气体纯度检测方法及供氢系统的氢气纯度检测装置转让专利
申请号 : CN202010768263.2
文献号 : CN111864232B
文献日 : 2021-12-21
发明人 : 何晓波 , 翟双
申请人 : 上海重塑能源科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种气体纯度检测方法,其特征在于,包括:
1)预存待检测气体的标准流阻曲线,所述标准流阻曲线为:待检测气体的纯度大于等于99%时的流阻曲线;
2)在输送管路中,获取所述待检测气体的当前流阻曲线,将当前流阻曲线与所述标准流阻曲线进行比较,当当前流阻曲线偏离所述标准流阻曲线时,则输出气体纯度不纯的信号;其中,当前流阻曲线的获取过程为:在输送管路上设置节流组件,所述节流组件为相连的高压截断阀和过滤件,气流会在节流组件的前后形成压力差;实时采集输送管路中的流量Q,并且计算获取节流组件前方与节流组件后方的管路内压力差dp,以此绘制成当前流阻曲线,其中X轴为流量Q、Y轴为管路内压力差。
2.根据权利要求1所述的气体纯度检测方法,其特征在于:所述当前流阻曲线偏离所述标准流阻曲线的程度越大,则所述待检测气体的当前状态越不纯。
3.根据权利要求1所述的气体纯度检测方法,其特征在于:所述输送管路为燃料电池车中与燃料电池系统相连的供氢管路。
4.根据权利要求1所述的气体纯度检测方法,其特征在于:所述输送管路上在所述节流组件的前方设有流量传感器和第一压力传感器,在所述节流组件的后方设有第二压力传感器,流量传感器用于获取流量Q,所述管路内压力差dp由第一压力传感器的采集值和第二压力传感器的采集值相减得出。
5.一种供氢系统的氢气纯度检测装置,其特征在于:包括:供氢组件,包括氢瓶组件以及与氢瓶组件相连的供氢管路;
节流组件,置于所述供氢管路上;所述节流组件为相连的高压截断阀和过滤件;
检测组件,包括控制器,以及置于所述供氢管路上的流量传感器、获取所述节流组件前后压力差的采集传感器,所述流量传感器位于节流组件的前方,所述控制器与流量传感器、采集传感器相连,所述控制器被配置为:根据所述流量传感器采集的流量、采集传感器采集的压力差来获取氢气的当前流阻曲线,并且基于氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线的偏离程度,判断氢气纯度。
6.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置,其特征在于:所述检测组件还包括与所述控制器相连的报警单元,当控制器判断氢气不纯时,控制所述报警单元发出警报。
7.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置,其特征在于:所述控制器中还设置有氢气纯度符合要求的边界流阻曲线,将氢气的当前流阻曲线与所述边界流阻曲线比对,若当前流组曲线的斜率高于该边界流阻曲线的斜率,则控制器输出需要更换氢瓶的信号。
8.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置,其特征在于:所述控制器中还设置有斜率偏离度预警值,控制器根据同一流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的对应点,计算对应点处的切线斜率,计算切斜斜率变化率,将所述切斜斜率变化率与斜率偏离度预警值进行比较,当切斜斜率变化率大于斜率偏离度预警值时,控制器输出需要更换氢瓶的信号。
9.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置,其特征在于:所述控制器中还设置有斜率偏离度预警值,控制器根据两个流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的四个对应点,计算氢气的当前流阻曲线上两个对应点连线的斜率,以及预存氢气的标准流阻曲线上两个对应点连线的斜率,计算斜率变化率,将所述斜率变化率与斜率偏离度预警值进行比较,当斜率变化率大于斜率偏离度预警值时,控制器输出需要更换氢瓶的信号。
10.根据权利要求5所述的一种供氢系统的氢气纯度检测装置,其特征在于:所述控制器中还设置有流阻偏离度预警值,控制器根据同一流量在所述氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线上的对应点,计算流阻变化率,将所述流阻变化率与流阻偏离度预警值进行比较,当流阻变化率大于斜率偏离度预警值时,控制器输出需要更换氢瓶的信号。
