本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)電堆陰極模擬測試裝置。

背景技術(shù)：

燃料電池是通過燃料(比如氫氣)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而直接產(chǎn)生電能。由于燃料電池具有效率高、零排放、運(yùn)行平穩(wěn)、無噪聲等一系列優(yōu)良性能，被視為未來汽車最有可能的動力來源，燃料電池汽車是未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。燃料電池采用電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)的限制，理論效率最高可以達(dá)到80％。由于在化學(xué)反應(yīng)過程中，電池內(nèi)部活化極化、歐姆極化及氣體濃茶擴(kuò)散效應(yīng)的影響，發(fā)電效率遠(yuǎn)低于80％的水平，但也高達(dá)45-50％，遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)的水平。這同時(shí)帶來一個(gè)問題，即有將近50％的內(nèi)能無法轉(zhuǎn)換為電能被加以利用，比如一個(gè)標(biāo)稱75kw額定功率的電堆，在額定功率輸出時(shí)效率僅為50％，那么有額外75kw的熱量需要被帶走。

燃料電池堆在運(yùn)行過程中需要供給適當(dāng)?shù)目諝?，否則燃料電池電堆會因?yàn)榭諝獠蛔愣鵁o法提供正確的功率，導(dǎo)致電堆因?yàn)槿睔舛a(chǎn)生不正常工作，損壞電堆，因此恰當(dāng)?shù)目諝夤?yīng)子系統(tǒng)對燃料電池系統(tǒng)工作是非常必要的。這里恰當(dāng)?shù)目諝夤?yīng)子系統(tǒng)需要對壓縮機(jī)等零部件進(jìn)行合理匹配和優(yōu)化，并對壓縮機(jī)的控制算法進(jìn)行匹配和驗(yàn)證。在這一過程中，往往需要將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的空氣子系統(tǒng)與電堆連接起來，進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測試，測試過程中同時(shí)需要供應(yīng)氫氣、提供電子負(fù)載、提供相應(yīng)的冷卻設(shè)施等，這使空氣供應(yīng)子系統(tǒng)匹配、優(yōu)化、驗(yàn)證過程變得非常耗時(shí)耗能。

目前已公開的專利文獻(xiàn)中，有不少公司提出了空氣供應(yīng)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。上海新源動力有限公司專利“一種強(qiáng)化氫氣安全排放的燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)”(公開號cn103456973a)，其特點(diǎn)在于環(huán)境空氣經(jīng)過空氣供應(yīng)機(jī)械之后，一部分通過加濕器進(jìn)入電堆，然后再排出來；另一部分通過一個(gè)支路系統(tǒng)，直接對電堆尾部排出的氫氣進(jìn)行稀釋，使得氫尾氣排濃度降低，使燃料電池更加安全；另一個(gè)專利“用于氫燃料電池中空氣系統(tǒng)的測試裝置”(公開號cn204439800u)，其特點(diǎn)在于外部空氣通過進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥與空氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣口相連；中冷器的進(jìn)氣口與空氣壓縮機(jī)口的出氣口相連通；增濕器的進(jìn)氣口與中冷器的出氣口相連通，增濕器的出氣口通過管路切換閥與待測的燃料電池堆的空氣進(jìn)口相連通，燃料電池堆的陰極出口通過管路切換閥與所述增濕器的水汽入口相連通；還包括空氣旁路通道，空氣旁路通道包括串接的用于模擬電堆管阻的空氣調(diào)節(jié)閥以及加濕加溫器，該測試裝置還具有各類的傳感器，更有利于控制部分對于本發(fā)明的測試裝置的控制調(diào)節(jié)。

益達(dá)科技有限責(zé)任公司的專利“用于在低負(fù)載或者冷溫度操作期間調(diào)節(jié)燃料電池空氣流動的系統(tǒng)和方法”(公開號cn102884664a)，公開了一種在燃料電池低負(fù)載及冷溫度環(huán)境下，通過熱管理驅(qū)動組件，改變熱管理流體的流速，包括改變熱管理流體在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的整體供給速率和/或?yàn)闊峁芾砹黧w提供可選的流動路徑，使得由燃料電池系統(tǒng)供給的熱管理流體的一部分不與燃料電池堆相接觸。

