CN111948547A - 一种质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢燃料电池领域，特别涉及一种质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置。本发明所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置包括质子交换膜氢燃料电池、气体储存装置、气路控制装置；还包括气体加湿装置，所述气体加湿装置与所述气路控制装置之间设置有气体加湿控制装置。本装置可实现流量、湿度、气体温度、气体流量、气体背压和干湿气体持续时间可精确控制，实现氢燃料电池质子膜机械耐久性的快速评价。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜氢燃料电池测试装置技术领域，具体涉及一种质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置。
背景技术
质子交换膜氢燃料电池因其可以直接将化学能(氢气和空气)转化为电能，具有能量转化效率高、环保无污染、燃料加注时间短等优点被认为是世界能源转型和动力转型的重大战略方向。质子交换膜氢燃料电池已经广泛应用到客车、物流运输汽车及乘用车，叉车，场地车等领域，质子交换膜氢能燃料电池汽车有望成为未来汽车市场中的主要组成部分。质子交换膜作为燃料电池的核心关键材料，其耐久性决定了氢燃料电池及氢燃料电池汽车的使用寿命。干湿循环测试是评价质子交换膜机械耐久性的重要测试指标，即在干、湿两种状态往复交替进行中，质子膜因承受不断变化的湿应力而导致质子膜发生机械失效。
因此，如何实现对质子交换膜氢燃料电池干湿循环寿命进行检测，提供一种流量、湿度、气体温度、气体流量，气体背压和干湿气体持续时间可精确控制切换的测试设备，是本领域技术人员急需解决的关键技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种流量、湿度、气体温度、气体流量、气体背压和干湿气体持续时间可精确控制的测试设备，实现氢燃料电池质子膜机械耐久性的快速评价。
本发明所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，包括质子交换膜氢燃料电池，所述质子交换膜氢燃料电池阳极腔室上设置有阳极气体进口、阳极气体出口，阴极腔室上设置有阴极气体进口和阴极气体出口；
还包括气体储存装置，所述气体储存装置与阳极气体进口、阴极气体进口通过管路连通；所述气体储存装置与所述阳极气体进口、阴极气体进口的连通通道上分别设置有气路控制装置；
还包括气体加湿装置，所述气体加湿装置与所述气路控制装置之间设置有气体加湿控制装置；
所述阳极气体出口、阴极气体出口处分别设置有气液分离装置。
优选的，所述的质子交换膜氢燃料电池为单电池或若干片电池组成的电池堆。
优选的，所述气体储存装置与所述气路控制装置之间设置有流量计。
优选的，所述的气路控制装置为电磁阀。
优选的，所述气体储存装置与所述阳极气体进口的连通通道上设有第一气路控制装置，所述气体储存装置与所述第一气路控制装置之间设置有第一气体质量流量计；
所述气体储存装置与所述阴极气体进口的连通通道上设置有第二气路控制装置，所述气体储存装置与所述第二气路控制装置之间设置有第二气体质量流量计。
优选的，所述第一气体控制装置与所述质子交换膜氢燃料电池之间设置有第一气体加湿控制装置，所述第一气体加湿控制装置与所述质子交换膜氢燃料电池之间设置有第一气体加湿装置，所述第一加湿装置的进气口与所述第一气体加湿控制装置的出气口之间通过单向阀I连通，单向阀I流向朝向所述第一气体加湿装置；所述第一气体加湿控制装置的出气口上设置有单向阀II，单向阀II流向连通所述质子交换膜氢燃料电池的管路，所述单向阀II、第一加湿装置的出气口与连通所述质子交换膜氢燃料电池的管路通过三通连接。
优选的，所述气体加湿装置与所述质子交换膜氢燃料电池的连通管路上设置有伴热带。
优选的，所述气液分离装置出口处设置有背压阀。
优选的，所述气体存储装置出气口与第一气体流量计、第二气体流量计通过三通连接。
优选的，所述气液分离器为无增压式，通过PLC控制***，实现液位的实时监测与控制，实现自动补水和自动排水功能。
优选的，所述的气体质量流量计的流量设定为2L/min；所述气体储存装置的出口压力不小于0.1MPa。
优选的，所述的所述单向阀I、II、III、Ⅳ的开启压力为50Kpa，接头为卡套接头。
