CN109728331B - 一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***，包括氢气瓶，过滤器，三通阀，流量控制阀，截止阀，温度传感器，湿度传感器，压力传感器，流量传感器，喷淋装置，质子交换膜燃料电池堆，空压机，减压阀，PC控制器及显示装置。本发明还公开了一种质子交换膜燃料电池测试***的工作方法，对质子交换膜燃料电池进气气体进行单一参数的控制，同时保持其他参数不变，在此情况下对质子交换膜燃料电池进行多次测试，探究燃料电池的最优参数；同时针对质子交换膜燃料电池在反应时会产生废热而设计的水循环散热***，并充分利用循环水中的热能，既提高了效率又减少了能量损耗，质子交换膜燃料电池反应只生成水，也不会对环境造成污染。

Description

一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***及其工作方法

技术领域

本发明属于燃料电池测试领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***及其工作方法。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的装置，只发生电化学反应，没有燃烧过程因而不受卡诺循环的限制，具有极高的能量转换效率。

燃料电池可以是理想的全固态机械结构，即没有可移动的部件，这样的***将潜在的具有高可靠性和长寿命。并且在燃料电池以氢气和氧气为燃料时生成水，没有污染且可以循环利用，对环境比较友好。

燃料电池由于具有效率高、无污染、寿命长和高可靠性等优点，可作为汽车内燃机的替代产品，也可应用于小型集中供电或分散式供电***中，是绿色环保能源，极具发展潜力和应用前景。

质子交换膜燃料电池可在低温工作，并且具有较高的功率密度所以在应用上很受欢迎。在对燃料电池温度对性能的测试中，要进行多次测试，因此要降低其他不必要因素对实验的影响。专利(CN200810300846.1)给出了燃料电池加湿是多参数性能测试的方法和途径。但是却没有给出不加湿状态下多参数性能测试方法，因而不够准确分析电池动态性能。而且没有进行水冷循环，影响燃料电池效率。因此，对燃料电池动态性能测试还需要进一步研究。

因此，需要在对燃料电池的流量、温度、湿度等多参数进行更加有效的控制，提出更为可行的测试燃料电池动态性能的方案。

发明内容

本发明的目的是为了提高测试质子交换膜燃料电池动态性能的参数，通过控制其他参数不变的情况下，对单一参数进行变化来得到参数的最优值，便于更好的了解质子交换膜燃料电池的动态性能。

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***，包括氢气瓶，第一过滤器，第一三通阀，第一流量控制阀，第二三通阀，第一截止阀，第一传感器组，第一喷淋装置，质子交换膜燃料电池堆，空压机，减压阀，第二过滤器，第二流量控制阀，第四三通阀，第二传感器组，第三截止阀，第二喷淋装置，PC控制器及显示装置；

所述氢气瓶与所述第二三通阀之间依次连接有第一过滤器、第一三通阀、第一流量控制阀；

所述第二三通阀与所述质子交换膜燃料电池堆之间连接有第一传感器组；

所述第二三通阀连接第一喷淋装置；所述第一喷淋装置连接第一截止阀至所述第二三通阀和所述第一传感器组之间的管路；所述第一喷淋装置还连接质子交换膜燃料电池堆；

所述空压机与所述第四三通阀依次连接有减压阀，第二过滤器，第二流量控制阀；

所述第四三通阀与所述质子交换膜燃料电池堆之间连接第二传感器组；

所述第四三通阀连接第二喷淋装置；所述第二喷淋装置连接第三截止阀至所述第四三通阀和所述第二传感器组之间的管路；所述第二喷淋装置还连接质子交换膜燃料电池堆；

所述第三三通阀与所述质子交换膜燃料电池堆相连，所述第五三通阀与所述质子交换膜燃料电池堆相连，所述PC控制器及显示装置与所述质子交换膜燃料电池堆相连。

进一步地，所述第一三通阀上连接有氮气瓶。

进一步地，所述第一喷淋装置与质子交换膜燃料电池堆之间从第一喷淋装置开始依次连接第二截止阀和第一加热器；所述第二喷淋装置与质子交换膜燃料电池堆之间从第二喷淋装置开始依次连接第四截止阀和第二加热器。

进一步地，所述第一传感器组包括依次连接的第一温度传感器，第一湿度传感器，第一压力传感器和第一流量传感器；所述第一温度传感器与第二三通阀相连，所述第一流量传感器与质子交换膜燃料电池堆相连；

