CN114204076B - 一种用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱 - Google Patents
一种用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于燃料电池的环境条件模拟测试技术领域，公开了一种用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱。包括上半部分的减压舱及下半部分的设备舱。环境模拟测试舱包括电缆***、控制***、冷却***、真空泵***、空压机***、破空***、空气循环***、工作流体输送***。环境模拟测试舱采用模块化设计，作为具备常规测试条件的测试台的一个独立的可以匹配的模块，不设置人员进入通道和内部预留的人员操作空间，大幅度降低设备尺寸；降低了对装置抵抗真空的强度要求，能耗降低，造价降低，设备易于移动，使用的灵活性提高。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池的环境条件模拟测试技术领域，具体涉及一种可调节的大气条件模拟模块，尤其是对高原或高空的低压和低温条件模拟，形成可重复的大气条件来检测燃料电池的在该种条件下的使用性能。
背景技术
电堆的大气环境运行模拟测试舱测试，一般是针对高原或高空、冬季寒冷条件，以低压和低温为主要和常用特性。环境模拟测试舱具体设计条件多以绝对压力0.5～1.0大气压，温度-40～75℃为主要参数，但是并不限定这个范围。并且一般是保持一个特定的温湿度压力进行测试。其中，低温主要针对电堆低温启动和保存测试，高温主要针对材料和电气，低压主要用于模拟高空和高原条件。
现在环境模拟测试舱多制造成一套完整***，包括燃料、氧化剂、冷却剂的控制管理***，以及电堆检测的压力温度模拟舱，并常见以多个集装箱式搭建形成，其构建造价和场地要求都很高。
由于当前的趋势是检测功率越来越大，在待测体向高功率发展的同时，待测体的体积小型化。相对地，用于电堆的环境模拟测试舱对比待测电堆明显过大，从技术上需要进行优化，对体积和造价均进行降低。分析其体积大的主要原因，包括现有环境模拟测试舱的测试方式大多采用了人员步入舱内的设计方式，在环境模拟测试舱放置被测电堆之外，增加了电堆四周的人工操作空间要求，大幅度扩展了整个测试空间的体积配制。例如，用于车用100kw级别的电堆体积一般不足0.5m3，但是用于测试的环境模拟测试舱单一舱体的体积就往往可以达到5～50m3，整套附属的测试体系更为庞大，这对于能源、功率，以及成本控制和场地要求都明显不利。例如，待测车用电堆检测所用的单一的环境模拟测试舱即超过的应用目标车辆的体积，在此基础上，其它配套体积再增加数倍。
对于燃料电池本身，被测电堆所需要的燃料、氧化剂空气、冷却剂的供应基本由运行条件限定，而建立和维持环境模拟测试舱所需要的温度、湿度、压力直接由环境模拟测试舱的尺寸决定。明显的是，例如将4m3空间或40m3空间的气压降低到同样程度，后者消耗的能量可以近似看做是前者的10倍，如果期望同样时间内达到降压，后者需要使用型号大得多的真空泵，而且真空泵也可能从无需冷却***改成需要冷却***，复杂性进一步提高。
在使用相同的制造材料时，保温能耗也随环境模拟测试舱外表面的增加而增加。
燃料电池环境模拟测试舱的现有技术一般采用提供一个或多个集装箱组成的测试***，具有比较完整、全面的测试能力。但是带来不利的问题也很明显，至少存在包括装置庞大、所有的装置基本只能在室外、设备专用属性强扩展性弱、***造价昂贵等问题。其环境模拟测试舱表面积大、体积大，内部温度和压力的建立和维持需要的能源消耗大。测试***建成后也难以移动和升级。
对于低温湿度的控制也需要技术方案，常规增湿技术使用喷淋、鼓泡、喷雾等，但是在冰点以下面临实际的结霜或结冰问题，失去可操作性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱，与现有环境模拟测试舱相比大幅度降低设备尺寸，降低了抵抗真空的强度要求，能耗降低，造价降低，设备易于移动，设备使用的灵活性提高。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：一种用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱，环境模拟测试舱呈立方体或圆柱体，环境模拟测试舱上半部分为减压舱，下半部分为设备舱。
环境模拟测试舱包括电缆***、控制***、冷却***、真空泵***、空压机***、破空***、空气循环***、工作流体输送***。
