CN107202961A - 一种车用燃料电池测试***及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用燃料电池测试***，涉及车用燃料电池技术领域，通过氢气和空气(或氧气)分别输送，并经过元器件控制，实现确定进气参数后进入到质子膜燃料电池阳极和阴极，检测出进气在不同压力和温度下对燃料电池性能的影响，从而得出燃料电池工作的最适温度和压力；通过设置气体加湿装置，可以得到多种湿度的气体，从而测试出不同湿度的气体对燃料电池性能的影响，得到其工作的最佳湿度范围；还设有冷却循环***，能够使电池温度保持在适宜工作的温度范围内，设置更加合理；本发明还提供了前述***的工作方法，实现出进气参数对燃料电池性能的影响和分析，实现对燃料电池电堆的进气参数的探究，为提高燃料电池性能奠定理论基础。

Description

一种车用燃料电池测试***及其工作方法

技术领域

本发明涉及车用燃料电池测试设备技术领域，具体涉及一种车用燃料电池测试***及其工作方法。

背景技术

经过几个世纪的发展，传统内燃机的技术已近乎完善，但其暴露出的问题也越来越多，尾气排放造成了严重的空气污染，对石油的依赖加剧了能源危机，燃料电池汽车的发展给解决这些问题带来了新的希望。

燃料电池汽车的“心脏”—燃料电池，绿色环保，反应过程中不产生任何污染物，因反应过程不受卡诺循环的限制，能源转换效率高(为普通内燃机的2-3倍)，而且工作过程中基本上不产生噪声，震动也较小。

燃料电池因其中充填电解质的不同而有很多种类型，而质子交换膜燃料电池因其技术最成熟而被广泛应用。经过多年的努力，我国在对质子交换膜燃料电池的研究上取得了很多突破性的进展，但仍存在许多难题亟待解决。不同的进气量，进气压力和温度对燃料电池的性能有很大的影响，从而影响燃料电池的输出功率，为了解这些参数对燃料电池性能的影响，需进行多次实验。

因此，需要通过对车用燃料电池的进气参数(进气温度、压力、相对湿度)进行设计，从而得出进气参数对燃料电池性能(输出电流密度、输出电压、输出功率)的影响，分析得到燃料电池工作的最适条件，为提高燃料电池性能奠定理论基础。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提供一种车用燃料电池测试***及其工作方法，主要利用不同进气参数来分析得到燃料电池工作的最适条件，设计合理，结构紧凑。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种车用燃料电池测试***，包括氢气瓶、气体流量计一、压力传感器一、加湿控制阀一、干气控制阀一、加湿器一、相对湿度传感器一、温度传感器一、氮气罐一、电磁通断阀一、水气分离器、手动阀一、水泵、涡轮流量计、压力传感器二、温度传感器二、水箱、冷却风扇、压力传感器三、温度传感器三、空气压缩机、气体流量计二、压力传感器四、干气控制阀二、加湿控制阀二、加湿器二、相对湿度传感器二、温度传感器四、氮气罐二、电磁通断阀二、手动阀二和质子交换膜燃料电池；

所述氢气瓶经气体流量计一、压力传感器一、加湿器一、相对湿度传感器一和温度传感器一与所述质子交换膜燃料电池相连，所述干气控制阀一的进、出气口分别与所述压力传感器一和相对湿度传感器一相连，所述加湿控制阀一的进气口分别与所述压力传感器一和氮气罐一相连，所述加湿控制阀一的出气口与所述加湿器一相连，所述加湿器一的出气口与所述相对湿度传感器一相连；

所述空气压缩机经气体流量计二、压力传感器四、加湿器二、相对湿度传感器二和温度传感器四与所述质子交换膜燃料电池相连，所述干气控制阀二的进、出气口分别与所述压力传感器四和相对湿度传感器二相连，所述加湿控制阀二的进气口分别与所述压力传感器四和氮气罐二相连，所述加湿控制阀二的出气口与所述加湿器二相连，所述加湿器二的出气口与所述相对湿度传感器二相连；