所述第二传感器组包括依次连接的第二温度传感器，第二湿度传感器，第二压力传感器和第二流量传感器；所述第二温度传感器第四三通阀相连，所述第二流量传感器与质子交换膜燃料电池堆相连。

进一步地，所述第一加热器和质子交换膜燃料电池堆之间设置有第三三通阀，所述第二加热器和质子交换膜燃料电池堆之间设置有第五三通阀，所述第三三通阀和第五三通阀之间连接有水冷循环装置。

进一步地，所述水冷循环装置包括依次连接的离心泵、水箱和水槽，其中，所述离心泵与所述第三三通阀相连，所述水箱与第五三通阀相连，所述水槽与水箱相连。

进一步地，所述水箱侧面设置有散热风扇。

这种质子交换膜燃料电池动态性能测试***的工作方法，步骤包括：

氢气通过氢气瓶提供，首先经过连接第一过滤器、第一三通阀、第一流量控制阀至第二三通阀，第一传感器组至质子交换膜燃料电池堆内部；

同时，通过空压机收集空气，空气经过减压阀，第二过滤器，第二流量控制阀，第四三通阀，第二传感器组至质子交换膜燃料电池堆内部，与氢气充分反应。

进一步地，当气体需要加湿进入燃料电池内部反应时，则需要开启气体管路上的第一喷淋装置和第二喷淋装置，经第一喷淋装置和第二喷淋装置分别对氢气和空气进行加湿处理；同时可以通过第一加热器和第二加热器对水进行加热，加热后的水对气体进行喷淋，通过控制水的温度来控制气体温度。

进一步地，在氢气和空气管路上分别设置的第一流量控制阀和第二流量控制阀，通过流量控制阀来控制氢气和氧气在阳极和阴极反应时的浓度，得出质子交换膜燃料电池在单一气体流量变化下最优的性能。

本发明的优点在于：

1、本发明是使氢气或空气在各自设定的其他变量相同的环境下，分别测出不同温度、湿度以及流量对质子交换膜燃料电池的性能影响，从而得出燃料电池在各环境下的性能参数。

2、采用本发明可以测试单一参数比较的燃料电池堆***，方法安全，比较稳定测得燃料电池在单一变量下的性能参数，更全面了解电堆性能，并且此燃料电池的测试反应后只生成水，不含有任何污染物，实现了污染物的零排放。

附图说明

图1是本发明实施例的总体方案流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***，包括氢气瓶1，第一过滤器2，第一三通阀4，第一流量控制阀5，第二三通阀6，第一截止阀7，第一传感器组100，第一喷淋装置12，质子交换膜燃料电池堆20，空压机21，减压阀22，第二过滤器23，第二流量控制阀24，第四三通阀25，第二传感器组200，第三截止阀30，第二喷淋装置31，PC控制器及显示装置35；

所述氢气瓶1与所述第二三通阀6之间依次连接有第一过滤器2、第一三通阀4、第一流量控制阀5；所述第二三通阀6与所述质子交换膜燃料电池堆20之间连接有第一传感器组100；

所述第二三通阀6连接第一喷淋装置12；所述第一喷淋装置12连接第一截止阀7至所述第二三通阀6和所述第一传感器组100之间的管路；所述第一喷淋装置12还连接质子交换膜燃料电池堆20；

所述空压机21与所述第四三通阀25依次连接有减压阀22，第二过滤器23，第二流量控制阀24；所述第四三通阀25与所述质子交换膜燃料电池堆20之间连接第二传感器组200；

所述第四三通阀25连接第二喷淋装置31；所述第二喷淋装置31连接第三截止阀30至所述第四三通阀25和第二传感器组200之间的管路；所述第二喷淋装置31还连接质子交换膜燃料电池堆20；

所述PC控制器及显示装置35与所述质子交换膜燃料电池堆20相连。

所述第一三通阀4上连接有氮气瓶3，与氢气瓶1形成并联结构，氮气瓶3作为保护装置。

所述第一喷淋装置12与质子交换膜燃料电池堆20之间从第一喷淋装置12开始依次连接第二截止阀13和第一加热器14；所述第二喷淋装置31与质子交换膜燃料电池堆20之间从第二喷淋装置31开始依次连接第四截止阀32和第二加热器33；

在喷淋装置后设有截止阀和加热器，通过加热器控制水的温度，进而通过喷淋装置对气体进行温度和湿度的控制；在喷淋装置两管路设有三通阀和截止阀，既可以测试气体不加湿状态下的反应特性，也可以测试气体加湿状态下的反应特性。

