CN114759225B - 燃料电池水气分离器测试***和测试方法 - Google Patents

Abstract

燃料电池水气分离器测试***和测试方法，该测试***包括：恒温环境装置、湿气供应装置、变载工况控制机构、液态水收集装置和传感器组件，恒温环境装置用于给水气分离器提供模拟该水气分离器实际使用时的环境温度，湿气供应装置用于提供具有预设湿度的检测气体，变载工况控制机构用于实现变载工况的模拟，液态水收集装置用于收集该水气分离器分离出的液态水，传感器组件用于检测所述测试***中一些预设位置上的参数，从而方便计算和获取该水气分离器的工作效率。

Description

燃料电池水气分离器测试***和测试方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，更详而言之地涉及一种燃料电池水气分离器测试***和测试方法。

背景技术

在基于质子交换膜的燃料电池***中，会在燃料电池***的阳极氢气路布置有水气分离器、氢气循环泵、喷氢阀、排氢/排水阀。由于燃料电池的核心部件质子交换膜具有水和气体的渗透性，因此在燃料电池阴极由于电化学反应生成的水会扩散到燃料电池的阳极。在燃料电池***中，为了保证阳极氢气的高效利用，常见的燃料电池***方案是在燃料电池的阳极路使用氢气循环的方式，即从燃料电池阳极排出的未参与电化学反应的氢气重新循环到燃料电池阳极入口。为了避免或尽量减少从燃料电池阴极扩散到阳极的水分通过循环回到燃料电池阳极，进而影响燃料电池的性能，燃料电池阳极的出口会布置水气分离器，以确保干燥的氢气循环到燃料电池阳极入口。

因此水气分离器的分离效果会直接影响到燃料电池工作的性能。所以需要设计一套简单可行的设备，既能模拟出燃料电池阳极实际的工作条件(包括压力、温度、湿度)和使用环境(变载、长时间低功率、长时间大功率)；还能保证整套测试设备处于较低能耗的工作状态，从而节约测试成本；最后可以快速、准确的评估出被测件水气分离器在实际燃料电池***中的工作效率。

中国发明专利202010850967.4公开了一种燃料电池气液分离器测试***和方法，其测试***包括：氢气瓶、通气阀、喷雾加湿器、加热箱、气液分离器、散热器、泄压阀、循环泵、第一集水器和第二集水器；喷雾加湿器包括箱体；箱体上设有进气口、出气口和循环口；进气口和出气口在竖直方向上均高于循环口；箱体中设有雾化喷头；氢气瓶通过通气阀连通进气口；出气口依次通过加热箱、气液分离器、散热器、泄压阀和循环泵连通循环口；第一集水器的集水口连通加热箱的出气端；第二集水器的集水口连接气液分离器的排水口。本发明能够模拟出燃料电池的不同输出功率下气液分离器的实际工作环境，实现了对燃料电池气液分离器的分离效率的测试。

这种技术方案有以下缺陷：1、***中设置了多个储水罐，***复杂度较高，测量的准确度较低；2、该套***无法模拟出燃料电池在变载工况下气液分离器的实际工作环境，因此也无法对燃料电池在变载工况下，气液分离器的工作状况进行实验；3、该套***在模拟燃料电池低功率运行的工况下，该方案中提到的分离效率计算方法则精度较低；4、该方案使用了喷雾加湿器，并需要控制喷雾液滴的大小，这与燃料电池阳极水蒸气的产生机理不同；5、该方案使用了氢气作为测试气源，增加了实验的成本和实验的危险性。

中国发明专利202111093847.5一种燃料电池分水件测试装置及测试方法，其测试装置包括高压气源、压力调节阀、控制流量计、鼓泡加湿罐、热交换器、循环水泵、喷淋器、露点检测仪、分水件、排水阀和TVP粒径分布仪，高压气源与控制流量计连接，控制流量计与鼓泡加湿罐的气体入口连接，鼓泡加湿罐的气体出口连接至分水件，鼓泡加湿罐的循环入口和循环出口之间连接有热交换器和循环水泵，鼓泡加湿罐的水出口与气体出口的管路之间依次连接有露点检测仪和喷淋器，分水件的液体出口连接排水阀、气体出口连接TVP粒径分布仪。本发明能够模拟电堆下的运行状态，进而对在该模拟的电堆运行状态下的分水件进行单独性能测试，测试效果准确、效率高、成本低。