未反应完的氢气从质子交换膜燃料电池排出后经过水气分离器进入所述氢气瓶；

未利用完的空气经管道直接排到室外；

还设有冷却循环***，所述水箱中的冷却水经水泵、涡轮流量计、压力传感器二和温度传感器二进入所述质子交换膜燃料电池，冷却水从质子交换膜燃料电池出来后，经温度传感器三、压力传感器三和冷却风扇，再回到所述水箱。

进一步地，所述氮气罐一通过所述电磁通断阀一与所述加湿器一相连，所述氮气罐二通过所述电磁通断阀二与所述加湿器二相连。

进一步地，所述加湿器一上还设有所述手动阀一，所述加湿器二上还设有所述手动阀二。

本发明还提供了车用燃料电池测试***的工作方法，阳极气体通过氢气瓶供气，并通过所述气体流量计一和压力传感器一检测；

此后氢气分两种情况进入质子交换膜燃料电池：不加湿情况下，干气控制阀一开启时，加湿控制阀一关闭，气体经相对湿度传感器一和温度传感器一检测后进入质子交换膜燃料电池；加湿情况下，加湿控制阀一开启时，干气控制阀一关闭，气体经加湿器一加湿后，再经相对湿度传感器一和温度传感器一检测后进入质子交换膜燃料电池；未反应完的氢气(含水气)从质子交换膜燃料电池排出后经过水气分离器进入氢气瓶；

阴极气体通过空气压缩机供气，并通过所述气体流量计二和压力传感器四检测；

此后气体分两种情况进入质子交换膜燃料电池：不加湿情况下，干气控制阀二开启时，加湿控制阀二关闭，再经相对湿度传感器二和温度传感器四检测后进入质子交换膜燃料电池；加湿情况下，当加湿控制阀二开启时，干气控制阀二关闭，气体经加湿器二加湿后，再经相对湿度传感器二和温度传感器四检测后进入质子交换膜燃料电池；未反应完的氢气(含水气)从质子交换膜燃料电池排出后空气经管道直接排到室外；

试验时，当质子交换膜燃料电池温度高于设定值时，冷却循环开启，冷却水经水泵从水箱中抽出后经涡轮流量计、压力传感器二和温度传感器二检测，冷却水从质子交换膜燃料电池出来后，经温度传感器三和压力传感器三检测，并通过冷却风扇冷却后，然后重新进入水箱。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用以上技术方案，本专利提供了一种检测车用燃料电池动态性能的***及其工作方法，提供了一种安全可靠的测量燃料电池动态性能的方法，比较不同进气参数下燃料电池的性能，加深对电堆性能的了解；且本发明在进行实验时绿色环保，不会产生任何污染物。

附图说明

图1是本发明的总体方案流程图；

图中：1、氢气瓶；2、气体流量计一；3、压力传感器一；4、加湿控制阀一；5、干气控制阀一；6、加湿器一；7、相对湿度传感器一；8、温度传感器一；9、氮气罐一；10、电磁通断阀一；11、水气分离器；12、手动阀一；13、水泵；14、涡轮流量计；15、压力传感器二；16、温度传感器二；17、水箱；18、冷却风扇；19、压力传感器三；20、温度传感器三；21、空气压缩机；22、气体流量计二；23、压力传感器四；24、干气控制阀二；25、加湿控制阀二；26、加湿器二；27、相对湿度传感器二；28、温度传感器四；29、氮气罐二；30、电磁通断阀二；31、手动阀二；32、质子交换膜燃料电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种车用燃料电池测试***：主要包括氢气瓶1、气体流量计一2、压力传感器一3、加湿控制阀一4、干气控制阀一5、加湿器一6、相对湿度传感器一7、温度传感器一8、氮气罐一9、电磁通断阀一10、水气分离器11、手动阀一12、水泵13、涡轮流量计14、压力传感器二15、温度传感器二16、水箱17、冷却风扇18、压力传感器三19、温度传感器三20、空气压缩机21、气体流量计二22、压力传感器四23、干气控制阀二24、加湿控制阀二25、加湿器二26、相对湿度传感器二27、温度传感器四28、氮气罐二29、电磁通断阀二30、手动阀二31和质子交换膜燃料电池32；