所述第一传感器组100包括依次连接的第一温度传感器8，第一湿度传感器9，第一压力传感器10和第一流量传感器11；所述第一温度传感器8与第二三通阀6相连，所述第一流量传感器11与质子交换膜燃料电池堆20相连；

所述第二传感器组200包括依次连接的第二温度传感器26，第二湿度传感器27，第二压力传感器28和第二流量传感器29；所述第二温度传感器26第四三通阀25相连，所述第二流量传感器29与质子交换膜燃料电池堆20相连。

在燃料电池堆前还设有传感器组，具体包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器和流量传感器，可以更加精准的检测燃料电池反应时的特性。

本发明还提供了前述一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***的工作方法，根据流程图1详细描述如下：

氢气通过氢气瓶1提供，首先经过连接第一过滤器2、第一三通阀4、第一流量控制阀5至第二三通阀6，第一温度传感器8，第一湿度传感器9，第一压力传感器10，第一流量传感器11至质子交换膜燃料电池堆20内部；

同时，通过空压机21收集空气，空气经过减压阀22，第二过滤器23，第二流量控制阀24，第四三通阀25，第二温度传感器26，第二湿度传感器27，第二压力传感器28，第二流量传感器29至质子交换膜燃料电池堆20内部，与氢气充分反应；

当气体需要加湿进入燃料电池内部反应时，则需要开启气体管路上的第一喷淋装置12和第二喷淋装置31，经第一喷淋装置12和第二喷淋装置31分别对氢气和空气进行加湿处理；同时可以通过第一加热器14和第二加热器33对水进行加热，加热后的水可以对气体进行喷淋，通过控制水的温度来控制气体温度；

在氢气和空气管路上分别设置的第一流量控制阀5和第二流量控制阀24，通过流量控制阀来控制氢气和氧气在阳极和阴极反应时的浓度，进而可以得出质子交换膜燃料电池在单一气体流量变化下最优的性能；

在质子交换膜燃料电池堆20前设有温度传感器，湿度传感器，压力传感器，流量传感器，可以更加精准的检测燃料电池反应时的特性；

连接在第一三通阀4上的氮气瓶3在测试***工作完结时或者在在***运行出现问题时，提供的氮气进行扫气处理，保护装置；

PC控制器及显示装置35控制各个阀和传感器，在温度、湿度、流量、压力及其他参数达到稳定时，将数据传给PC控制器及显示装置35进行后续的分析和处理。

作为比较手段，所述第一加热器14和质子交换膜燃料电池堆20之间设置有第三三通阀15，所述第二加热器33和质子交换膜燃料电池堆20之间设置有第五三通阀34，第三三通阀15和第五三通阀34之间还连接有水冷循环装置300；其中，水冷循环装置300包括依次连接的离心泵16、水箱17和水槽19，其中，所述离心泵16与所述第三三通阀15相连，所述水箱17与第五三通阀34相连，水槽19为水箱17补水或排水；所述水箱17侧面设置有散热风扇18，散热风扇18为水箱17散热；

第二加热器33和水箱17通过第五三通阀34相连，这样第二加热器33可以从带有燃料电池反应产生废热的水中补水，利用了废热产生的能量，节约能源；

水冷循环装置300的工作方法具体如下：

在质子交换膜燃料电池堆20反应时，离心泵16工作从水箱17抽水，水从进水管路36(1)至燃料电池堆20，带走燃料电池反应时所产生的大量废热，流到出水管路36(2)；若此时需控制温度进而使用加热器加热水，则带有废热的水优先进入第二加湿管路36(3)中的第二加热器33中，待第二加热器33水满时再流回水箱17，用散热风扇18进行风冷。

本发明***的燃料电池可以作为车载电源、备用电源、家用电子产品电源等使用。也可以工作在汽车、火车、船舶等交通工具上。同时，也可应用于小型集中供电或分散式供电***。

最后应说明的是：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，比如氮气保护装置的使用，加湿器对温度控制等，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***，其特征在于，包括氢气瓶（1），第一过滤器（2），第一三通阀（4），第一流量控制阀（5），第二三通阀（6），第一截止阀（7），第一传感器组（100），第一喷淋装置（12），质子交换膜燃料电池堆（20），空压机（21），减压阀（22），第二过滤器（23），第二流量控制阀（24），第四三通阀（25），第二传感器组（200），第三截止阀（30），第二喷淋装置（31），PC控制器及显示装置（35）；