这种技术方案有以下缺陷：1、方案***通过TVP粒径分析仪来评估液态水的多少，设备成本昂贵，且水气分离器的分水效率评估完全受制于TVP粒径分布仪的测试精度，导致整个实验的测试精度降低；2、该方案设备无法模拟燃料电池变载工况，进而无法实时的评估水气分离器在燃料电池变载工况下的分离效率；3、该方案测试方法中要首先获取燃料电池电堆工作时氢气出口位置的温度、压力及流量，因此高度依赖燃料电池电堆实验，无法对燃料电池电堆极限工况下 (如高温、高湿、高寒条件)水气分离器的分离效率做出评估；4、该方案中采用了氢气作为高压气源，增加了测试实验的成本和危险性。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一种燃料电池水气分离器测试***和测试方法，其中所述燃料电池水气分离器测试***能够模拟燃料电池的变载工况，从而能够评估燃料电池水气分离器在燃料电池变载工况下的分离效率。

本发明的一个优势在于提供一种燃料电池水气分离器测试***和测试方法，其中所述燃料电池水气分离器测试***利用尽可能少的传感器，和利用数量较少和精度较高的信号，来快速评估出燃料电池水气分离器的工作效果，并降低测试***的复杂度。

本发明的一个优势在于提供一种燃料电池水气分离器测试***和测试方法，其中所述燃料电池水气分离器测试***利用温度计、压力计和湿度计这些普通的传感器，从而不需要复杂的传感器如上述粒径分析仪来评估液态水的多少。

本发明的一个优势在于提供一种燃料电池水气分离器测试***和测试方法，其中所述燃料电池水气分离器测试***能够通过空气或氮气等成本低、较安全的气体对燃料电池水气分离器的性能进行测试。

本发明的一个优势在于提供一种燃料电池水气分离器测试***和测试方法，其中所述燃料电池水气分离器测试***能够对燃料电池水气分离器在工作时的外部环境如温度环境和湿度环境进行模拟，从而能够尽量模拟水气分离器的实际工作环境，从而提高燃料电池水气分离器的性能测试的准确性。

本发明的一个优势在于提供一种燃料电池水气分离器测试***和测试方法，其中所述测试方法考虑了测试***中的设备及管路布置对水气分离器的工作效率的影响，考虑了算法误差对燃料电池水气分离器的工作效率的影响，考虑了被测的水气分离器实际工作外界温度的对燃料电池水气分离器的工作效率的影响，考虑了湿气体到水气分离器之间温度对燃料电池水气分离器的工作效率的影响，以使测试方法相对更准确。

本发明的一个优势在于提供一种燃料电池水气分离器测试***和测试方法，其中所述燃料电池水气分离器测试***和测试方法能够准确、快速、便捷、安全地评估出燃料电池水气分离器的工作效果。

依本发明的一个方面，本发明进提供燃料电池水气分离器测试***，用于对水气分离器的工作效率进行测试，其包括：

恒温环境装置，其包括恒温环境箱和第二加热器，该水气分离器适于被设置在所述恒温环境箱内；

湿气供应装置，其包括鼓风机和增湿器，所述增湿器用于将来自所述鼓风机的检测气体进行加湿处理以形成湿气体；

变载工况控制机构，其包括第一加热器、缓冲罐、增湿支路装置和冷却水路装置，所述第一加热器用于将来自所述增湿器的该湿气体升温以降低该湿气体的湿度，所述增湿支路装置包括第一可控三通阀、第一散热器和单向阀，所述第一可控三通阀连接于所述第一加热器，以将来自所述第一加热器的该湿气体分流两个支路，其中一个支路上设置有所述第一散热器和所述单向阀，另一个支路连接于所述缓冲罐，所述单向阀确保该湿气体从所述第一散热器朝向所述缓冲罐的方向流动，所述冷却水路装置包括温控管路和供水管路，其中所述温控管路连接于所述恒温环境箱，并且布置成与所述第二加热器一起使所述恒温环境箱维持预设的温度，所述供水管路连接于所述增湿器，以将冷却水作为所述增湿器的液态水源，从而在液态水的供应下，所述增湿器将进入所述增湿器的该检测气体进行增湿处理而形成该湿气体；以及液态水收集装置，用于收集该水气分离器分离出的液态水。