西南交通大學(xué)專利“基于最大凈功率策略的質(zhì)子交換膜燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)控制”(公開號cn103384014a)，公開了一種基于最大凈功率策略的質(zhì)子交換膜燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)控制，分析基于電堆運(yùn)行溫度、oer和負(fù)載電流之間的凈輸出功率最優(yōu)化特征，采用一種基于有效信息的自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法求解“最優(yōu)運(yùn)行條件”，并根據(jù)不同負(fù)載電流下的“最優(yōu)運(yùn)行條件”約束范圍，在滾動優(yōu)化時(shí)采用基于有效信息的自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法求解最優(yōu)預(yù)測控制律。

蘇州歐拉工程技術(shù)有限公司的專利“燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置”(公開號cn103441291b)公開了一種燃料電池系統(tǒng)的空氣供應(yīng)及能量回收裝置，該裝置上離心壓縮機(jī)、向心透平膨脹機(jī)分別安裝在高速電機(jī)的輸出軸兩端，且離心壓縮機(jī)、向心透平膨脹機(jī)與輸出軸同軸連接，其中通過在向心透平膨脹機(jī)上設(shè)置可調(diào)噴嘴裝置，使得電池反應(yīng)堆反應(yīng)后具有一定能量的氣體通過可調(diào)噴嘴裝置上的噴嘴噴至葉輪的葉片上而驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動輸出軸旋轉(zhuǎn)而驅(qū)動高速電機(jī)工作，節(jié)省了高速電機(jī)的電能消耗，使反應(yīng)后氣體中的能量得到充分的回收利用，提高了燃料電池系統(tǒng)中空氣供應(yīng)的效率和能量回收利用的效率，大幅地節(jié)約了生產(chǎn)成本。

上述公開的技術(shù)僅僅在于給出了不同的燃料電池空氣供應(yīng)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)特定方案，而沒有給出針對開發(fā)過程、開發(fā)方法及開發(fā)過程中使用的設(shè)備，在設(shè)計(jì)空氣供應(yīng)子系統(tǒng)時(shí)，會面臨以下問題：(1)僅僅根據(jù)現(xiàn)有電堆特性參數(shù)，在沒有實(shí)物的情況下不能快速設(shè)計(jì)出一個(gè)良好的空氣供應(yīng)輔助系統(tǒng)；(2)空氣供應(yīng)輔助系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件參數(shù)不能良好的進(jìn)行匹配。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題而提供一種用于燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)電堆陰極模擬測試裝置，能夠根據(jù)實(shí)際電堆參數(shù)(陰極體積、氣體流動阻力特性、工作溫度及極化特性曲線)，利用物理模型模擬實(shí)際電堆，并在此物理模型的基礎(chǔ)上用于驗(yàn)證空氣供應(yīng)子系統(tǒng)零部件的匹配是否合理、控制算法是否可行。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)電堆陰極模擬測試裝置，包括殼體、安裝電動水泵的循環(huán)水路、模擬電堆空氣進(jìn)氣的空氣進(jìn)氣管、排放多余空氣的空氣排放口、對空氣流過的體積進(jìn)行調(diào)節(jié)的陰極容積調(diào)節(jié)腔、對空氣流過的壓力損失進(jìn)行調(diào)節(jié)的流阻調(diào)節(jié)器以及模擬氧氣消耗的空氣消耗口，所述的空氣進(jìn)氣管以及陰極容積調(diào)節(jié)腔設(shè)于殼體的底部，所述的空氣排放口設(shè)于殼體的頂部，所述的流阻調(diào)節(jié)器設(shè)于陰極容積調(diào)節(jié)腔的上部，所述的流阻調(diào)節(jié)器之間設(shè)有連接控制計(jì)算機(jī)的加熱件，所述的循環(huán)水路上部設(shè)有噴灑機(jī)構(gòu)，該裝置還設(shè)有連接控制計(jì)算機(jī)的壓力傳感器和溫度傳感器。

進(jìn)一步地，所述的空氣進(jìn)氣管由兩個(gè)周身均勻開孔的圓形套筒組成，調(diào)節(jié)兩個(gè)圓筒的重合角度，改變圓周身開孔的重合度，可改變空氣進(jìn)氣量。

進(jìn)一步地，所述的陰極容積調(diào)節(jié)腔為活塞結(jié)構(gòu)，通過對活塞桿的推動，就可以改變?nèi)莘e。

進(jìn)一步地，所述的流阻調(diào)節(jié)器由多片穿在滑竿上的流阻滑片組成，流阻滑片之間設(shè)有可伸縮聯(lián)動結(jié)構(gòu)，更進(jìn)一步地，所述的可伸縮聯(lián)動結(jié)構(gòu)為鉸接形成的菱形結(jié)構(gòu)，通過對可伸縮聯(lián)動結(jié)構(gòu)前后伸縮調(diào)節(jié)，可使流阻滑片沿滑竿方向前后滑動，均勻調(diào)節(jié)流阻滑片之間的間隙，達(dá)到流阻調(diào)節(jié)的功能。

