点温度td为76.0℃。依据现有技术，供气湿度控制即为控制加湿模块2出口饱和湿气体的温度为76.0℃，此时，供气的真实含湿量可根据公式(3)计算为0.1393kg/kg。气体在加湿模块2与氢燃料电池9之间未发生冷凝现象，含湿量保持不变。依据公式(4)，可计算当前真实的进气相对湿度rh
′
为0.771，低于进气湿度设定值0.85。计算结果有效地说明了现有湿度测量方法的不准确。
[0080]
采用本公开的湿度测量方法，实时测量的第一温度传感器测量值、第一压力传感器测量值、第二温度传感器测量值以及第二压力传感器测量值，通过图3所示的测量方法，计算实时的供气相对湿度rh
′
，通过控制加湿模块，使rh
′
等于设定值0.85。此时，需要设定
的露点温度为78.2℃，高于现有技术设定的露点温度76.0℃，这样满足氢燃料电池9的进气湿度为0.85。
[0081]
以上结合具体实施例对本公开所提供的一种氢燃料电池测试台供气湿度测量装置和测量方法进行了详细介绍，同时，上述实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。因此，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。