说明书 :
气体纯度检测方法及供氢系统的氢气纯度检测装置
技术领域
背景技术
使用的燃料一般为99%以上的高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高纯氢重整气。而从
含氢燃料重整得到高纯氢重整气的几种主要方法有氯碱工业副产制氢、化工原料制氢(甲
醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等)、新型制氢方法(生物质、光化学等)和石化资源制氢(石油
裂解、水煤气法等)。
量过多,会直接导致车用氢燃料电池阳极催化剂中毒,出现严重的性能下降,大大减少车用
燃料电池的使用寿命。因此需要提前对燃料电池汽车供气系统的氢气进行及时的不纯检测
识别,以保证后端供入燃料电池系统的氢气品质达到使用要求。
方法虽然能准确的确定出每种气体的具体含量,但是复杂的收集和检测过程,需要消耗大
量的时间和人员精力。
够准确的燃料电池阳极组分估计模型,从工程化应用角度考虑,该方法较为复杂,模型中涉
及到燃料电池等多物理场计算过程,需要大量的系统和电堆试验数据才能将模型估计验证
准确。
气进行提前的纯度检测,以避免出现电堆不必要的损害。
发明内容
度的问题。
的信号;其中,当前流阻曲线的获取过程为:在输送管路上设置节流组件,实时采集输送管
路中的流量Q,并且计算获取节流组件前方与节流组件后方的管路内压力差dp,以此绘制成
当前流阻曲线,其中X轴为流量Q、Y轴为管路内压力差。
压力差dp由第一压力传感器的采集值和第二压力传感器的采集值相减得出。
感器、采集传感器相连,所述控制器被配置为:根据所述流量传感器采集的流量、采集传感
器采集的压力差来获取氢气的当前流阻曲线,并且基于氢气的当前流阻曲线与预存氢气的
标准流阻曲线的偏离程度,判断氢气纯度。
率,则控制器输出需要更换氢瓶的信号。
计算两个切线斜率的差值,将所述差值与斜率偏离度预警值进行比较,当差值大于斜率偏
离度预警值时,控制器输出需要更换氢瓶的信号。
线上两个对应点连线的斜率,以及预存氢气的标准流阻曲线上两个对应点连线的斜率,计
算两个斜率值的差值,将所述差值与斜率偏离度预警值进行比较,当差值大于斜率偏离度
预警值时,控制器输出需要更换氢瓶的信号。
阻差值,将所述流阻差值与流阻偏离度预警值进行比较,当差值大于斜率偏离度预警值时,
控制器输出需要更换氢瓶的信号。
据是否偏离来判断待检测气体的纯度,其可直接用于燃料电池车的供氢系统,提前得知氢
气不纯,以此及时更换氢瓶,或者输入新的高纯度氢,来提高燃料电池系统的使用寿命。
附图说明
具体实施方式
不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明
所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范
围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为
便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质
变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
率较小,见图2中的曲线1X_H2;
所示,曲线S1、S2、S3均为不纯的流阻曲线,且其斜率越大纯度越小;其中,当前流阻曲线的
获取过程为:在输送管路上设置节流组件,实时采集输送管路中的流量Q,并且计算获取节
流组件前方与节流组件后方的管路内压力差dp,以此绘制成当前流阻曲线,其中X轴为流量
Q、Y轴为管路内压力差。
异,以此通过实时获取当前流阻曲线,将其与预存的标准流阻曲线进行比对,判断是否偏
离,当出现偏离时则判断气体不纯,其可高效判断且判断精准,可应用于对燃料电池汽车氢
气供应系统中氢气纯度的判断。
传感器P3),本说明书中气体在供氢管路中的输送方向为由前向后输送,所述流量传感器Q、
第一压力传感器P2位于节流组件3的前方,第二压力传感器P3位于节流组件3的后方,所述控
制器与流量传感器Q、第一压力传感器P2、第二压力传感器P2相连,控制器被配置为:根据所