在一些实施例中，所述变载工况控制机构还包括湿气回流装置，其连接于该水气分离器的出口，从而将该水气分离器出来的气体回流至所述增湿器，其中所述增湿器的气体具有连通于所述鼓风机的主干气体入口和连通于所述湿气回流装置的副湿气体入口，从而进入所述增湿器的该检测气体包括来自所述鼓风机的主干气体和来自所述湿气回流装置的副湿气体，该主干气体和该副湿气体在所述增湿器中混合后形成用于测试的该湿气体。

在一些实施例中，所述变载工况控制机构的所述湿气回流装置包括回流管路和设置在所述回流管路上的第二可控三通阀和第一可变节流阀，所述第二可控三通阀将来自于该水气分离器的该副湿气体分流成两个支路，一个支路到达所述鼓风机，另一个支路到达所述增湿器，其中所述第一可变节流阀设置在所述第二可控三通阀和所述增湿器之间，从而控制调整所述第二可控三通阀和所述第一可变节流阀，使该副湿气体循环回流进入所述增湿器或所述鼓风机，有助于节能以及降低所述增湿器中相对湿度的波动。

在一些实施例中，所述冷却水路装置在连接于所述增湿器的所述供水管路上还设置有水泵、第二散热器、第三可控三通阀和第二可变节流阀，其中所述水泵用来作为驱动装置以实现冷却水的流动，并且通过调整其功率以用于对进入所述增湿器的液态水流量进行控制，所述第二散热器用来控制进入所述增湿器的液态水的温度，所述冷却水路装置的所述第三可控三通阀将冷却路分为两个支路，其中一个支路流过所述第二可变节流阀进入所述增湿器，通过所述第二可变节流阀来调节进入所述增湿器的液态水流量，另一个支路通过开关阀连接冷却水出口。

在一些实施例中，所述液态水收集装置包括液态水收集器、液位传感器和排水阀，所述液态水收集器连接于该水气分离器以用于收集该水气分离器分离出来的液态水，所述液位传感器用于采集上报收集液态水的数量，当液位达到所述液态水收集装置设定上限时，触发所述排水阀，所述排水阀连接于所述冷却水路装置，从而将收集的液态水回流到所述冷却水路装置。

在一些实施例中，所述湿气供应装置还包括湿气供应管路，其将所述增湿器连接于所述第一加热器，所述变载工况控制机构还包括位于所述增湿器和所述第一加热器之间并设于所述湿气供应管路上的调压阀，所述调压阀用于调节该湿气体进入该水气分离器的压力，进而模拟燃料电池电堆阳极产生的压力损失。

在一些实施例中，所述湿气供应装置还包括设置于所述增湿器和所述第一加热器之间的第一流量计，用于测量所述增湿器的出口的该湿气体流量W1，所述湿气回流装置还包括设置于该水气分离器和所述第二可控三通阀之间的第二流量计，用于测量该水气分离器回流的该副湿气体的流量W2，其中所述燃料电池水气分离器测试***还包括传感器组件，所述传感器组件包括：

在所述增湿器的出口、所述缓冲罐上、所述恒温环境箱上分别设置的第一温度计、第二温度计和第三温度计，以分别测定所述增湿器出口该湿气体的温度 T1、所述缓冲罐中该湿气体的温度T2、所述恒温环境箱内的温度T3；

在所述增湿器出口、所述缓冲罐上、所述第一加热器出口分别设置的第一湿度计、第二湿度计和第三湿度计，分别测量所述增湿器出口相对湿度Φ1、所述缓冲罐出口相对湿度Φ2和所述第一加热器出口相对湿度Φ3；以及

在所述增湿器出口、所述缓冲罐上分别设置的第一压力计和第二压力计，其中所述第一压力计用于测量所述增湿器出口中的该湿气体的压力P1，所述第二压力计用于测量所述缓冲罐中该湿气体的压力P2。