進(jìn)一步地，所述的空氣消耗口前端依次安裝連接控制計(jì)算機(jī)的電動閥門和流量傳感器。

進(jìn)一步地，所述的加熱件為加熱棒或加熱絲。

進(jìn)一步地，所述的噴灑機(jī)構(gòu)為噴霧噴頭。

所述的空氣進(jìn)氣管用于模擬電堆空氣入口；循環(huán)水路用于對內(nèi)部流場進(jìn)行加濕，并對裝置進(jìn)行加熱；空氣消耗口用于計(jì)量控制氧氣消耗；流量傳感器用于檢測模擬氧氣的實(shí)際流量，對模擬氧氣消耗量形成閉環(huán)控制回路；電動閥門用于控制開度，使流出空氣的流量等于設(shè)定值；電動水泵用于將水進(jìn)行循環(huán)利用，使加熱均勻，并能夠?qū)⑺畯牡撞砍榈巾敳?，形成噴射效果，對?nèi)部零部件進(jìn)行噴水加濕；通過陰極容積調(diào)節(jié)腔對內(nèi)部空氣流過的體積進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到模擬實(shí)際電堆不同陰極容積的效果；加熱絲或加熱棒用于加熱，使內(nèi)部溫度穩(wěn)定在一個(gè)設(shè)定的值；流阻調(diào)節(jié)器對內(nèi)部空氣流過的壓力損失進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到模擬實(shí)際電堆不同陰極流阻的模擬效果；壓力傳感器檢測內(nèi)部空氣的壓力；溫度傳感器檢測內(nèi)部空氣的溫度；空氣排放口用于排放多余的空氣；殼體用于對內(nèi)部零部件進(jìn)行保護(hù)和封裝。

該測試裝置在運(yùn)行之前，對其內(nèi)部容積和流阻進(jìn)行標(biāo)定，陰極容積調(diào)節(jié)腔與流阻調(diào)節(jié)器的控制通過手動來實(shí)現(xiàn)，并通過測量對流阻進(jìn)行標(biāo)定。在該模擬裝置運(yùn)行過程中，通過控制計(jì)算機(jī)控制加熱件，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度的穩(wěn)定；控制電動閥門實(shí)現(xiàn)電堆氧氣消耗速率的實(shí)時(shí)模擬；控制電動水泵實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部零部件的加濕，達(dá)到對流經(jīng)空氣的加濕目的。

其運(yùn)行規(guī)律如下：

首先空氣從空氣進(jìn)氣管進(jìn)入模擬裝置，然后經(jīng)過流阻調(diào)節(jié)器，空氣在流阻調(diào)節(jié)器中被充分加熱、加濕并且其流動速度得到下降，即壓力發(fā)生了損失?？諝饨?jīng)過流阻調(diào)節(jié)器中狀態(tài)的變化就是模擬其在真實(shí)電堆中發(fā)生的變化——溫度被加熱為電堆工作溫度、濕度為飽和空氣濕度、壓力損失為電堆壓力損失?？諝饨?jīng)過流阻調(diào)節(jié)器之后發(fā)生分流：一部分經(jīng)過空氣消耗口排出；另一部分經(jīng)過空氣排放口排出，空氣消耗口排出的流量模擬電池消耗的量，空氣排放口排掉多余的氣體。

經(jīng)過空氣消耗口排出的空氣流量mair為：

mair＝mo2in/4f

其中，i為計(jì)算機(jī)設(shè)定的電流，n為所模擬電堆中單電池的數(shù)量，f為法拉第常數(shù)，mo2為氧氣的摩爾分子量，在運(yùn)行過程中，電流i為變量。