所述电缆***分为两部分，一部分为电堆电力和通讯***，另一部分为环境模拟测试舱电力和通讯***。电堆的电力***包括，顺序连接的电堆的舱外电力和通讯电缆，通过电堆的舱外电力和通讯接口，连接到电堆的舱内电力和通讯电缆，然后连接到电堆、电堆自有的各种用电器、电堆附加的各种检测器。环境模拟测试舱电力和通讯***包括，环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆，环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口，环境模拟测试舱的舱内电力和通讯电缆。环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆通过环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口，连接到环境模拟测试舱的舱内电力和通讯电缆，连接到设备舱控制器，从设备控制器连接到舱内各种用电器、各种检测器。其中的环境模拟测试舱电力独立于外置测试台。
所述控制***具体包括位于设备舱内的控制器，控制器通过位于设备舱外壳上的环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口连接环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆，从而与外界相连，控制器可以选择自行控制环境模拟测试舱的运行或接受外置测试台对环境模拟测试舱运行条件的要求，可以选择是否监测电堆运行，并可记录相关设定和检测参数、与外置测试台进行数据通讯。
所述冷却***包括位于设备舱的制冷主机及与制冷主机电联并位于减压舱的制冷蒸发器、制冷换热器、导热定位板，制冷蒸发器、制冷换热器设于减压舱内的空气循环***内，制冷蒸发器用于舱内空气降温，制冷换热器设于减压舱内的导热定位板下方并对其提供冷量，导热定位板上方设有电堆，用于电堆的直接传导降温，制冷蒸发器、制冷换热器都具有承水盘、解冻加热器和放水孔。
所述真空泵***设于设备舱内，包括顺序连接的排气口、真空泵、真空罐、真空阀，真空罐上设有真空罐压力检测器，排气口连接外界进行排气，真空阀具有管道通往减压舱。真空泵***整体用于减压舱减压。
所述空压机***设于设备舱内，包括空压机进气口、空气压缩机、空气储罐、空气阀、排水阀、排水口，空压机进气口连接空气压缩机，空气压缩机连接空气储罐，空气储罐上连有排水阀及空气阀，排水阀另一端与排水口连接，空气储罐上设有空气储罐压力检测器，空气储罐内包含冷冻干燥器，空压机进气口与排水口均连接外界，空气阀具有管道通往减压舱。空压机***整体用于向减压舱提供低压、低温、低含水量的空气。
所述破空***设于设备舱内，包括位于设备舱内部的破空阀及与破空阀连接的破空口，破空口连接外界，破空阀具有管道通往减压舱。减压舱需要恢复常压时开启破空阀，环境大气在减压舱内外压差作用下进入减压舱内。
所述空气循环***包括设于减压舱的制冷蒸发器、制冷换热器、循环风扇、雾化器、电加热器、集成检测器，设于设备舱的雾化供水泵、去离子水罐，其中制冷蒸发器、制冷换热器与设备舱中的制冷主机相连，循环风扇设于制冷蒸发器上方，雾化器设于循环风扇上方，雾化器顺序连接雾化供水泵、去离子水罐，电加热器设于雾化器上方，集成检测器设于电加热器上方。其中所述集成检测器包括温度、压力、湿度、可燃气体浓度检测，集成检测器设有一个或多个且至少有一个集成检测器设于电加热器上方。
所述工作流体输送***包括外流体输送管组、流体内外接口、内流体管组。其中位于减压舱的电堆连接位于减压舱内的内流体管组，内流体管组另一端与贯穿减压舱与设备舱的流体内外接口相接，流体内外接口另一端与位于设备舱且连接外界的外流体输送管组连接，外流体输送管组用于环境模拟测试舱与外界的输送与回流。
所述减压舱的顶部设有可活动的顶部舱板，所述顶部舱板边缘压在框架上部依靠柔性的橡胶密封板在压差下密封，减压舱底部设有放置电堆的台面，减压舱的侧面局部或整体可开启并设有观测窗，减压舱内部多处具有防爆照明。
本发明的进一步优选，环境模拟测试舱上半部分的减压舱采用吊装开启方式。
本发明的进一步优选，所述减压舱为耐压容器，顶部舱板为耐压保温舱板。
本发明的进一步优选，所述制冷蒸发器设有一个或多个。
本发明的进一步优选，所述真空泵使用液环真空泵，极限真空度在-0.06～-0.07MPag。
用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱具体工作模式为：通过压力检测器检测减压舱的压力，压力设定值范围设为0.05MPa～环境大气压之间，压力高于设定值范围使用真空泵***，开启真空阀降低减压舱压力，当真空罐真空度不足时开启真空泵降低真空罐压力，压力低于设定值范围使用空压机***，开启空气阀补充干燥空气，保持减压舱压力在设定范围内；通过温度检测器检测减压舱的温度，温度设定值范围设为-40～75℃，温度高于设定值范围使用制冷蒸发器，在循环风扇作用下冷却舱内空气，温度低于设定值范围使用电加热器，在循环风扇作用下加热舱内空气，降低温度时减压舱内的水汽可能结露或结霜在制冷换热器上，制冷换热器上的承水盘和放水孔用以处理露或霜。
