技术领域
[0001] 本
发明涉及一种加湿器的控制方法及其装置，具体的说一种
燃料电池加湿器的自动补水控制方法及其装置。
背景技术
[0002]
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种能够将氢气和
氧气储存的
能量直接转化为
电能的发电装置，它主要由
膜电极组件（MEA）、双极板和气体扩散层组成。质子交换膜燃料电池运行时膜电极的电导率在一定范围内随其湿度增加而增加，因此其反应气体的湿度对电池性能有着重要的影响。
[0003] 目前，反应气体的加湿方式主要分为内加湿和外加湿。内加湿是指在电堆内部加入加湿段以实现对反应气体的加湿，该方式使电池结构复杂化。外加湿是指通过电池外部的加湿器对反应气体加湿，外加湿的加湿器种类很多，例如鼓泡法加湿器、喷射型加湿器、
薄膜加湿器、
超声波加湿器等。以上各种加湿器均有优缺点，其中鼓泡法加湿器以其制作工艺、加湿控制简单被广泛应用在质子交换膜燃料电池的测试设备中。
[0004] 鼓泡法加湿是将反应气体通过一个能起泡的盛水容器，在一定
温度条件下，容器内的水在蒸气压作用下
蒸发，并同反应气体一起进入质子交换膜燃料电池，反应气体的湿化程度完全依赖于湿化温度，湿化温度越高，质子交换膜燃料电池性能越好，因此鼓泡法加湿能够通过控制水温进行调节。
[0005] 目前，鼓泡法加湿器自动补水大多是采用双液位检测的连续补水的控制方法，该方法的思路：一旦
控制器检测到高、低两个液位均无水时，就控制连续补水，直到检测到高、低两个液位均有水，便控制停止补水。该方法的优点是在加湿器的水温达到恒定、并且无需补水的时间段，加湿器里的反应气体的湿度维持不变；该方法的缺点是一旦重新补水，加湿器的水温显著下降，导致加湿器里的反应气体的湿度骤降，必须等待较长时间使水重新加热到恒定的温度方可继续测试，严重影响质子交换膜燃料电池测试性能。因此该方法只适用于中小功率质子交换膜燃料电池测试或大功率质子交换膜燃料电池的短时间测试，无法适用于大功率质子交换膜燃料电池的长时间连续测试。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种燃料电池加湿器的自动补水控制方法，能够提高加湿器的水温
稳定性，保持反应气体的湿度稳定。
[0007] 本发明的另一个目的在于提供实现上述燃料电池加湿器自动补水控制方法的装置。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术措施实现的：
[0009] 一种燃料电池加湿器的自动补水控制方法，其特征在于包括以下步骤：
[0010] 加湿器上电后正常工作，自动补水控制装置基于安装在加湿器内的液位浮球
开关的开关状态，判断加湿器是处于有水状态，还是处于无水状态；如果加湿器处于无水状态，则向加湿器进行间歇式补水，并对水进行自动温控加热；如果加湿器处于有水状态，则停止向加湿器补水并对水进行自动温控加热。
[0011] 由于液位浮球开关具有在高液位接通（断开），在低液位断开（接通），并且在高、低液位之间时不改变开关状态的特性，因此，以有水状态和无水状态分别对应于液位浮球开关的一种开关状态，如有水状态对应于开关接通、无水状态对应于开关断开，在加湿器中的水位低于上述低液位时，自动补水控制装置判断加湿器处于无水状态，对加湿器进行间歇式补水并对水进行自动温控加热，通过合理设置间歇式补水的补水间隔使得加湿器的补水速度能在保持水温稳定的前提下大于反应气体的耗水速度，在加湿器中的水位上升到低液位之上时，自动补水控制装置仍判断加湿器处于无水状态，加湿器中的水位继续保持水温稳定的上升，直到上升到高水位时，自动补水控制装置判断加湿器处于有水状态而停止补水，而相应的，由于反应气体耗水加湿器中的水位下降到高水位以下时，自动补水控制装置仍判断加湿器处于有水状态，直到水位下降到低液位以下，自动补水控制装置再次判断加湿器处于无水状态，再次对加湿器进行水温稳定的间歇式补水。同时，通过选择液位浮球开关以合理的设置高、低液位，更能提高加湿器的工作效率与使用安全。
[0012] 为了合理设置间歇式补水的补水间隔，作为本发明的一种实施方式，所述间歇式补水根据以下公式（1-1）、（1-2）和（1-3）计算，以暂停补水时间与补水时间的比例为N：1的方式进行；
[0013]
[0014]
[0015]
[0016] 其中，W为加湿器处于有水状态时的水量与加湿器处于无水状态时的水量之差，k1*FW为向加湿器进行补水的流量，kP为反映加湿器中反应气体压