空氣流量的值通過控制流程和算法實(shí)現(xiàn)：利用上述公式計(jì)算出期望的空氣流量，再利用流量傳感器對實(shí)時(shí)空氣流量進(jìn)行檢測，作為閉環(huán)反饋信號；利用期望值和實(shí)際測量值的差進(jìn)行控制；然后根據(jù)電動閥門的特性，設(shè)計(jì)控制器(如pid控制)，對電動閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)；模擬裝置內(nèi)部溫度需要穩(wěn)定在一個(gè)設(shè)定值(50-80℃)，運(yùn)行過程中，由于受到外部進(jìn)入該模擬裝置氣流及模擬裝置外殼散熱的影響，需要實(shí)時(shí)調(diào)整加熱件的發(fā)熱功率，以穩(wěn)定內(nèi)部的溫度。內(nèi)部溫度通過控制流程和算法來實(shí)現(xiàn)：利用溫度傳感器對實(shí)時(shí)空氣溫度進(jìn)行檢測，作為閉環(huán)反饋信號；利用設(shè)定值和實(shí)際測量值的差進(jìn)行控制；然后根據(jù)模擬器的散熱特性，設(shè)計(jì)控制器(如pid控制)，對加熱件的發(fā)熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；控制電動水泵處于運(yùn)行狀態(tài)，將內(nèi)部的水從底部抽到頂部，經(jīng)過噴灑，流到流阻調(diào)節(jié)器上，使流阻調(diào)節(jié)器表明濕潤，當(dāng)空氣流經(jīng)時(shí)水蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對空氣的加濕。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過加熱機(jī)構(gòu)和循環(huán)水根據(jù)已知燃料電池電堆的產(chǎn)熱與散熱特性和原理進(jìn)行相應(yīng)的模擬，由已知的燃料電池的參數(shù)進(jìn)行快速配置，使其構(gòu)成一個(gè)完全相同或非常類似的系統(tǒng)，用于燃料電池系統(tǒng)匹配開發(fā)過程中替代真實(shí)電堆，加快匹配測試過程，提高系統(tǒng)開發(fā)效率，能夠根據(jù)實(shí)際電堆參數(shù)(陰極體積、氣體流動阻力特性、工作溫度及極化特性曲線)，利用物理模型模擬實(shí)際電堆，并在此物理模型的基礎(chǔ)上用于驗(yàn)證空氣供應(yīng)子系統(tǒng)零部件的匹配是否合理、控制算法是否可行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明對氧氣消耗模擬控制的算法框圖；

圖4為本發(fā)明對裝置內(nèi)部溫度控制的算法框圖；

圖中：0-控制計(jì)算機(jī)；1-空氣進(jìn)氣管；2-循環(huán)水路；3-空氣消耗口；4-流量傳感器；5-電動閥門；6-電動水泵；7-陰極容積調(diào)節(jié)腔；8-加熱件；9-流阻調(diào)節(jié)器；10-壓力傳感器；11-溫度傳感器；12-空氣排放口；13-殼體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

一種用于燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)電堆陰極模擬測試裝置，參照圖1、圖2，包括殼體13、安裝電動水泵6的循環(huán)水路2、模擬電堆空氣進(jìn)氣的空氣進(jìn)氣管1、排放多余空氣的空氣排放口12、對空氣流過的體積進(jìn)行調(diào)節(jié)的陰極容積調(diào)節(jié)腔7、對空氣流過的壓力損失進(jìn)行調(diào)節(jié)的流阻調(diào)節(jié)器9以及模擬氧氣消耗的空氣消耗口3，空氣消耗口3前端依次安裝連接控制計(jì)算機(jī)0的電動閥門5和流量傳感器4。空氣進(jìn)氣管1以及陰極容積調(diào)節(jié)腔7設(shè)于殼體13的底部，空氣排放口12設(shè)于殼體13的頂部，流阻調(diào)節(jié)器9設(shè)于陰極容積調(diào)節(jié)腔7的上部，流阻調(diào)節(jié)器9之間設(shè)有連接控制計(jì)算機(jī)0的加熱件8，加熱件8為加熱棒或加熱絲，循環(huán)水路2上部設(shè)有噴灑機(jī)構(gòu)，噴灑機(jī)構(gòu)為噴霧噴頭，該裝置還設(shè)有連接控制計(jì)算機(jī)0的壓力傳感器10和溫度傳感器11，空氣進(jìn)氣管1由兩個(gè)周身均勻開孔的圓形套筒組成，調(diào)節(jié)兩個(gè)圓筒的重合角度，改變圓周身開孔的重合度，可改變空氣進(jìn)氣量，陰極容積調(diào)節(jié)腔7為活塞結(jié)構(gòu)，通過對活塞桿的推動，就可以改變?nèi)莘e，流阻調(diào)節(jié)器9由多片穿在滑竿上的流阻滑片組成，流阻滑片之間設(shè)有菱形可伸縮聯(lián)動結(jié)構(gòu)，通過對可伸縮聯(lián)動結(jié)構(gòu)前后伸縮調(diào)節(jié)，可使流阻滑片沿滑竿方向前后滑動，均勻調(diào)節(jié)流阻滑片之間的間隙，達(dá)到流阻調(diào)節(jié)的功能。