环境模拟测试舱工作结束后减压舱破空至常压，对结露形成的积水直接使用放水孔排除，对结霜使用热空气、常温水方法融化后通过放水孔排除。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)采用模块化设计，作为具备常规测试条件的测试台的一个独立的可以匹配的模块，不设置人员进入通道和内部预留的人员操作空间，大幅度降低设备尺寸；
2)降低了对装置抵抗真空的强度要求，能耗降低，造价降低，设备易于移动，使用的灵活性提高；
3)提供给待测电堆更快速的降温导热条件，实现电堆各部件的快速降温，解决了保温条件下的电堆内外温度大幅度不一致的问题；
4)减少固定投资规模，提供了建设的便利和灵活性设备易于移动和进行不同规格的组装，使用灵活性提高，具有良好的可扩展性；
5)提高了操作的便利性，也减少了人员在压力容器内部操作的不安全特性。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱结构示意图；
图2为本发明采用吊装方式的环境模拟测试舱示意图。
图中 1.减压舱，2.集成检测器，3.电加热器，4.雾化器，5.循环风扇，6.制冷蒸发器，7.制冷换热器，8.台面，9.设备舱，10.制冷主机，11.雾化供水泵，12.去离子水罐，13.真空罐压力检测器，14.真空阀，15.真空罐，16.真空泵，17.空气储罐压力检测器，18.空气阀，19.空气储罐，20.排水阀，21.空气压缩机，22.破空阀，23.排气口，24.排水口，25.空压机进气口，26.破空口，27.环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆，28.环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口，29.设备舱控制器，30.外流体输送管组，31.电堆的舱外电力和通讯电缆，32.电堆的舱外电力和通讯接口，33.流体内外接口，34.内流体管组，35.电堆的舱内电力和通讯电缆，36.照明，37.顶部舱板，38.橡胶密封板，39.电堆，40.导热定位板，41.吊装点，42.支架。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1
一种用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱
环境模拟测试舱呈立方体或圆柱体，环境模拟测试舱上半部分为减压舱，下半部分为设备舱。
环境模拟测试舱包括电缆***、控制***、冷却***、真空泵***、空压机***、破空***、空气循环***、工作流体输送***。
所述电缆***分为两部分，一部分为电堆电力和通讯***，另一部分为环境模拟测试舱电力和通讯***。电堆的电力***包括，顺序连接的电堆的舱外电力和通讯电缆，通过电堆的舱外电力和通讯接口，连接到电堆的舱内电力和通讯电缆，然后连接到电堆、电堆自有的各种用电器、电堆附加的各种检测器。环境模拟测试舱电力和通讯***包括，环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆，环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口，环境模拟测试舱的舱内电力和通讯电缆。环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆通过环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口，连接到环境模拟测试舱的舱内电力和通讯电缆，连接到设备舱控制器，从设备控制器连接到舱内各种用电器、各种检测器。其中的环境模拟测试舱电力独立于外置测试台。
所述控制***具体包括位于设备舱内的控制器，控制器通过位于设备舱外壳上的环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口连接环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆，从而与外界相连，控制器可以选择自行控制环境模拟测试舱的运行或接受外置测试台对环境模拟测试舱运行条件的要求，可以选择是否监测电堆运行，并可记录相关设定和检测参数、与外置测试台进行数据通讯。
所述冷却***包括位于设备舱的制冷主机及与制冷主机电联并位于减压舱的制冷蒸发器、制冷换热器、导热定位板，制冷蒸发器、制冷换热器设于减压舱内的空气循环***内，制冷蒸发器用于舱内空气降温，制冷换热器设于减压舱内的导热定位板下方并对其提供冷量，导热定位板上方设有电堆，用于电堆的直接传导降温，制冷蒸发器、制冷换热器都具有承水盘、解冻加热器和放水孔。