力对反应气体耗水流量影响的压力系数，kT为反映加湿器中水温对反应气体耗水流量影响的温度系数，K为反映加湿器内部构造对反应气体耗水流量影响的结构常数，Fg为加湿器中反应气体的实时流量。
[0017] 为了防止加湿器在补水失败情况下仍持续进行加热，保障加湿器的使用安全，作为本发明的一种改进，所述的自动补水控制方法还包括有以下补水失败计时步骤：
[0018] 加湿器上电后正常工作，自动补水控制装置判断加湿器处于无水状态，自动补水控制装置开始计时并判断计时时间是否达到预设的补水失败时间；如果计时时间未达到补水失败时间，则判定补水未失败，保持声光报警器关闭以及对水进行自动温控加热，如果计时时间达到补水失败时间，则判定补水失败，启动声光报警器进行补水失败报警并禁止对水进行加热；自动补水控制装置判断加湿器处于有水状态，重置计时时间为零。
[0019] 为了缩短加湿器初始上电开机后进入正常工作状态的时间，提高加湿器的工作效率，作为本发明的一种改进，所述的自动补水控制方法还包括以下开机连续补水步骤：
[0020] 加湿器初始上电开机，自动补水控制装置基于安装在加湿器内的液位浮球开关的开关状态，判断加湿器是处于有水状态，还是处于无水状态；如果加湿器处于无水状态，则向加湿器进行连续补水并禁止对水进行加热，如果加湿器处于有水状态，则停止向加湿器补水并对水进行自动温控加热，加湿器进入正常工作状态。
[0021] 为了防止加湿器在开机连续补水步骤中补水失败情况下仍持续进行加热，保障加湿器的使用安全，作为本发明推荐的优选实施方式，所述的自动补水控制方 法还包括有以下补水失败计时步骤：
[0022] 加湿器进入正常工作状态前，自动补水控制装置判断加湿器处于无水状态，自动补水控制装置开始计时并判断计时时间是否达到预设的补水失败时间；如果计时时间未达到补水失败时间，则判定补水未失败，保持声光报警器关闭，如果计时时间达到补水失败时间，则判定补水失败，启动声光报警器进行补水失败报警；自动补水控制装置判断加湿器处于有水状态，重置计时时间为零。
[0023] 一种实现上述方法的装置，其特征在于所述的装置包括用于控制加湿器自动补水的
主控制器、用于检测加湿器中的水位的液位浮球开关、用于储存反应气体的气瓶、用于检测加湿器中反映气体的实时流量的气体
质量流量控制器、用于检测加湿器中反映气体的实时压力的气体压力变送器、用于检测加湿器中的实时水温的
热电偶、用于对加湿器中的水进行加热的发热棒、用于控制发热棒的加热温度的温控器、用于驱动发热棒工作的可控
硅、水
泵、水箱
和声光报警器；所述液位浮球开关、热电偶和发热棒分别安装在加湿器内，所述气瓶通过气体质量流量控制器与加湿器的反应气体进气口连通，所述气体压力变送器与加湿器的反应气体出气口连通，所述水箱通过水泵与加湿器的进水口连通，所述温控器的输入端与热电偶的输出端电连接，温控器的输出端通过所述可控硅与发热棒的驱动端电连接，所述主控制器分别与液位浮球开关、温控器、气体质量流量控制器、气体压力变送器、水泵和声光报警器的相应端口电连接。
[0024] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0025] 第一，本发明基于液位浮球开关的开关状态判断加湿器处于无水状态时，以暂停补水时间与补水时间的比例为N：1的方式向加湿器进行间歇式补水，并对水进行自动温控加热，有效地避免了由于补水造成加湿器的水温显著下降的情况，使得加湿器在正常工作中能始终保持水温稳定，大大减少了补水对反应气体湿度变化的影响，使得加湿器能得以适用于大功率质子交换膜燃料电池的长时间连续测试；
[0026] 第二，本发明通过开机连续补水步骤，缩短了加湿器初始上电开机后进入正常工作状态的时间，提高了加湿器的工作效率；
[0027] 第三，本发明通过补水失败计时步骤，防止了加湿器在开机连续补水步骤中补水失败情况下仍持续进行加热，避免了装置中发热棒出现干烧的情况，保障了 加湿器的使用安全；
[0028] 第四，本发明通过声光报警器在补水失败的情况下发出报警，并能在消除补水失败的原因后继续进行补水，重新进入到正常工作状态中。
附图说明
[0029] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步的详细说明：
[0030] 图1为本发明实现燃料电池加湿器自动补水控制方法的装置的结构示意图；
[0031] 图2为本发明自动补水控制方法中判断装置工作状态的流程
框图；