控制計(jì)算機(jī)采用ni實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)pxie-8135，運(yùn)行windows操作系統(tǒng)；同時(shí)配置nipxi-6289多功能daq采集板卡，nipxi-2586開關(guān)板卡，用于控制信號的輸出。在運(yùn)行之前，對其內(nèi)部容積和流阻進(jìn)行標(biāo)定，陰極容積調(diào)節(jié)腔與流阻調(diào)節(jié)器的控制通過手動來實(shí)現(xiàn)，并通過測量對流阻進(jìn)行標(biāo)定。在該模擬裝置運(yùn)行過程中，通過控制計(jì)算機(jī)控制加熱件，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度的穩(wěn)定；控制電動閥門實(shí)現(xiàn)電堆氧氣消耗速率的實(shí)時(shí)模擬；控制電動水泵實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部零部件的加濕，達(dá)到對流經(jīng)空氣的加濕目的，其運(yùn)行規(guī)律如下：

首先空氣從空氣進(jìn)氣管道進(jìn)入模擬裝置，然后經(jīng)過流阻調(diào)節(jié)器，空氣在流阻調(diào)節(jié)器中被充分加熱、加濕并且其流動速度得到下降，即壓力發(fā)生了損失?？諝饨?jīng)過流阻調(diào)節(jié)器中狀態(tài)的變化就是模擬其在真實(shí)電堆中發(fā)生的變化——溫度被加熱為電堆工作溫度、濕度為飽和空氣濕度、壓力損失為電堆壓力損失?？諝饨?jīng)過流阻調(diào)節(jié)器之后發(fā)生分流：一部分經(jīng)過空氣消耗口排出；另一部分經(jīng)過空氣消耗口排出。

經(jīng)過空氣消耗口排出的空氣流量mair為：

mair＝mo2in/4f

其中，i為計(jì)算機(jī)設(shè)定的電流，n為所模擬電堆中單電池的數(shù)量，f為法拉第常數(shù)，mo2為氧氣的摩爾分子量，在運(yùn)行過程中，電流i為變量，需要實(shí)時(shí)調(diào)整空氣流量的值?？諝饬髁康闹低ㄟ^控制流程和算法實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，這是一個(gè)負(fù)反饋控制氧氣流量模型，通過計(jì)算出的氧氣消耗量計(jì)算模型得出氧氣的消耗量，該值作為輸入，被控對象是流量調(diào)節(jié)閥，該裝置控制氧氣的流量，根據(jù)壓力傳感器可得到正確的流量，通過負(fù)反饋測量環(huán)節(jié)的壓力傳感器將實(shí)際氧氣流量與氧氣消耗量對比，當(dāng)氧氣消耗量與氧氣流量相差較大時(shí)，通過控制器加大流量調(diào)節(jié)閥的開度，增加實(shí)際流量，相反的當(dāng)氧氣消耗量較小時(shí)控制器會減小流量調(diào)節(jié)閥的開度來減小氧氣流量，從而維持一個(gè)穩(wěn)定的氧氣流量。

模擬裝置內(nèi)部溫度需要穩(wěn)定在一個(gè)設(shè)定值(50-80℃)，運(yùn)行過程中，由于受到外部進(jìn)入該模擬裝置氣流及模擬裝置外殼散熱的影響，需要實(shí)時(shí)調(diào)整加熱件的發(fā)熱功率，以穩(wěn)定內(nèi)部的溫度。內(nèi)部溫度通過控制流程和算法來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示，這是一個(gè)負(fù)反饋控制溫度的模型，通過裝置內(nèi)部應(yīng)有的溫度值作為輸入，被控對象是加熱件，通過負(fù)反饋測量環(huán)節(jié)的模擬器溫度測量將實(shí)際溫度與所設(shè)定溫度對比，當(dāng)實(shí)際溫度與所設(shè)定溫度相差較大時(shí)，通過溫度控制器加熱棒，增加溫度，相反的，當(dāng)溫度較高時(shí)，溫度控制器會不再加熱棒，從而維持一個(gè)穩(wěn)定的溫度?？刂齐妱铀锰幱谶\(yùn)行狀態(tài)，將內(nèi)部的水從底部抽到頂部，經(jīng)過噴灑，流到流阻調(diào)節(jié)器上，使流阻調(diào)節(jié)器表明濕潤，當(dāng)空氣流經(jīng)時(shí)水蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對空氣的加濕。

上述僅僅是本方案的優(yōu)選實(shí)施方式，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤色，這些改進(jìn)和潤飾也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。