所述氢气瓶1经气体流量计一2、压力传感器一3、加湿器一6、相对湿度传感器一7和温度传感器一8与所述质子交换膜燃料电池32相连，所述干气控制阀一5的进、出气口分别与所述压力传感器一3和相对湿度传感器一7相连，所述加湿控制阀一4的进气口分别与所述压力传感器一3和氮气罐一9相连，所述加湿控制阀一4的出气口与所述加湿器一6相连，所述加湿器一6的出气口与所述相对湿度传感器一7相连；

所述空气压缩机21经气体流量计二22、压力传感器四23、加湿器二26、相对湿度传感器二27和温度传感器四28与所述质子交换膜燃料电池32相连，所述干气控制阀二24的进、出气口分别与所述压力传感器四23和相对湿度传感器二27相连，所述加湿控制阀二25的进气口分别与所述压力传感器四23和氮气罐二29相连，所述加湿控制阀二25的出气口与所述加湿器二26相连，所述加湿器二26的出气口与所述相对湿度传感器二27相连；

未反应完的氢气(含水气)从质子交换膜燃料电池32排出后经过水气分离器11进入所述氢气瓶1；

未利用完的空气经管道直接排到室外；

还设有冷却循环***，所述水箱17中的冷却水经水泵13、涡轮流量计14、压力传感器二15和温度传感器二16进入所述质子交换膜燃料电池32，冷却水从质子交换膜燃料电池32出来后，经温度传感器三20、压力传感器三19和冷却风扇18，再回到所述水箱17。

优选的，所述氮气罐一9通过所述电磁通断阀一10与所述加湿器一6相连，所述氮气罐二29通过所述电磁通断阀二30与所述加湿器二26相连；

所述加湿器一6上还设有所述手动阀一12，所述加湿器二26上还设有所述手动阀二31，可以及时进行手动排水。

本发明的车用燃料电池测试***的工作方法与工作原理描述如下：

根据流程图1所示，阳极气体分两种情况进入质子交换膜燃料电池，当干气控制阀一5开启时，加湿控制阀一4关闭，进入质子交换膜燃料电池32的是干燥的氢气；当加湿控制阀一4开启时，干气控制阀一5关闭，氢气经加湿器一6加湿后进入质子交换膜燃料电池32，进入质子交换膜燃料电池32的气体的相对湿度和温度分别由相对湿度传感器一7、温度传感器一8测得；未反应完的氢气(含水气)从质子交换膜燃料电池32排出后经过水气分离器11与氢气瓶1连接，水气分离器11可将气体与液体分离开，分离出的氢气经调压后重新进入氢气罐回收利用，分离出的水排到事先准备好的储水器中；

阴极气体空气由空气压缩机21供给，阴极空气进气过程与氢气相同，不同的是未利用完的空气经管道直接排到室外；当干气控制阀二24开启时，加湿控制阀二25关闭，进入质子交换膜燃料电池32的是干燥的气体；当加湿控制阀二25开启时，干气控制阀二24关闭，气体经加湿器二26加湿后进入质子交换膜燃料电池32，进入质子交换膜燃料电池32的气体的相对湿度和温度分别由相对湿度传感器二27、温度传感器四28测得；未反应完的氢气(含水气)从质子交换膜燃料电池32排出后空气经管道直接排到室外。