依本发明的另一方面，本发明进一步提供燃料电池水气分离器测试方法，用于对水气分离器的工作效率进行测试，其包括步骤：

(A)获取考虑燃料电池测试***的设备的影响下该水气分离器的工作效率η₁；

(B)获取考虑算法误差影响下的该水气分离器的工作效率η₂；

(C)获取考虑该水气分离器实际工作外界温度的影响下该水气分离器的工作效率η₃；

(D)获取考虑湿气体到该水气分离器之间温度影响下的该水气分离器的工作效率η₄；以及

(E)获取该水气分离器的工作效率η_total；其中

η_total＝ε₁η₁+ε₂η₂+ε₃η₃+ε₄η₄

其中ε₁、ε₂、ε₃、ε₄为分别对应所述步骤(A)、所述步骤(B)、所述步骤(C)、所述步骤(D)中得到的加权参数，加权参数的取值与每一步中测试实验的时间成正比，并满足

ε₁+ε₂+ε₃+ε₄＝1。

可以理解的是上述步骤(A)、步骤(B)、步骤(C)和步骤(D)之间可以没有先后顺序。优选地，上述测试方法按照上述步骤(A)、步骤(B)、步骤(C) 和步骤(D)的先后顺序执行。

在一些实施例中，所述步骤(A)中进入该水气分离器的该湿气体的温度T2 和该水气分离器出口的气体温度T3均大于露点温度Tdew，η₁为在测试时间t1 阶段内该水气分离器出口的气体重量和该水气分离器分离出的液态水的重量之间的差值与进入该水气分离器的气体重量的比值；

所述步骤(B)中进入该水气分离器的该湿气体的温度T2和该水气分离器出口的气体温度T3均等于该露点温度Tdew，η₂为在测试时间t2阶段内该水气分离器出口的气体重量和该水气分离器分离出的液态水的重量之间的差值与进入该水气分离器的气体重量的比值；

所述步骤(C)中进入该水气分离器的该湿气体的温度T2大于该露点温度Tdew，该水气分离器出口的气体温度T3小于露点温度Tdew，η₃为在测试时间 t3阶段内该水气分离器分离出的液态水的重量的差值与理论上会产生的液态水的重量的比值；

所述步骤(D)中进入该水气分离器的该湿气体的温度T2和该水气分离器出口的气体温度T3相等并且小于该露点温度Tdew，η₄为在测试时间t4阶段内该该水气分离器分离出的液态水的重量与理论上会产生的液态水的重量的比值。

依本发明的另一方面，本发明提供燃料电池水气分离器测试方法，其利用燃料电池水气分离器测试***对水气分离器的工作效率进行测试，

其中所述燃料电池水气分离器测试***包括：

恒温环境装置，其包括恒温环境箱和第二加热器，该水气分离器适于被设置在所述恒温环境箱内；

湿气供应装置，其包括鼓风机和增湿器，所述增湿器用于将来自所述鼓风机的检测气体进行加湿处理以形成湿气体；

变载工况控制机构，其包括第一加热器、缓冲罐、增湿支路装置和冷却水路装置，所述第一加热器用于将来自所述增湿器的该湿气体升温以降低该湿气体的湿度，所述增湿支路装置包括第一可控三通阀、第一散热器和单向阀，所述第一可控三通阀连接于所述第一加热器，以将来自所述第一加热器的该湿气体分流两个支路，其中一个支路上设置有所述第一散热器和所述单向阀，另一个支路连接于所述缓冲罐，所述单向阀确保该湿气体从所述第一散热器朝向所述缓冲罐的方向流动，所述冷却水路装置包括温控管路和供水管路，其中所述温控管路连接于所述恒温环境箱，并且布置成与所述第二加热器一起使所述恒温环境箱维持预设的温度，所述供水管路连接于所述增湿器，以将冷却水作为所述增湿器的液态水源，从而在液态水的供应下，所述增湿器将进入所述增湿器的该检测气体进行增湿处理而形成该湿气体；

液态水收集装置，用于收集该水气分离器分离出的液态水；以及传感器组件，其包括：在所述增湿器的出口、所述缓冲罐上、所述恒温环境箱上分别设置的第一温度计、第二温度计和第三温度计，以分别测定所述增湿器出口该湿气体的温度T1、所述缓冲罐中该湿气体的温度T2、所述恒温环境箱内的温度T3；

