CN108448132A - 燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置及方法，其中装置包括：高低温环境试验箱，用于容纳燃料电池电堆、并调节燃料电池电堆的环境温度；冷却剂回路，两端分别与燃料电池电堆的冷却剂出口端和入口端连接；液体恒温器，设于冷却剂回路中，用于调节冷却剂回路中冷却剂的温度；水泵，设于冷却剂回路中，用于驱动冷却剂在冷却剂回路中循环。与现有技术相比，本发明可以模拟燃料电池电堆不同工况下温度分布，装置简单。

Description

燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池技术，尤其是涉及一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置及方法。
背景技术
燃料电池是通过电催化反应将氧化剂和还原剂的化学能直接转换成电能的装置,是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。与其他类型的燃料电池(如AFC、PAFC、MCFC、SOFC等)相比，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、比能较高、寿命较长、应用广泛等特点，被认为是解决能源危机和环境污染等问题的最具前景的方案之一。
燃料电池电堆在不同工况下工作时，其温度分布状况是不同的。
燃料电池电堆处于不同温度分布状况，特别是低温冷启动处于大的温度梯度时，由于热胀冷缩作用，电堆可能出现不同程度的泄漏，严重影响电堆的安全使用。
中国专利CN 104009247A、CN 105304920A、CN 106814325A均公开了一种固体氧化物燃料电池电堆温度分布估计方法，这些方法都是通过建立电堆温度模型和观测器，利用电堆入口和出口条件来准确估计电堆内部温度分布。
以上文献都是关于电堆内部温度分布估计的专利，并没有涉及到如何去模拟电堆的温度分布。目前，也没有关于模拟电堆温度分布的装置及方法的技术被公开。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置，包括：
高低温环境试验箱，用于容纳燃料电池电堆、并调节燃料电池电堆的环境温度；
冷却剂回路，两端分别与燃料电池电堆的冷却剂出口端和入口端连接；
液体恒温器，设于冷却剂回路中，用于调节冷却剂回路中冷却剂的温度；
水泵，设于冷却剂回路中，用于驱动冷却剂在冷却剂回路中循环。
所述液体恒温器在冷却剂回路中设于所述水泵的输入端侧。
所述冷却剂回路上还设有用于检测燃料电池电堆的冷却剂出口端冷却剂温度的第二温度传感器，以及用于检测燃料电池电堆的冷却剂入口端冷却剂温度的第三温度传感器，所述第二温度传感器设于冷却剂回路上近检测燃料电池电堆的冷却剂出口端处，所述第三温度传感器设于冷却剂回路上近燃料电池电堆的冷却剂入口端处。
所述冷却剂回路上还设有用于检测燃料电池电堆的冷却剂入口端冷却剂压力的压力传感器，该压力传感器设于冷却剂回路上近燃料电池电堆的冷却剂入口端处。
所述冷却剂回路中还设有用于检测进入燃料电池电堆的冷却剂入口端的冷却剂流量的流量计。
所述燃料电池电堆上设有多个第一温度传感器。
所述燃料电池电堆每个面上均设有4个第一温度传感器。
一种模拟额定工况温度分布的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：将高低温环境试验箱的温度设置为燃料电池电堆额定工况温度范围，直至燃料电池电堆内部温度达到目标温度；
步骤S2：设置液体恒温器的温度，使冷却剂温度达到目标值。然后开启水泵，以不同的流量向燃料电池电堆供给冷却剂，得到燃料电池电堆不同状态时的温度分布。
一种模拟冷启动工况温度分布的方法，包括：
步骤A1：确定燃料电池电堆环境温度的目标值；
步骤A2：设置高低温环境试验箱的温度低于确定的环境温度的目标值，待温度下降至近目标值时，将高低温环境试验箱的温度调整为目标值，直至燃料电池电堆内部温度达到目标温度；
步骤A3：开启水泵，以不同的流量向燃料电池电堆供给冷却剂，得到燃料电池电堆不同状态时的温度分布。
所述待温度下降至近目标值时，具体为：待温度下降至与目标值之差小于阈值时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)可以模拟燃料电池电堆不同工况下温度分布，装置简单。
2)采用数据采集装置和控制器，能使数据记录方便、检测操作简单化，有效提高工作效率。
3)可以作为一个模块嵌入到其他装置中，支持燃料电池电堆不同工况下温度分布时的气密性检测等功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1、燃料电池电堆，2、第一温度传感器，3、高低温环境试验箱，4、第二温度传感器，5、液体恒温器，6、水泵，7、流量计，8、第三温度传感器，9、压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置，如图1所示，包括：
高低温环境试验箱3，用于容纳燃料电池电堆1、并调节燃料电池电堆1的环境温度；
冷却剂回路，两端分别与燃料电池电堆1的冷却剂出口端和入口端连接；
液体恒温器5，设于冷却剂回路中，用于调节冷却剂回路中冷却剂的温度，液体恒温器5拥有储存一定量冷却剂的能力；
水泵6，设于冷却剂回路中，用于驱动冷却剂在冷却剂回路中循环。
此外配置控制器控制高低温环境试验箱3、液体恒温器5、水泵6的运行状态。
液体恒温器5在冷却剂回路中设于水泵6的输入端侧，故液体恒温器5相比于水泵6更靠近燃料电池电堆1冷却剂出口端，因为一开始启动时回路中可能是没有冷却剂的，冷却剂集中在液体恒温器5中，可以避免因水泵6在前的情况下，因水泵6前方没有冷却剂导致的冷却剂循环启动失败。
