一种空冷型燃料电池运行环境模拟装置及方法

本发明属于新能源发电，具体涉及一种空冷型燃料电池运行环境模拟装置及方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池作为清洁能源的一种，具有高效、零污染物排放、长续航、工作温度低等特点，是目前新能源领域的研究热点之一。空冷型质子交换膜燃料电池省去了用于实现冷却液循环和反应气体增湿等功能的辅助设备，与传统燃料电池相比具有重量轻、效率高、结构紧凑等优点，被视为小型用电系统的未来理想电源。

2、空冷燃料电池由于阴极一般通过风扇直接和环境空气接触，因此其运行情况与所处环境息息相关。同一个空冷燃料电池在不同地区或不同季节运行性能差异很大，开展环境适应性研究是实现空冷燃料电池产业化应用的关键。所谓环境适应性研究，是指人为营造空冷燃料电池运行所处的环境条件，具体为营造特定的环境温度和环境湿度，探究空冷燃料电池在不同环境条件下的运行情况，从而便于制定不同环境条件下的空冷燃料电池控制策略。

3、传统水冷燃料电池的环境适应性研究可以通过将燃料电池放置到环境试验箱中进行测试，由环境试验箱来调控环境温度和环境湿度。然而空冷燃料电池阴极直接和环境空气接触，运行时需要通过阴极风扇从周围环境中源源不断地抽取大量空气用于电化学反应和散热，因此无法直接在密闭的环境试验箱中正常运行。本专利基于空冷燃料电池环境适应性研究的需要，提出一种开放式的空冷燃料电池运行环境模拟装置，该装置通过控制空冷燃料电池的空气进气温度和湿度实现环境模拟。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种空冷型燃料电池运行环境模拟装置及方法，解决了空冷燃料电池不能用传统密闭环境试验箱进行环境适应性研究的问题，通过该装置可以便捷地探究环境条件对空冷燃料电池的影响。

2、本发明具体技术方案如下：

3、一种空冷型燃料电池运行环境模拟装置，包括依次连接的鼓风机、湿度控制模块、温度控制模块和气体导流模块，以及信息采集与控制模块；

4、所述湿度控制模块包括入口通路选择器、第一气体通路、第二气体通路和出口通路选择器，第一气体通路具有干燥空气输入口，第二气体通路具有鼓泡加湿器；

5、所述温度控制模块的主体为气液式换热器，包括液体通路和气体通路；

6、所述气体导流模块设置在空冷型燃料电池的电堆阴极前端，用于均匀进入电堆阴极的气体流量与压强；

7、所述信息采集与控制模块包括设置在鼓风机入口处的第一温度传感器和第一湿度传感器，设置在湿度控制模块出口处的第二湿度传感器，设置在温度控制模块出口处的第二温度传感器，以及与入口通路选择器、出口通路选择器、干燥空气输入口、鼓泡加湿器和气液式换热器连接的控制器；

8、环境空气由鼓风机导入湿度控制模块入口，控制器根据预设的目标相对湿度、预设的目标温度、第一温度传感器检测的环境空气温度、第一湿度传感器检测的环境空气湿度与第二湿度传感器检测的气体湿度，控制入口通路选择器和出口通路选择器，以选择导通第一气体通路或第二气体通路至湿度控制模块出口，并控制对应干燥空气输入口所输入的干燥空气量，或对应鼓泡加湿器中去离子水的温度，使温度控制模块出口的气体湿度达到目标相对湿度；湿度控制模块出口输出的气体进入温度控制模块入口，控制器根据目标温度与第二温度传感器检测的气体温度，控制气液式换热器中液体通路的控温介质温度，使气体通路的气体温度达到目标温度；温度控制模块出口导出的气体经气体导流模块均匀化后，导入电堆阴极。

9、进一步地，所述控温介质温度的调节范围为-40℃～100℃。

10、进一步地，所述气体导流模块为尺寸与电堆阴极匹配的导流栅格。

11、进一步地，控制器通过控制湿度控制模块出口的气体相对湿度达到湿度控制设定值使温度控制模块出口的气体湿度达到目标相对湿度rhobj；其中，psat,obj为目标相对湿度对应的水的饱和蒸汽压；psat,amb为环境空气中水的饱和蒸气压。

12、进一步地，psat,amb受到环境空气温度tamb的直接影响，psat,obj受到目标温度tobj的直接影响，表示为：

13、

14、

15、单位均为pa。

16、进一步地，控制器通过pid(比例积分微分)、adrc(自抗扰控制)、mpc(模型预测控制)等控制算法实现目标控制。

17、进一步地，所述第一气体通路、第二气体通路、干燥空气输入口以及气液式换热器的气体通路中设有质量流量控制器(mfc)，通过质量流量控制器控制通路中的气体流速，以控制导入电堆阴极的气体流速。

18、本发明还提出了一种空冷型燃料电池运行环境模拟方法，包括以下步骤：

19、步骤1：获取实际操作时的环境条件，包括环境空气温度tamb和环境相对湿度rhamb；

20、步骤2：根据所需模拟环境，设置目标温度tobj和目标相对湿度rhobj；

21、步骤3：通过鼓风机将环境空气导入湿度控制模块入口，根据目标相对湿度rhobj、目标温度tobj以及检测的湿度控制模块出口的气体湿度，调节湿度控制模块出口的气体相对湿度，具体为：

22、步骤3-1：根据环境空气温度tamb、目标温度tobj和目标相对湿度rhobj，计算湿度控制模块的湿度控制设定值rhset：

23、

24、步骤3-2：判断湿度控制设定值rhset是否大于环境相对湿度rhamb，若是，则转至步骤3-3；否则，转至步骤3-4；

25、步骤3-3：选择导通湿度控制模块的第一气体通路，根据检测的湿度控制模块出口的气体湿度，采用控制算法，以湿度控制设定值rhset为控制目标，对第一气体通路中鼓泡加湿器的去离子水温度进行负反馈控制，使湿度控制模块出口的气体相对湿度达到湿度控制设定值rhset；

26、步骤3-4：选择导通湿度控制模块的第二气体通路，根据检测的湿度控制模块出口的气体湿度，采用控制算法，以湿度控制设定值rhset为控制目标，对第二气体通路中干燥空气输入口所输入的干燥空气量进行负反馈控制，使湿度控制模块出口的气体相对湿度达到湿度控制设定值rhset；

27、步骤4：湿度控制模块出口输出的气体进入温度控制模块入口，根据检测的温度控制模块出口的气体温度，采用控制算法，以目标温度tobj为控制目标，对湿度控制模块内气液式换热器的控温介质温度进行负反馈控制，使温度控制模块出口的气体温度达到目标温度tobj；

28、步骤5：温度控制模块出口导出的气体经气体导流模块均匀化后，完成空冷型燃料电池的运行环境模拟，导入空冷型燃料电池的电堆阴极。

29、综上所述，本发明的有益效果为：

30、本发明提出的一种空冷型燃料电池运行环境模拟装置及方法，将环境空气通过管道依次通过湿度控制模块、温度控制模块和气体导流模块，通过信息采集与控制模块进行各模块之间的协调与控制，实现了一种开放式的环境模拟装置；根据温度和相对湿度的关系，对湿度控制模块、温度控制模块进行精准控制，实现对进入到电堆阴极的空气相对湿度和温度的人为准确调控；本发明的环境模拟装置结构简单，易于具体实现，并可以通过编程实现全自动控制，实施过程简单高效。