其中所述测试方法包括如下步骤：

(a)调整控制所述湿气供应装置、所述变载工况控制机构和所述恒温环境装置，以使所述增湿器的湿气体出口湿度在此步骤中具有多个不同湿度工况并且使露点温度Tdew<T3＝T2＝T1，获取在此工况下该水气分离器的工作效率η₁；

(b)调整控制所述湿气供应装置、所述变载工况控制机构和所述恒温环境装置，以使所述增湿器的湿气体出口湿度在此步骤中具有多个不同湿度工况并且使T3＝T2＝Tdew，获取在此工况下该水气分离器的工作效率η₂；

(c)调整控制所述湿气供应装置、所述变载工况控制机构和所述恒温环境装置，以使所述增湿器的湿气体出口湿度在此步骤中具有多个不同湿度工况并且使T3<T2＝T1，T3<Tdew，获取在此工况下该水气分离器的工作效率η₃；

(d)调整控制所述湿气供应装置、所述变载工况控制机构和所述恒温环境装置，以使所述增湿器的湿气体出口湿度在此步骤中具有多个不同湿度工况并且使T3＝T2＜T1，且T3＝T2＜Tdew，获取在此工况下该水气分离器的工作效率η₄；

(e)通过η₁、η₂、η₃、η₄来计算该水气分离器的综合工作效率η_total，其中

η_total＝ε₁η₁+ε₂η₂+ε₃η₃+ε₄η₄

其中ε₁、ε₂、ε₃、ε₄为分别对应所述步骤(a)、所述步骤(b)、所述步骤(c)、所述步骤(d)中得到的加权参数，加权参数的取值与每一步中测试实验的时间成正比，并满足

ε₁+ε₂+ε₃+ε₄＝1。

可以理解的是上述步骤(a)、步骤(b)、步骤(d)和步骤(d)之间可以没有先后顺序。优选地，上述测试方法按照上述步骤(a)、步骤(b)、步骤(d) 和步骤(d)的先后顺序执行。

在一些实施例中，在上述方法中，所述变载工况控制机构还包括湿气回流装置，其连接于该水气分离器的出口，从而将该水气分离器出来的气体回流至所述增湿器，其中所述增湿器的气体具有连通于所述鼓风机的主干气体入口和连通于所述湿气回流装置的副湿气体入口，从而进入所述增湿器的该检测气体包括来自所述鼓风机的主干气体和来自所述湿气回流装置的副湿气体，该主干气体和该副湿气体在所述增湿器中混合后形成用于测试的该湿气体，所述湿气回流装置包括回流管路和设置在所述回流管路上的第二可控三通阀和第一可变节流阀，所述第二可控三通阀将来自于该水气分离器的该副湿气体分流成两个支路，一个支路到达所述鼓风机，另一个支路到达所述增湿器，其中所述第一可变节流阀设置在所述第二可控三通阀和所述增湿器之间，从而控制调整所述第二可控三通阀和所述第一可变节流阀，使该副湿气体循环回流进入所述增湿器或所述鼓风机，有助于节能以及降低所述增湿器中相对湿度的波动；

所述冷却水路装置在连接于所述增湿器的所述供水管路上还设置有水泵、第二散热器、第三可控三通阀和第二可变节流阀，其中所述水泵用来作为驱动装置以实现冷却水的流动，并且通过调整其功率以用于对进入所述增湿器的液态水流量进行控制，所述第二散热器用来控制进入所述增湿器的液态水的温度，所述冷却水路装置的所述第三可控三通阀将冷却路分为两个支路，其中一个支路流过所述第二可变节流阀进入所述增湿器，通过所述第二可变节流阀来调节进入所述增湿器的液态水流量，另一个支路通过开关阀连接冷却水出口；

所述湿气供应装置还包括湿气供应管路，其将所述增湿器连接于所述第一加热器，所述变载工况控制机构还包括位于所述增湿器和所述第一加热器之间并设于所述湿气供应管路上的调压阀，所述调压阀用于调节该湿气体进入该水气分离器的压力，进而模拟燃料电池电堆阳极产生的压力损失；