试验时，要保证质子交换膜燃料电池32工作在合适的温度范围内；当质子交换膜燃料电池32的温度高于设定值时，冷却循环开启，冷却水经水泵13从水箱17中抽出，通过涡轮流量计14控制冷却水的流量，进入质子交换膜燃料电池32的水压、水温分别由压力传感器二15、温度传感器二16测得，冷却水从质子交换膜燃料电池32出来后，经温度传感器三20和压力传感器三19测定水温、水压参数，并通过冷却风扇18控温，然后重新进入水箱17；如此循环往复；当质子交换膜燃料电池32温度低于设定值时，可通过加热装置加热冷却循环液体对质子交换膜燃料电池32进行预热。此外，***还有报警保护装置；当发生氢气泄露等紧急情况时，气体流量计一2断开，氢气停止供给，电磁通断阀一10打开，氮气经电磁通断阀一10和干气控制阀一5进入质子交换膜燃料电池32扫气。

利用该***可以检测出进气在不同压力和温度下对燃料电池性能的影响，从而得出燃料电池工作的最适温度和压力。因质子交换膜电池燃料中的质子交换膜在不同湿度的条件下其性能也有差别，本***设有气体加湿装置，可以得到多种湿度的气体，从而测试出不同湿度的气体对燃料电池性能的影响，得到其工作的最佳湿度范围，为今后的研究奠定理论基础；燃料电池工作时会导致电堆温度升高，对电池部件产生不利的影响，因此本专利设有冷却循环***，能够使电池温度保持在适宜工作的温度范围内，设置更加合理；为安全起见，本***还设有报警装置，当发生气体泄漏时，氢气停止供给，氮气进入电池扫气，能够有效保护电池遭受损坏。

本发明还提供了所述燃料电池动态性能检测***的工作方法，进入燃料电池电堆的气体有两种模式：干气控制阀开启，加湿控制阀关闭，进入燃料电池电堆的是干燥的气体；干气控制阀关闭，加湿控制阀开启，气体经加湿器加湿后进入燃料电池电堆。氢气和空气进入电堆的压力可通过气体流量计和压力控制阀控制。为节约燃料和安全起见，未反应完的阳极气体氢气通过水气分离器进行回收重新利用，分离出的水进入储水器中，其中重新进入氢气瓶的氢气压力由背压阀控制，而未利用完的阴极气体空气则可以直接排到室外。此外，本发明还有冷却循环***和报警保护装置，冷却循环***可使电堆工作在一定的温度范围内，防止燃料电池过热造成零部件的损坏，报警保护装置在发生紧急情况时启动，利用氮气按照氢气不加湿路线扫气。

本发明是使阴阳极气体在设定的流量、温度、压力和相对湿度条件下，测出燃料电池的动态性能，通过分析实验数据可以作出燃料电池的极化特性曲线。实验过程中可对流量、温度、压力和相对湿度中的某一单独变量进行控制，对比不同数值时燃料电池的性能。

本发明***的燃料电池可以作为便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源等使用，也可以工作在汽车、火车、船舶等交通工具上；同时，燃料电池生成的电还可供车载其它电器设备使用，用于驾驶室制冷、座椅加热、音响等。

本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，比如干气控制阀、加湿器的选择设置等，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种车用燃料电池测试***，其特征在于：包括氢气瓶(1)、气体流量计一(2)、压力传感器一(3)、加湿控制阀一(4)、干气控制阀一(5)、加湿器一(6)、相对湿度传感器一(7)、温度传感器一(8)、氮气罐一(9)、电磁通断阀一(10)、水气分离器(11)、手动阀一(12)、水泵(13)、涡轮流量计(14)、压力传感器二(15)、温度传感器二(16)、水箱(17)、冷却风扇(18)、压力传感器三(19)、温度传感器三(20)、空气压缩机(21)、气体流量计二(22)、压力传感器四(23)、干气控制阀二(24)、加湿控制阀二(25)、加湿器二(26)、相对湿度传感器二(27)、温度传感器四(28)、氮气罐二(29)、电磁通断阀二(30)、手动阀二(31)和质子交换膜燃料电池(32)；