所述真空泵***设于设备舱内，包括顺序连接的排气口、真空泵、真空罐、真空阀，真空罐上设有真空罐压力检测器，排气口连接外界进行排气，真空阀具有管道通往减压舱。真空泵***整体用于减压舱减压。
所述空压机***设于设备舱内，包括空压机进气口、空气压缩机、空气储罐、空气阀、排水阀、排水口，空压机进气口连接空气压缩机，空气压缩机连接空气储罐，空气储罐上连有排水阀及空气阀，排水阀另一端与排水口连接，空气储罐上设有空气储罐压力检测器，空气储罐内包含冷冻干燥器，空压机进气口与排水口均连接外界，空气阀具有管道通往减压舱。空压机***整体用于向减压舱提供低压、低温、低含水量的空气。
所述破空***设于设备舱内，包括位于设备舱内部的破空阀及与破空阀连接的破空口，破空口连接外界，破空阀具有管道通往减压舱。减压舱需要恢复常压时开启破空阀，环境大气在减压舱内外压差作用下进入减压舱内。
所述空气循环***包括设于减压舱的制冷蒸发器、制冷换热器、循环风扇、雾化器、电加热器、集成检测器，设于设备舱的雾化供水泵、去离子水罐，其中制冷蒸发器、制冷换热器与设备舱中的制冷主机相连，循环风扇设于制冷蒸发器上方，雾化器设于循环风扇上方，雾化器顺序连接雾化供水泵、去离子水罐，电加热器设于雾化器上方，集成检测器设于电加热器上方。其中所述集成检测器包括温度、压力、湿度、可燃气体浓度检测，集成检测器设有一个或多个且至少有一个集成检测器设于电加热器上方。
所述工作流体输送***包括外流体输送管组、流体内外接口、内流体管组。其中位于减压舱的电堆连接位于减压舱内的内流体管组，内流体管组另一端与贯穿减压舱与设备舱的流体内外接口相接，流体内外接口另一端与位于设备舱且连接外界的外流体输送管组连接，外流体输送管组用于环境模拟测试舱与外界的输送与回流。
所述减压舱的顶部设有可活动的顶部舱板，所述顶部舱板边缘压在框架上部依靠柔性的橡胶密封板在压差下密封，减压舱底部设有放置电堆的台面，减压舱的侧面局部或整体可开启并设有观测窗，减压舱内部多处具有防爆照明。
本发明的进一步优选，所述减压舱为耐压容器，顶部舱板为耐压保温舱板。
本发明的进一步优选，所述制冷蒸发器设有一个或多个。
本发明的进一步优选，所述真空泵使用液环真空泵，极限真空度在-0.06～-0.07MPag。
用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱具体工作模式为：通过压力检测器检测减压舱的压力，压力设定值范围设为0.05MPa～环境大气压之间，压力高于设定值范围使用真空泵***，开启真空阀降低减压舱压力，当真空罐真空度不足时开启真空泵降低真空罐压力，压力低于设定值范围使用空压机***，开启空气阀补充干燥空气，保持减压舱压力在设定范围内；通过温度检测器检测减压舱的温度，温度设定值范围设为-40～75℃，温度高于设定值范围使用制冷蒸发器，在循环风扇作用下冷却舱内空气，温度低于设定值范围使用电加热器，在循环风扇作用下加热舱内空气，降低温度时减压舱内的水汽可能结露或结霜在制冷换热器上，制冷换热器上的承水盘和放水孔用以处理露或霜。
环境模拟测试舱工作结束后减压舱破空至常压，对结露形成的积水直接使用放水孔排除，对结霜使用热空气、常温水方法融化后通过放水孔排除。
实施例2
如图2，与实施例1相比不同点在于环境舱上半部分的减压舱采用吊装开启方式，吊装点具有多个，位于减压舱顶部或侧面上方部位，设备舱的台面上安装有支架，支架用于固定设备舱中的各种设备和检测器、电缆、管道等，支架根据上述需要固定的物体确定，支架可以具有多个。
在内部设备安装，包括电堆和相关各种设备、管道、电缆安装拆卸时，破空的无压条件下，减压舱整体吊起移动到其它位置。这种开放和直接的操作条件，有利于安装、检查、修改等工作的进行。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱，其特征在于，环境模拟测试舱呈立方体或圆柱体，上半部分为减压舱，下半部分为设备舱；
环境模拟测试舱包括电缆***、控制***、冷却***、真空泵***、空压机***、破空***、空气循环***、工作流体输送***；
所述电缆***分为两部分，一部分为电堆电力和通讯***，另一部分为环境模拟测试舱电力和通讯***；电堆电力和通讯***包括：顺序连接的电堆的舱外电力和通讯电缆，通过电堆的舱外电力和通讯接口，连接到电堆的舱内电力和通讯电缆，然后连接到电堆、电堆自有的各种用电器、电堆附加的各种检测器；环境模拟测试舱电力和通讯***包括：环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆，环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口，环境模拟测试舱的舱内电力和通讯电缆；环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆通过环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口，连接到环境模拟测试舱的舱内电力和通讯电缆，连接到设备舱控制器，从设备控制器连接到舱内各种用电器、各种检测器；其中的环境模拟测试舱电力独立于外置测试台；