述流量传感器Q采集的流量、第一压力传感器P2和第二压力传感器P3的压力差来获取氢气的
当前流阻曲线,并且基于氢气的当前流阻曲线与预存氢气的标准流阻曲线的偏离程度,判
断氢气纯度。
标准状态下,氢气在不同流量的压力变化。本实施例中流阻值dP1定义为上述第一压力传感
器P2和第二压力传感器P3的压力差,即dP1=P2‑P3;当前流量Q1为:Q1=T0/T*P2/P0*Q1,Q1为
上述流量传感器Q采集的流量,T0、P0为标准状态下氢气的温度和压力,T为上述供氢管路的
当前温度,P2为上述第一压力传感器P2采集到的压力。
际应用的燃料电池汽车氢气供应系统,其采用气体一般是高纯氢气(其浓度一般为
99.999%),而氢气是已知常用气体里面密度和粘度最小的气体,一旦引入气体杂质(气体
杂质浓度为5%),其密度和粘度会发生较大变化;由于氢瓶组件1的气瓶置换或采用的气体
未经严格检测等原因会使得氢瓶中有其他气体杂质的情况,那么实际使用的气体就是一个
多组分的混合气,则通过上述供氢系统的氢气纯度检测装置进行在线检测,即可快速识别
当前输送氢气是否不纯,以此确保燃料电池系统中电堆7的使用寿命。
行氢瓶更换,避免继续使用不纯氢气,造成对燃料电池系统中的电堆破坏,影响其使用寿
命。
施例中斜率为相同流量下,在流阻曲线对应点处的切斜斜率。其中,曲线S1对应的气体组分
(体积比)为:0.6X_H2、0.2X_H2O、0.2N2;曲线S2对应的气体组分(体积比)为:0.7X_H2、0.2X_
H2O、0.1N2;曲线S3对应的气体组分(体积比)为:0.8X_H2、0.1X_H2O、0.1N2。而两侧的曲线分
别对应高纯氢气的标准流阻曲线1X_H2和高纯氮气的标准流阻曲线1X_N2。
体为氮气时,当前流阻曲线的斜率越小,则氮气的当前状态越不纯。本实施例中供氢管路上
靠近氢瓶侧还设有第三压力传感器P1以及减压阀2,氢瓶中的高压气流通过减压阀2进入中
压的供氢管路,节流组件3可为相连的高压截断阀和过滤件,在此过程中气流会在节流组件
的前后形成压力差,通过上述第一压力传感器P2的采集值和第二压力传感器P3的采集值相
减得出。供氢管路通过燃料电池系统的进氢管路与电堆7相连,进氢管路上一般设有比例阀
4,在比例阀4的后方分出一循环支路,进行氢气循环利用,循环支路上设有循环泵5和分水
器6等结构件。
于该边界流阻曲线的斜率则直接使用;若当前流组曲线的斜率高于该边界流阻曲线的斜
率,则控制器输出需要进行氢瓶更换的信号。
阻曲线上的对应点称为当前点,将在氢气的标准流阻曲线上的对应点称为标准点,计算两
曲线上对应点处的切线斜率,计算切斜斜率变化率,本实施例中切斜斜率变化率为:两个切
线斜率的差值与标准点对应的切线斜率的比值,将所述切斜斜率变化率与斜率偏离度预警
值进行比较,当切斜斜率变化率大于斜率偏离度预警值时,控制器输出需要更换氢瓶的信
号。具体地,同一标准流量下,斜率偏离度预警值可以设置为1%及以上,优选斜率偏离度预
警值为5%,当上述切斜斜率变化率大于等于5%,控制器发生报警。不同流量大小对应的斜
率偏离度预警值可作适当调整。
当前流阻曲线上两个对应点连线的斜率(记为当前斜率),以及预存氢气的标准流阻曲线上
两个对应点连线的斜率(记为标准斜率),计算斜率变化率,本实施例中斜率变化率为:两个
斜率的差值(即当前斜率与标准斜率的差值)与标准斜率的比值,将所述斜率变化率与斜率
偏离度预警值进行比较,当斜率变化率大于斜率偏离度预警值时,控制器输出需要更换氢
瓶的信号。具体地,同一标准流量下,斜率偏离度预警值可以设置为1%及以上,优选斜率偏
离度预警值为5%,当上述斜率变化率大于等于5%,控制器发生报警。不同流量大小对应的
流阻偏离度预警值可作适当调整。
曲线上的对应点称为当前点,将在氢气的标准流阻曲线上的对应点称为标准点,计算流阻
变化率,本实施例中流阻变化率为:两个对应点所对应的流阻间的差值与标准点对应的流
阻的比值,将所述流阻变化率与流阻偏离度预警值进行比较,当流阻变化率大于斜率偏离
度预警值时,控制器输出需要更换氢瓶的信号。具体地,同一标准流量下,流阻偏离度预警
值可以设置为1%及以上,优选流阻偏离度预警值为5%,当上述流阻变化率大于等于5%,
控制器发生报警。不同流量大小对应的流阻偏离度预警值可作适当调整。
此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。