冷却剂回路上还设有用于检测燃料电池电堆1的冷却剂出口端冷却剂温度的第二温度传感器4，以及用于检测燃料电池电堆1的冷却剂入口端冷却剂温度的第三温度传感器8，第二温度传感器4设于冷却剂回路上近检测燃料电池电堆1的冷却剂出口端处，第三温度传感器8设于冷却剂回路上近燃料电池电堆1的冷却剂入口端处。
冷却剂回路上还设有用于检测燃料电池电堆1的冷却剂入口端冷却剂压力的压力传感器9，该压力传感器9设于冷却剂回路上近燃料电池电堆1的冷却剂入口端处。
冷却剂回路中还设有用于检测进入燃料电池电堆1的冷却剂入口端的冷却剂流量的流量计7。
燃料电池电堆1上设有多个第一温度传感器2，优选的，燃料电池电堆1每个面上均设有4个第一温度传感器2，第一温度传感器2能检测燃料电池电堆1表面的温度。
使用上述装置模拟额定工况温度分布的方法，包括：
步骤S1：将高低温环境试验箱3的温度设置为燃料电池电堆1额定工况温度范围，此段时间足够长，直至燃料电池电堆1内部温度达到目标温度；
步骤S2：以上步骤快要完成时，设置液体恒温器5的温度，使冷却剂温度达到目标值。然后开启水泵6，以不同的流量向燃料电池电堆供给冷却剂，得到燃料电池电堆1不同状态时的温度分布。
使用上述装置模拟冷启动工况温度分布的方法，包括：
步骤A1：确定燃料电池电堆1环境温度的目标值；
步骤A2：设置高低温环境试验箱3的温度低于确定的环境温度的目标值，待温度下降至与目标值之差小于阈值时，将高低温环境试验箱3的温度调整为目标值，并保持此状态足够长时间，直至燃料电池电堆1内部温度达到目标温度；
步骤A3：开启水泵6，以不同的流量向燃料电池电堆供给冷却剂，得到燃料电池电堆1不同状态时的温度分布。
可以通过控制燃料电池电堆1初始温度、冷却剂温度及流量来模拟燃料电池电堆1温度分布状况，可以通过燃料电池电堆初始温度、温度传感器读数来估计燃料电池电堆温度分布状况，可以通过燃料电池电堆冷却液出口处的温度传感器温度的变化判断液体恒温器内的冷却剂从水泵开启到开始流出燃料电池电堆的时间t，可以通过时间t内流经液体体积流量计的冷却剂的量来估算电堆内部冷却流道的容积；可以利用温度传感器的温度值以及液体体积流量计的读数，可以计算出冷却剂对电堆的加热/冷却功率。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置，其特征在于，包括：
高低温环境试验箱(3)，用于容纳燃料电池电堆(1)、并调节燃料电池电堆(1)的环境温度；
冷却剂回路，两端分别与燃料电池电堆(1)的冷却剂出口端和入口端连接；
液体恒温器(5)，设于冷却剂回路中，用于调节冷却剂回路中冷却剂的温度；
水泵(6)，设于冷却剂回路中，用于驱动冷却剂在冷却剂回路中循环。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置，其特征在于，所述液体恒温器(5)在冷却剂回路中设于所述水泵(6)的输入端侧。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置，其特征在于，所述冷却剂回路上还设有用于检测燃料电池电堆(1)的冷却剂出口端冷却剂温度的第二温度传感器(4)，以及用于检测燃料电池电堆(1)的冷却剂入口端冷却剂温度的第三温度传感器(8)，所述第二温度传感器(4)设于冷却剂回路上近燃料电池电堆(1)的冷却剂出口端处，所述第三温度传感器(8)设于冷却剂回路上近燃料电池电堆(1)的冷却剂入口端处。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置，其特征在于，所述冷却剂回路上还设有用于检测燃料电池电堆(1)的冷却剂入口端冷却剂压力的压力传感器(9)，该压力传感器(9)设于冷却剂回路上近燃料电池电堆(1)的冷却剂入口端处。
5.根据权利要求3所述的一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置，其特征在于，所述冷却剂回路中还设有用于检测进入燃料电池电堆(1)的冷却剂入口端的冷却剂流量的流量计(7)。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置，其特征在于，所述燃料电池电堆(1)上设有多个第一温度传感器(2)。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置，其特征在于，所述燃料电池电堆(1)每个面上均设有4个第一温度传感器(2)。
8.一种使用如权利要求1～6中所述的任一燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置的模拟额定工况温度分布的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：将高低温环境试验箱(3)的温度设置为燃料电池电堆(1)额定工况温度范围，直至燃料电池电堆(1)内部温度达到目标温度；
步骤S2：设置液体恒温器(5)的温度，使冷却剂温度达到目标值。然后开启水泵(6)，以不同的流量向燃料电池电堆供给冷却剂，得到燃料电池电堆(1)不同状态时的温度分布。
9.一种使用如权利要求1～6中所述的任一燃料电池电堆不同工况下温度分布模拟装置的模拟冷启动工况温度分布的方法，其特征在于，包括：
步骤A1：确定燃料电池电堆(1)环境温度的目标值；
步骤A2：设置高低温环境试验箱(3)的温度低于确定的环境温度的目标值，待温度下降至近目标值时，将高低温环境试验箱(3)的温度调整为目标值，直至燃料电池电堆(1)内部温度达到目标温度；
步骤A3：开启水泵(6)，以不同的流量向燃料电池电堆供给冷却剂，得到燃料电池电堆(1)不同状态时的温度分布。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述待温度下降至近目标值时，具体为：待温度下降至与目标值之差小于阈值时。
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