所述湿气供应装置还包括设置于所述增湿器和所述第一加热器之间的第一流量计，用于测量所述增湿器的出口的该湿气体流量W1，所述湿气回流装置还包括设置于该水气分离器和所述第二可控三通阀之间的第二流量计，用于测量该水气分离器回流的该副湿气体的流量W2；

所述传感器组件还包括：在所述增湿器出口、所述缓冲罐上、所述第一加热器出口分别设置的第一湿度计、第二湿度计、和第三湿度计，分别测量所述增湿器出口相对湿度Φ1、所述缓冲罐出口相对湿度Φ2和所述第一加热器出口相对湿度Φ3；以及在所述增湿器出口、所述缓冲罐上分别设置的第一压力计和第二压力计，其中所述第一压力计用于测量所述增湿器出口中的该湿气体的压力P1，所述第二压力计用于测量所述缓冲罐中该湿气体的压力P2。

在一些实施例中，其中所述步骤(a)具体包括步骤：调整控制所述鼓风机、所述水泵、所述第二可控三通阀、所述调压阀、所述第一可变节流阀和所述第二可变节流阀，确保所述增湿器湿气体出口湿度Φ1具有多个不同湿度工况，压力 P1的目标值和温度T1的目标值参照该水气分离器应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，控制调整所述第一加热器、所述第二加热器、控制所述第一可控三通阀，保证T3＝T2＝T1，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，计算在此工况下该水气分离器的工作效率η₁；

所述步骤(b)具体包括步骤：调整控制所述鼓风机、所述水泵、所述第二可控三通阀、所述调压阀、所述第一可变节流阀和所述第二可变节流阀，确保所述增湿器湿气体出口湿度Φ1具有多个不同湿度工况，压力P1的目标值和温度 T1的目标值参照该水气分离器应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，通过P1和Φ1，查饱和水蒸气表得到Tdew，控制调整所述第一加热器、所述水泵、所述第一可控三通阀，保证T3＝T2＝Tdew，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，计算在此工况下该水气分离器的工作效率η₂；

所述步骤(c)具体包括步骤：调整控制所述鼓风机、所述水泵、所述第二可控三通阀、所述调压阀、所述第一可变节流阀和所述第二可变节流阀，确保所述增湿器湿气体出口湿度Φ1具有多个不同湿度工况，压力P1的目标值和温度 T1的目标值参照该水气分离器应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，通过P1和Φ1，查饱和水蒸气表得到Tdew，控制调整所述第一加热器、所述水泵、所述第一可控三通阀，保证T3＜T2＝T1，T3＝Tdew-N℃，其中N数值范围为 1-10，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，并基于理论上会产生的液态水m_ideal计算在此工况下该水气分离器的工作效率η₃；

所述步骤(d)具体包括步骤：调整控制所述鼓风机、所述水泵、所述第二可控三通阀、所述调压阀、所述第一可变节流阀和所述第二可变节流阀，确保所述增湿器湿气体出口湿度Φ1具有多个不同湿度工况，压力P1的目标值和温度 T1的目标值参照该水气分离器应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，通过P1和Φ1，查饱和水蒸气表得到Tdew，控制调整所述第一加热器、所述水泵、所述第一可控三通阀保证T3＝T2＜T1，且T3＝T2＝Tdew-N℃，其中N数值范围为1-10，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，并基于理论上会产生的液态水m_ideal计算在此工况下该水气分离器的工作效率η₄。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的燃料电池水气分离器测试***的框图示意图。

图2示意了根据本发明的上述优选实施例的所述燃料电池水气分离器测试***的具体布图。

图3是根据本发明的上述优选实施例的所述燃料电池水气分离器测试***在每个步骤中的相对湿度工况的示意图。

图4是根据本发明的上述优选实施例的的所述燃料电池水气分离器测试方法的一个示例的流程示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1所示是根据本发明的一个优选实施例的燃料电池水气分离器测试***100，用于对水气分离器1的工作效果进行评估和测试，其包括恒温环境装置10、湿气供应装置20、变载工况控制机构30、液态水收集装置40和传感器组件50。其中该水气分离器1适于被置于所述恒温环境装置10内，所述恒温环境装置10 用于给该水气分离器1提供模拟该水气分离器1实际使用时的环境温度，所述湿气供应装置20用于提供具有预设湿度的检测气体，所述变载工况控制机构30用于实现变载工况的模拟，所述液态水收集装置40用于收集该水气分离器1分离出的液态水，所述传感器组件50用于检测所述测试***中一些预设位置上的参数，从而方便计算和获取该水气分离器1的工作效率。