所述氢气瓶(1)经气体流量计一(2)、压力传感器一(3)、加湿器一(6)、相对湿度传感器一(7)和温度传感器一(8)与所述质子交换膜燃料电池(32)相连，所述干气控制阀一(5)的进、出气口分别与所述压力传感器一(3)和相对湿度传感器一(7)相连，所述加湿控制阀一(4)的进气口分别与所述压力传感器一(3)和氮气罐一(9)相连，所述加湿控制阀一(4)的出气口与所述加湿器一(6)相连，所述加湿器一(6)的出气口与所述相对湿度传感器一(7)相连；

所述空气压缩机(21)经气体流量计二(22)、压力传感器四(23)、加湿器二(26)、相对湿度传感器二(27)和温度传感器四(28)与所述质子交换膜燃料电池(32)相连，所述干气控制阀二(24)的进、出气口分别与所述压力传感器四(23)和相对湿度传感器二(27)相连，所述加湿控制阀二(25)的进气口分别与所述压力传感器四(23)和氮气罐二(29)相连，所述加湿控制阀二(25)的出气口与所述加湿器二(26)相连，所述加湿器二(26)的出气口与所述相对湿度传感器二(27)相连；

未反应完的氢气从质子交换膜燃料电池(32)排出后经过水气分离器(11)进入所述氢气瓶(1)；

未利用完的空气经管道直接排到室外；

还设有冷却循环***，所述水箱(17)中的冷却水经水泵(13)、涡轮流量计(14)、压力传感器二(15)和温度传感器二(16)进入所述质子交换膜燃料电池(32)，冷却水从质子交换膜燃料电池(32)出来后，经温度传感器三(20)、压力传感器三(19)和冷却风扇(18)，再回到所述水箱(17)。

2.根据权利要求1所述的车用燃料电池测试***，其特征在于：所述氮气罐一(9)通过所述电磁通断阀一(10)与所述加湿器一(6)相连，所述氮气罐二(29)通过所述电磁通断阀二(30)与所述加湿器二(26)相连。

3.根据权利要求1所述的车用燃料电池测试***，其特征在于：所述加湿器一(6)上还设有所述手动阀一(12)，所述加湿器二(26)上还设有所述手动阀二(31)。

4.基于权利要求1-3任一项所述的车用燃料电池测试***的工作方法，其特征在于：阳极气体通过氢气瓶(1)供气，并通过所述气体流量计一(2)和压力传感器一(3)检测；

此后氢气分两种情况进入质子交换膜燃料电池(32)：不加湿情况下，干气控制阀一(5)开启时，加湿控制阀一(4)关闭，气体经相对湿度传感器一(7)和温度传感器一(8)检测后进入质子交换膜燃料电池(32)；加湿情况下，加湿控制阀一(4)开启时，干气控制阀一(5)关闭，气体经加湿器一(6)加湿后，再经相对湿度传感器一(7)和温度传感器一(8)检测后进入质子交换膜燃料电池(32)；未反应完的氢气(含水气)从质子交换膜燃料电池(32)排出后经过水气分离器(11)进入氢气瓶(1)；

阴极气体通过空气压缩机(21)供气，并通过所述气体流量计二(22)和压力传感器四(23)检测；

此后气体分两种情况进入质子交换膜燃料电池(32)：不加湿情况下，干气控制阀二(24)开启时，加湿控制阀二(25)关闭，再经相对湿度传感器二(27)和温度传感器四(28)检测后进入质子交换膜燃料电池(32)；加湿情况下，当加湿控制阀二(25)开启时，干气控制阀二(24)关闭，气体经加湿器二(26)加湿后，再经相对湿度传感器二(27)和温度传感器四(28)检测后进入质子交换膜燃料电池(32)；未反应完的氢气(含水气)从质子交换膜燃料电池(32)排出后空气经管道直接排到室外；

试验时，当质子交换膜燃料电池(32)温度高于设定值时，冷却循环开启，冷却水经水泵(13)从水箱(17)中抽出后经涡轮流量计(14)、压力传感器二(15)和温度传感器二(16)检测，冷却水从质子交换膜燃料电池(32)出来后，经温度传感器三(20)和压力传感器三(19)检测，并通过冷却风扇(18)冷却后，然后重新进入水箱(17)。