[0032] 图3为本发明自动补水控制方法中加湿器初始上电开机时的流程框图；
[0033] 图4为本发明自动补水控制方法中加湿器上电后正常工作时的流程框图。
具体实施方式
[0034] 如图1所示，本发明实现燃料电池加湿器自动补水控制方法的装置，包括用于控制加湿器自动补水的主控制器、用于检测加湿器中的水位的液位浮球开关、用于储存反应气体的气瓶、用于检测加湿器中反映气体的实时流量的气体质量流量控制器、用于检测加湿器中反映气体的实时压力的气体压力变送器、用于检测加湿器中的实时水温的热电偶、用于对加湿器中的水进行加热的发热棒、用于控制发热棒的加热温度的温控器、用于驱动发热棒工作的可控硅、水泵、水箱和声光报警器；所述液位浮球开关、热电偶和发热棒分别安装在加湿器内，所述气瓶通过气体质量流量控制器与加湿器的反应气体进气口连通，所述气体压力变送器与加湿器的反应气体出气口连通，所述水箱通过水泵与加湿器的进水口连通，所述温控器的输入端与热电偶的输出端电连接，温控器的输出端通过所述可控硅与发热棒的驱动端电连接，所述主控制器分别与液位浮球开关、温控器、气体质量流量控制器、气体压力变送器、水泵和声光报警器的相应端口电连接。
[0035] 其中，水泵用于从水箱抽水。声光报警器用于补水失败时以声音加灯光闪烁的形式进行报警。气体压力变送器用于检测加湿器中反应气体的压力。液位浮球开关用于检测加湿器的液位状态。热电偶用于检测加湿器中的水温。发热棒用于对加湿器中的水加热。温控器用于对加湿器中的水进行恒温控制。可控硅用于驱动发热棒。鼓泡法加湿器用于给反应气体提供加湿的空间。气体质量流量控制器用于控制进入加湿器的反应气体的流量。
主控制器实现自动补水控制方法：用于 控制允许或者禁止温控器对加湿器的水进行加热，也用于读取温控器来获取加湿器中的当前水温；用于控制开启水泵从水箱抽水并将去离子水补进加湿器，也用于控制关闭水泵停止给加湿器补水；用于读取液位浮球开关状态来获取液位是处于有水还是无水状态；用于读取气体压力变送器来获取加湿器中反应气体的当前压力；用于控制气体质量流量控制器设定进入加湿器的反应气体的流量，也用于读取气体质量流量控制器来获取进入加湿器的反应气体的当前流量；用于控制开启或关闭声光报警器。
[0036] 水泵接入主控制器输出的开启或关闭控制
信号；声光报警器接入主控制器输出的开启或关闭
控制信号；主控制器接入液位浮球开关输出的液位有水或无水状态信号；主控制器通过通信总线分别与气体压力变送器、气体质量流量控制器、温控器连接；温控器接入热电偶输出的加湿器水温的
模拟信号；可控硅接入温控器输出的直流
电压；发热棒接入可控硅输出的交流电压；水泵用软管分别与水箱、加湿器连接；加湿器用
钢管分别与气体压力变送器、气体质量流量控制器连接；气瓶与气体质量流量控制器用软管连接；质子交换膜燃料电池用软管分别与气体压力变送器、背压
阀连接；发热棒安装在加湿器的底座；液位浮球开关与热电偶安装在加湿器的上盖。
[0037] 本发明中的主控制器可选用通用的
单片机或
微处理器；所述水箱只要满足装去离子水的要求即可；所述水泵可选用合适的常规水泵，只要保证单位时间内该水泵的补水量比PEMFC测试消耗的水量大即可；所述声光报警器选用常规的声光报警器即可；所述气体压力变送器可选用带有通信
接口的常规气体压力变送器；所述液位浮球开关可选用合适的常规液位浮球开关，只要满足安装在加湿器上盖的液位浮球开关的最底端离加湿器底座的高度高于安装在加湿器底部的发热棒的高度即可；所述的热电偶可选用常规的热电偶，只要保证热电偶
探头长度能伸至安装在加湿器底部的发热棒的高度处即可；所述发热棒要根据加湿能力选择合适发热功率的发热棒；所述温控器可选用带有
通信接口的常规温控器；所述可控硅可选用合适的常规可控硅，只要该可控硅的驱
动能力满足发热棒的发热功率要求即可；所述气体质量流量控制器可选用带有通信接口的常规气体质量流量控制器。
[0038] 本发明燃料电池加湿器的自动补水控制方法，包括以下步骤：
[0039] 如图2所示，主控制器判断装置是否刚上电，如果装置刚上电，主控制器按照自动补水控制方法一进行补水控制；如果装置不是刚上电，主控制器按照自动补水控制方法二进行补水控制。
[0040] 如图3所示，主控制器按照以下自动补水控制方法一进行补水控制。