更具体地，所述湿气供应装置20包括鼓风机21和增湿器22，其中所述鼓风机21连接于一外部气源装置，例如可以是空压机，所述增湿器22连接于所述鼓风机21，其中该检测气体优选是干燥的气体，其由该外部气源装置通过所述鼓风机21送入所述增湿器22以增加该检测气体的湿度，这样经所述增湿器22增湿后的该检测气体进入所述变载工况控制机构30并进一步地被输送到达所述恒温环境装置10内的该水气分离器1，该水气分离器1处于工作状态时将***中产生中液态水分离。

该检测气体可以是方便用来实验检测的气体，可以采用氢气、空气、氮气或氦气等。值得一提的是，优选地，该检测气体可以不采用氢气这样有一定的危险并且成本较高的气体，而是选择成本低又相对安全的空气或氮气，从而方便对燃料电池的该水气分离器1的性能进行测试。

所述增湿器22可以是喷淋式增湿器、膜交换式增湿器或其他可能的增湿器。在有用于增湿的液态水供应至所述增湿器22时，所述增湿器22，如是喷淋式增湿器时，可以通过其喷淋头喷出液态水，以使该检测气体中混入液态水而提高该检测气体的湿度从而形成湿气体。

所述变载工况控制机构30用于实现该水气分离器1工作时的变载工况的模拟。更具体地，所述变载工况控制机构30包括第一加热器31、缓冲罐32、增湿支路装置33、冷却水路装置34。所述第一加热器31通过管路连接于所述增湿器 22，用于加热该湿气体从而通过加热升温的方式使该湿气体快速降低到预设的低于饱和湿度(相对湿度100％)的目标相对湿度。所述第一加热器31可以包括加热管道和加热元件，所述加热管道通过管路连接于所述增湿器22，所述加热元件，可以是电加热装置、流体加热装置等，其设置于所述加热管道，以用于将到达所述加热管道内的该湿气进行加热。

所述缓冲罐32通过管路连接于所述第一加热器31，所述缓冲罐32的设置一方面使得高速流动或对高速流动或变工况下的流体状态，如温度、流量、压力得到准确的控制；另一方面是通过所述缓冲罐32的体积的选择，可以直接模拟出实际燃料电池***中位于燃料电池和该水气分离器1之间的管路部分。

所述缓冲罐32具有出口321，其连通于该水气分离器1，例如通过管路连接所述缓冲罐32和该水气分离器1，从而所述缓冲罐32内的该湿气体从所述出口 321进入该水气分离器1，以用来测试该水气分离器1的工作效率。

所述缓冲罐32还具有排放口322，其通过限压阀323与大气相连，与大气相连的所述排放口322，也可以和其它外部可接受湿气体的设备连接。所述限压阀 323的压力限值根据该测试气体和实际燃料电池***阳极安全压力来确定，因此所述限压阀323也可以起到安全作用。另外所述限压阀323也可以作为泄压阀，即当测试实验完成后，可以通过所述阀门323排出滞留在所述缓冲罐32中的该湿气体。

所述增湿支路装置33包括第一可控三通阀331、第一散热器332和单向阀 333。所述第一可控三通阀331通过管路连接于所述第一加热器31，以将来自所述第一加热器31的该湿气体分流两个支路3311和3312，其中一个第一支路3311 上设置有所述第一散热器332和所述单向阀333，另一个第二支路3312连接于所述缓冲罐32。

当湿度工况中需要快速升高相对湿度，则控制第一可控三通阀331，使所述第一支路3311内的该湿气体流经所述第一散热器332和所述单向阀333，再与另外的所述第二支路3312流出的该湿气体混合后再经由所述缓冲罐32进入该水气分离器1。所述单向阀333能够确保该湿气体从所述第一散热器332朝向所述缓冲罐32和该水气分离器1的方向流动，防止该湿气体的逆流，以保证所述第一散热器332正常工作。