优选的，所述加湿装置为加湿罐为不锈钢材质，带有液位显示、自动补水、自动控温、超压自动泄压功能功能，支持4-20mA信号传输。
优选的，所述伴热带支持电压为220V，功率为80W/米，电流为4-20mA，温度为90℃。
优选的，所述的气体储存装置为储气罐，为空气、氮气或氩气等惰性气体的钢瓶或气体发生装置，出口压力不小于0.1MPa。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
a)本发明所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，包括质子交换膜氢燃料电池，质子交换膜氢燃料电池阳极腔室上设置有阳极气体进口、阳极气体出口，阴极腔室上设置有阴极气体进口和阴极气体出口；还包括气体储存装置，气体储存装置与阳极气体进口、阴极气体进口通过管路连通；气体储存装置与阳极气体进口、阴极气体进口的连通通道上分别设置有气路控制装置；还包括气体加湿装置，气体加湿装置与气路控制装置之间设置有气体加湿控制装置；阳极气体出口、阴极气体出口处分别设置有气液分离装置；气体储存装置与气路控制装置之间设置有气体质量流量计，可实现干湿气体流量的控制。
b)所述气路控制装置为电磁阀，可实现干、湿气体快速切换，并可控制干、湿气体的持续供应时间。
c)所述气体加湿装置具有液位显示、自动补水和超压自动泄压等功能。
d)所述气液分离装置出口处设置有背压阀,可实现质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试中气体背压的调节。
附图说明
图1为本发明所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置；
图2为质子交换膜氢燃料单电池阳极气体进口侧示意图；
图3为质子交换膜氢燃料单电池阴极气体进口侧示意图；
图4为质子交换膜氢燃料电池短堆阳极气体进口侧示意图；
图5为质子交换膜氢燃料电池短堆阴极气体进口侧示意图；
其中：1-气体储存装置,2-三通I,3-第一气体质量流量计,4-第二气体质量流量计,5-第一气路控制装置,6-第二气路控制装置,7-第一气体加湿控制装置,8-第二气体加湿控制装置,9-单向阀I,10-单向阀III,11-第一加湿装置,12-第二加湿装置,13-单向阀II,14-单向阀Ⅳ,15-三通II,16-三通III,17-质子交换膜氢燃料电池,18-第一气液分离器19-第二气液分离器,20-第一背压阀,21-第二背压阀,171-阳极气体进口,172-阴极气体进口,173-阳极气体出口,174-阴极气体出口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
质子交换膜氢燃料单电池是利用燃料气体(氢气)与氧化剂(氧气/空气)将化学能转化为电能的装置，本质子交换膜氢燃料电池干湿循环装置是考评质子交换膜在干气、湿气两种状态交替进行的条件下膜寿命的方法。需要说明的是，本申请所述的干气，是指保持经过干燥、除油的气体，含水量不高于1％，所述的湿气为经加湿罐加湿、露点调整后达到测试要求的湿度的加湿气体。
实施例1
如图1所示，本实施例所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，包括质子交换膜氢燃料电池17，述质子交换膜氢燃料电池17阳极腔室上设置有阳极气体进口171、阳极气体出口173，阴极腔室上设置有阴极气体进口172和阴极气体出口174。
如图1所示，本实施例所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置还包括气体储存装置1，气体储存装置1与阳极气体进口171、阴极气体进口172通过管路连通；所述气体储存装置1与所述阳极气体进口171、阴极气体进口172的连通通道上分别设置有气路控制装置5；气体储存装置1与所述气路控制装置之间设置有流量计。
本实施例中气体储存装置1与阳极气体进口171的连通通道上设有第一气路控制装置5，气体储存装置1与第一气路控制装置5之间设置有第一气体质量流量计3；气体储存装置1与阴极气体进口172的连通通道上设置有第二气路控制装置6，气体储存装置1与第二气路控制装置6之间设置有第二气体质量流量计4，本实施例中第一气路控制装置5、第二气路控制装置6为电磁阀，气体存储装置1出气口与第一气体流量计3、第二气体流量计4通过三通I2连接。