所述控制***具体包括位于设备舱内的控制器，控制器通过位于设备舱外壳上的环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆接口连接环境模拟测试舱的舱外电力和通讯电缆，从而与外界相连；
所述冷却***包括位于设备舱的制冷主机及与制冷主机电联并位于减压舱的制冷蒸发器、制冷换热器、导热定位板，制冷蒸发器、制冷换热器设于减压舱内的空气循环***内，制冷换热器设于减压舱内的导热定位板下方，导热定位板上方设有电堆，制冷蒸发器、制冷换热器都具有承水盘、解冻加热器和放水孔；
所述真空泵***设于设备舱内，包括顺序连接的排气口、真空泵、真空罐、真空阀，真空罐上设有真空罐压力检测器，排气口连接外界，真空阀具有管道通往减压舱；
所述空压机***设于设备舱内，包括空压机进气口、空气压缩机、空气储罐、空气阀、排水阀、排水口，空压机进气口连接空气压缩机，空气压缩机连接空气储罐，空气储罐上连有排水阀及空气阀，排水阀另一端与排水口连接，空气储罐上设有空气储罐压力检测器，空气储罐内包含冷冻干燥器，空压机进气口与排水口均连接外界，空气阀具有管道通往减压舱；
所述破空***设于设备舱内，包括位于设备舱内部的破空阀及与破空阀连接的破空口，破空口连接外界，破空阀具有管道通往减压舱；
所述空气循环***包括设于减压舱的制冷蒸发器、制冷换热器、循环风扇、雾化器、电加热器、集成检测器，设于设备舱的雾化供水泵、去离子水罐，其中制冷蒸发器、制冷换热器与设备舱中的制冷主机相连，循环风扇设于制冷蒸发器上方，雾化器设于循环风扇上方，雾化器顺序连接雾化供水泵、去离子水罐，电加热器设于雾化器上方，集成检测器设于电加热器上方；其中所述集成检测器包括温度、压力、湿度、可燃气体浓度检测，集成检测器设有一个或多个且至少有一个集成检测器设于电加热器上方；
所述工作流体输送***包括外流体输送管组、流体内外接口、内流体管组；其中
位于减压舱的电堆连接位于减压舱内的内流体管组，内流体管组另一端与贯穿减压舱与设备舱的流体内外接口相接，流体内外接口另一端与位于设备舱且连接外界的外流体输送管组连接；
所述减压舱的顶部设有可活动的顶部舱板，所述顶部舱板边缘压在框架上部依靠柔性的橡胶密封板在压差下密封，减压舱底部设有放置电堆的台面，减压舱的侧面局部或整体可开启并设有观测窗，减压舱内部多处具有防爆照明。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱，其特征在于，环境模拟测试舱上半部分的减压舱采用吊装开启方式。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱，其特征在于，所述减压舱为耐压容器，顶部舱板为耐压保温舱板。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱，其特征在于，所述制冷蒸发器设有一个或多个。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱，其特征在于，所述真空泵使用液环真空泵，极限真空度在-0.06～-0.07MPag。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池水冷电堆的环境模拟测试舱的使用方法，其特征在于，具体使用方法为：通过压力检测器检测减压舱的压力，压力设定值范围设为0.05MPa～环境大气压之间，压力高于设定值范围使用真空泵***，开启真空阀降低减压舱压力，当真空罐真空度不足时开启真空泵降低真空罐压力，压力低于设定值范围使用空压机***，开启空气阀补充干燥空气，保持减压舱压力在设定范围内；通过温度检测器检测减压舱的温度，温度设定值范围设为-40～75℃，温度高于设定值范围使用制冷蒸发器，在循环风扇作用下冷却舱内空气，温度低于设定值范围使用电加热器，在循环风扇作用下加热舱内空气，降低温度时减压舱内的水汽可能结露或结霜在制冷换热器上，制冷换热器上的承水盘和放水孔用以处理露或霜；环境模拟测试舱工作结束后减压舱破空至常压，对结露形成的积水直接使用放水孔排除，对结霜使用热空气、常温水方法融化后通过放水孔排除。
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