[0041] 加湿器初始上电开机，自动补水控制装置基于安装在加湿器内的液位浮球开关的开关状态，即通过主控制器读取液位浮球开关的开关状态，判断加湿器是处于有水状态，还是处于无水状态；如果液位浮球开关处于接通状态，即加湿器处于无水状态，则向加湿器进行连续补水并禁止对水进行加热，即主控制器禁止温控器对发热棒加热，并且开启水泵连续将水箱的去离子水补进加湿器；如果加湿器处于有水状态，则停止向加湿器补水并对水进行自动温控加热，即主控制器关闭水泵停止将水箱的去离子水补进加湿器，并且允许温控器对发热棒进行加热，加湿器进入正常工作状态。
[0042] 并且在加湿器进入正常工作状态前，自动补水控制装置判断加湿器处于无水状态的同时，主控制器开始计时并判断计时时间是否达到预设的补水失败时间；如果计时时间未达到补水失败时间，则判定补水未失败，保持声光报警器关闭，如果计时时间达到补水失败时间，则判定补水失败，启动声光报警器进行补水失败报警；自动补水控制装置判断加湿器处于有水状态，重置计时时间为零。
[0043] 如图4所示，主控制器按照以下自动补水控制方法二进行补水控制。
[0044] 加湿器上电后正常工作，自动补水控制装置基于安装在加湿器内的液位浮球开关的开关状态，即通过主控制器读取液位浮球开关的开关状态，判断加湿器是处于有水状态，还是处于无水状态；如果液位浮球开关处于接通状态，即加湿器处于无水状态，则主控制器根据以下公式（1-1）、（1-2）和（1-3）计算，控制水泵以关闭N秒后开启1秒的间歇式补水方式将水箱的去离子水补进加湿器，即暂停补水时间与补水时间的比例为N：1，并对水进行自动温控加热；如果液位浮球开关处于断开状态，即加湿器处于有水状态，则停止向加湿器补水并对水进行自动温控加热，即主控制器关闭水泵停止将水箱的去离子水补进加湿器，并允许温控器对发热棒加热；
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 其中，W为加湿器处于有水状态时的水量与加湿器处于无水状态时的水量之差，即加湿器中液位浮球开关改变开关状态的高、低液位之间的水量差；k1*FW为向加湿器进行补水的流量，k1为反映由水箱到加湿器进水口的补水管路对水流量影响的流量损耗常数，W和k1的数值通过对加湿器、液位浮球开关和补水管路进行测定而预先设置在主控制器中，FW为水泵的额定流量，其同样预先设置在主控制器中，根据这三个参数的值通过公式（1-2）即可计算出水泵以连续补水方式将W水量补足所用的补水时间t1；
[0049] K为反映加湿器内部构造对反应气体耗水流量影响的结构常数，其数值通过对加湿器进行测定而预先设置在主控制器中；kP为反映加湿器中反应气体压力对反应气体耗水流量影响的压力系数，kP的数值与反应气体的压力P一一对应，通过实验确定一系列反应气体压力特征值Pi对应的压力系数kPi而形成压力系数查询表，并将该查询表预设在主控制器中，在进行自动补水控制时，主控制器读取气体压力变送器获取加湿器中反应气体的当前压力P，再通过查表得到对应的压力系数kP，其中如果反应气体压力P不是查询表中的特征值时，则选取离该反应气体压力P最近的两组特征数据通过线性插值获得对应的压力系数kP；kT为反映加湿器中水温对反应气体耗水流量影响的温度系数，kT的数值与加湿器中的水温T一一对应，通过实验确定一系列水温特征值Ti对应的温度系数kTi而形成温度系数查询表，并将该查询表预设在主控制器中，在进行自动补水控制时，主控制器读取温控器获取当前的水温T，再通过查表得到对应的温度系数kT，其中如果水温T不是查询表中的特征值，则选取离该水温T最近的两组特征数据通过线性插值获得对应的温度系数kT；Fg为加湿器中反应气体的实时流量， 其数值由主控制器读取气体质量流量控制器获得；根据上述参数通过公式（1-3）即可计算出加湿器在结构常数K、压力系数kP、温度系数kT和反应气体实时流量Fg的实时条件下消耗完W水量所用的耗水时间t2。
[0050] 并且在加湿器上电后正常工作过程中，自动补水控制装置判断加湿器处于无水状态的同时，主控制器开始计时并判断计时时间是否达到预设的补水失败时间；如果计时时间未达到补水失败时间，则判定补水未失败，保持声光报警器关闭以及允许温控器控制发热棒对水进行加热，即对水进行自动温控加热，如果计时时间达到补水失败时间，则判定补水失败，启动声光报警器进行补水失败报警并禁止温控器控制发热棒对水进行加热；自动补水控制装置判断加湿器处于有水状态，重置计时时间为零。
[0051] 本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效
修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。