本实施例所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置还包括气体加湿控制装置，所述气体加湿控制装置与所述质子交换膜燃料电池之间设置有气体加湿装置；所述气体加湿控制装置设置有一个进气口和两个出气口，进气口与气路控制装置连接，两个出气口分别连接气体加湿装置和所述质子交换膜燃料电池，如图1，第一气体控制装置5与质子交换膜氢燃料电池17之间设置有第一气体加湿控制装置7，第一气体加湿控制装置7与质子交换膜氢燃料电池17之间设置有第一气体加湿装置11，第一加湿装置11的进气口与第一气体加湿控制装置7的一个出气口之间通过单向阀I9连通，单向阀I9流向朝向第一气体加湿装置11；第一气体加湿控制装置7的另一个出气口上设置有单向阀II13，单向阀II13流向连通所述质子交换膜氢燃料电池17的管路，所述单向阀II13、第一加湿装置11的出气口与连通质子交换膜氢燃料电池17的管路通过三通II15连接。
第二气体控制装置6与质子交换膜氢燃料电池17之间设置有第二气体加湿控制装置8，第二气体加湿控制装置8与质子交换膜氢燃料电池17之间设置有第二气体加湿装置12，第二加湿装置12的进气口与第二气体加湿控制装置8的出气口之间通过单向阀III10连通，单向阀III10流向朝向第二气体加湿装置12；第二气体加湿控制装置8的另一个出气口上设置有单向阀Ⅳ14，单向阀Ⅳ14流向连通所述质子交换膜氢燃料电池17的管路，所述单向阀Ⅳ14、第二加湿装置12的出气口与连通质子交换膜氢燃料电池17的管路通过三通III16连接。本实施例中，第一加湿装置11和第二加湿装置12为加湿罐，材质为316L不锈钢材质，带有液位显示、自动补水、自动控温、超压自动泄压功能功能，支持4-20mA信号传输。
第一气体加湿装置11、第二气体加湿装置12与质子交换膜氢燃料电池17的连通管路上分别设置有第一伴热带22、第二伴热带23。
质子交换膜氢燃料电池7的阳极气体出口173、阴极气体出口174处分别设置有第一气液分离器18、第二气液分离器19。第一气液分离器18、第二气液分离器19为无增压式，通过PLC控制***，实现液位的实时监测与控制，实现自动补水和自动排水功能。第一气液分离器18、第二气液分离器19出口处分别设置有第一背压阀20、第二背压阀21。第一背压阀20、第二背压阀21为手动背压阀，材质316不锈钢，量程不低于0.6Mpa，精度不低于0.01Mpa。
如图2、图3所示，所述的质子交换膜氢燃料电池17为单电池，所述质子交换膜氢燃料电池17包括阳极(anode)腔室和阴极(cathode)腔室，所述阳极腔室带有阳极气体进口171和阳极气体出口173，所述阴极腔室带有阴极气体进口172和阴极气体出口174。
如图4、图5所示，所述的质子交换膜氢燃料电池17为电池短堆，所述质子交换膜氢燃料电池17包括阳极(anode)腔室和阴极(cathode)腔室，所述阳极腔室带有阳极进口171和阳极出口173，所述阴极腔室带有阴极气体进口172和阴极气体出口174。
测试例1
采用实施例1所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，第一加湿装置11和第二加湿装置12加入纯水至液位的2/3处，将第一加湿装置温度11、第二加湿装置12、质子交换膜氢燃料电池温度、第一伴热带22和第二伴热带23的设定温度调整为90摄氏度，待第一加湿装置温度11、第二加湿装置12、质子交换膜氢燃料电池温度、第一伴热带22和第二伴热带23达到90摄氏度时，打开气体存储装置1，输出压力调节为0.6MPa，将第一气体质量流量计6和第二气体质量流量计7的气体流量设定为2000mL/min，打开第一气路控制装置5和第二气路控制装置6，将第一气体加湿控制装置7和第二加湿控制装置8调整为干气状态，此时第一加湿装置温度11、第二加湿装置12不向管路中加湿，将第一背压阀20和背压阀21的设定压力调整为0MPa，2min后，将第一气体加湿控制装置7和第二气体加湿控制装置8调整为湿气状态，此时第一加湿装置温度11、第二加湿装置12向管路中加湿，4min后即完成一个干湿循环，到2万次后即完成实验。
测试例2
进行干气2min、湿气4min，干湿气流量2L/min，湿气湿度100％，背压0.2MPa下进行2万次干湿循环测试