所述氢气瓶（1）与所述第二三通阀（6）之间依次连接有第一过滤器（2）、第一三通阀（4）、第一流量控制阀（5）；

所述第二三通阀（6）与所述质子交换膜燃料电池堆（20）之间连接有第一传感器组（100）；

所述第二三通阀（6）连接第一喷淋装置（12）；所述第一喷淋装置（12）连接第一截止阀（7）至所述第二三通阀（6）和所述第一传感器组（100）之间的管路；所述第一喷淋装置（12）还连接质子交换膜燃料电池堆（20）；

所述空压机（21）与所述第四三通阀（25）依次连接有减压阀（22），第二过滤器（23），第二流量控制阀（24）；

所述第四三通阀（25）与所述质子交换膜燃料电池堆（20）之间连接第二传感器组（200）；

所述第四三通阀（25）连接第二喷淋装置（31）；所述第二喷淋装置（31）连接第三截止阀（30）至所述第四三通阀（25）和第二传感器组（200）之间的管路；所述第二喷淋装置（31）还连接质子交换膜燃料电池堆（20）；

所述PC控制器及显示装置（35）与所述质子交换膜燃料电池堆（20）相连；

所述第一喷淋装置（12）与质子交换膜燃料电池堆（20）之间从第一喷淋装置（12）开始依次连接第二截止阀（13）和第一加热器（14）；所述第二喷淋装置（31）与质子交换膜燃料电池堆（20）之间从第二喷淋装置（31）开始依次连接第四截止阀（32）和第二加热器（33）；

所述第一加热器（14）和质子交换膜燃料电池堆（20）之间设置有第三三通阀（15），所述第二加热器（33）和质子交换膜燃料电池堆（20）之间设置有第五三通阀（34），所述第三三通阀（15）和第五三通阀（34）之间连接有水冷循环装置（300）。

2.根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***，其特征在于，所述第一三通阀（4）上连接有氮气瓶（3）。

3.根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***，其特征在于：

所述第一传感器组（100）包括依次连接的第一温度传感器（8），第一湿度传感器（9），第一压力传感器（10）和第一流量传感器（11）；所述第一温度传感器（8）与第二三通阀（6）相连，所述第一流量传感器（11）与质子交换膜燃料电池堆（20）相连；

所述第二传感器组（200）包括依次连接的第二温度传感器（26），第二湿度传感器（27），第二压力传感器（28）和第二流量传感器（29）；所述第二温度传感器（26）第四三通阀（25）相连，所述第二流量传感器（29）与质子交换膜燃料电池堆（20）相连。

4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***，其特征在于，所述水冷循环装置（300）包括依次连接的离心泵（16）、水箱（17）和水槽（19），其中，所述离心泵（16）与所述第三三通阀（15）相连，所述水箱（17）与第五三通阀（34）相连。

5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池动态性能测试***，其特征在于，所述水箱（17）侧面设置有散热风扇（18）。

6.一种工作方法，基于权利要求1-5任一项所述的质子交换膜燃料电池动态性能测试***，其特征在于，步骤包括：

氢气通过氢气瓶(1)提供，首先经过连接第一过滤器（2）、第一三通阀（4）、第一流量控制阀（5）至第二三通阀（6），第一传感器组（100）至质子交换膜燃料电池堆（20）内部；

同时，通过空压机(21)收集空气，空气经过减压阀（22），第二过滤器（23），第二流量控制阀（24），第四三通阀（25），第二传感器组（200）至质子交换膜燃料电池堆（20）内部，与氢气充分反应。

7.根据权利要求6所述的一种工作方法，其特征在于，当气体需要加湿进入燃料电池内部反应时，则需要开启气体管路上的第一喷淋装置（12）和第二喷淋装置（31），经第一喷淋装置（12）和第二喷淋装置（31）分别对氢气和空气进行加湿处理；同时通过第一加热器（14）和第二加热器（33）对水进行加热，加热后的水对气体进行喷淋，通过控制水的温度来控制气体温度。

8.根据权利要求7所述的一种工作方法，其特征在于，在氢气和空气管路上分别设置的第一流量控制阀（5）和第二流量控制阀（24），通过流量控制阀来控制氢气和氧气在阳极和阴极反应时的浓度，得出质子交换膜燃料电池在单一气体流量变化下最优的性能。

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