采用实施例1所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，第一加湿装置11和第二加湿装置12加入纯水至液位的2/3处，将第一加湿装置11、第二加湿装置12、质子交换膜氢燃料电池温度、第一伴热带22和第二伴热带23的设定温度调整为90摄氏度，待第一加湿装置11、第二加湿装置12、质子交换膜氢燃料电池温度、第一伴热带22和第二伴热带23达到90摄氏度时，打开气体存储装置1，输出压力调节为0.6MPa，将第一气体质量流量计6和第二气体质量流量计7的气体流量设定为2000mL/min，打开第一气路控制装置5和第二气路控制装置6，将第一气体加湿控制装置7和第二气体加湿控制装置8调整为干气状态，此时第一加湿装置温度11、第二加湿装置12不向管路中加湿，将第一背压阀20和第二背压阀21的设定压力调整为0.2MPa，2min后，将第一气体加湿控制装置7和第二气体加湿控制装置8调整为湿气状态，此时第一加湿装置温度11、第二加湿装置12向管路中加湿，4min后即完成一个干湿循环，到2万次后即完成实验。
本质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，需要说明的是，整个装置需要配套PLC控制模块，装置中的控制(除背压阀)均有PLC自动控制，PLC控制模块需要与装置用硬件相匹配。
本质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，需要说明的是，湿度控制是根据露点控制原理，可以调节加湿罐11、加湿罐12、伴热带22、伴热带23、燃料电池的温度进行湿度控制。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，包括质子交换膜氢燃料电池，所述质子交换膜氢燃料电池阳极腔室上设置有阳极气体进口、阳极气体出口，阴极腔室上设置有阴极气体进口和阴极气体出口；
还包括气体储存装置，所述气体储存装置与阳极气体进口、阴极气体进口通过管路连通；所述气体储存装置与所述阳极气体进口、阴极气体进口的连通通道上分别设置有气路控制装置；
还包括气体加湿装置，所述气体加湿装置与所述气路控制装置之间设置有气体加湿控制装置；
所述阳极气体出口、阴极气体出口处分别设置有气液分离装置。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，所述的质子交换膜氢燃料电池为单电池或若干片电池组成的电池堆。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，所述气体储存装置与所述气路控制装置之间设置有流量计。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，所述的气路控制装置为电磁阀。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，所述气体储存装置与所述阳极气体进口的连通通道上设有第一气路控制装置，所述气体储存装置与所述第一气路控制装置之间设置有第一气体质量流量计；
所述气体储存装置与所述阴极气体进口的连通通道上设置有第二气路控制装置，所述气体储存装置与所述第二气路控制装置之间设置有第二气体质量流量计。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，所述第一气体控制装置与所述质子交换膜氢燃料电池之间设置有第一气体加湿控制装置，所述第一气体加湿控制装置与所述质子交换膜氢燃料电池之间设置有第一气体加湿装置，所述第一加湿装置的进气口与所述第一气体加湿控制装置的出气口之间通过单向阀I连通，单向阀I流向朝向所述第一气体加湿控制装置；所述第一气体加湿控制装置的出气口上设置有单向阀II，单向阀II流向连通所述质子交换膜氢燃料电池的管路，所述单向阀II、第一加湿装置的出气口与连通所述质子交换膜氢燃料电池的管路通过三通连接。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，所述气体加湿装置与所述质子交换膜氢燃料电池的连通管路上设置有伴热带。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，所述气液分离装置出口处设置有背压阀。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，所述气体存储装置出气口与第一气体流量计、第二气体流量计通过三通连接。
10.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池干湿循环测试装置，其特征在于，所述气液分离装置，通过PLC控制***，实现液位的实时监测与控制，实现自动补水和自动排水功能。
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