所述恒温环境装置10用来模拟该水气分离器1实际使用的外部环境温度，其包括恒温环境箱11和第二所述第一加热器312，该水气分离器1被置于所述恒温环境箱11内，从所述缓冲罐32的所述出口321出来的该湿气体被导入置于所述恒温环境箱11内的该水气分离器1。

所述冷却水路装置34连接于一外部冷却水源，并且包括温控管路341，以用于连接于所述恒温环境装置10。更具体地，所述恒温环境箱11与所述冷却水路装置34的所述温控管路341连接并且布置成可通过所述第二加热器12对布置在所述恒温环境箱11附近的所述冷却水路装置34的所述温控管路341的部分管路中的循环水按照实验需求进行加热，进而快速改变所述恒温环境箱11内的温度。

所述冷却水路装置34还包括供水管路342，其连接于所述增湿器22，以用于向所述增湿器22提供液态水，从而在液态水的供应下，所述增湿器22将进入所述增湿器22的气体进行增湿处理。通过控制所述冷却水路装置34的输送进入所述增湿器22的进水量，可以调整所述增湿器22内的气体的湿度。也就是说，在本发明的这个实施例中，所述增湿器22的液态水的供应来源是冷却水，从而能够合理的利用水源，避免额外的单独的供水装置。

所述变载工况控制机构30还包括湿气回流装置35，其连接于该水气分离器 1的出口，从而将该水气分离器1出来的气体回流至所述增湿器22。相应地，所述增湿器22的气体入口有两个，分别是主干气体入口221和副湿气体入口222。所述增湿器中的主干气体来自所述鼓风机21供气，副湿气体来自该水气分离器 1的气体出口。因此所述增湿器22的主干气体入口2221连通于该检测气体的气源如空压机，副湿气体入口222连通于该水气分离器1，主干气体和副湿气体在所述增湿器22中混合后形成用于测试的该湿气体。

也就是说，在本发明的这个优选实施例中，进入该水气分离器1的该湿气体的相对湿度通过所述变载工况控制机构30的所述第一加热器31、所述增湿支路装置33、所述冷却水路装置34和所述湿气回流装置35来控制。更具体地，通过所述第一加热器31用于加热该湿气体从而通过加热升温的方式使该湿气体快速降低湿度，所述增湿支路装置33用于升高该湿气体的湿度，所述冷却水路装置34通过改变输送进入所述增湿器22的液态水的流量控制该湿气体的湿度，所述湿气回流装置35通过向所述增湿器22输送该副湿气体与所述鼓风路21输送的该主干气体混合从而调整最后混合形成的该湿气体的湿度。

另外，如图1和图2所示，所述湿气回流装置35包括回流管路351和设置在所述回流管路351上的第二可控三通阀352和第一可变节流阀353，所述第二可控三通阀352将来自于该水气分离器1的该副湿气体分流成两个支路，一个支路到达所述鼓风机21，另一个支路到达所述增湿器22，其中所述第一可变节流阀353设置在所述第二可控三通阀352和所述增湿器22之间，从而由于该副湿气体具有一定高温和湿度，控制调整所述第二可控三通阀352和所述第一可变节流阀353，使该副湿气体循环回流进入所述增湿器22或所述鼓风机21，有助于节能以及降低所述增湿器22中相对湿度的波动。

所述冷却水路装置34在连接于所述增湿器22的所述供水管路342上还设置有水泵343、第二散热器344、第三可控三通阀345和第二可变节流阀346，其中所述水泵343用来作为驱动装置以实现冷却水的流动，并且通过调整其功率以用于对进入所述增湿器22的液态水流量进行控制，所述第二散热器344用来控制进入所述增湿器22的液态水的温度。

所述冷却水路装置34所述第三可控三通阀345将冷却路分为两个支路，其中一个第一支路3451流过所述第二可变节流阀346进入所述增湿器22，通过所述第二可变节流阀3462来调节进入所述增湿器22的液态水流量，可实现不同流量的液态水进入所述增湿器22，以调整所述增湿器22内的该湿气体的湿度。另一个第二支路3452通过开关阀3453连接冷却水出口，该冷却水出口可以与******的水路连接。

所述液态水收集装置40包括液态水收集器41、液位传感器42和排水阀43，所述液态水收集器41连接于该水气分离器1以用于收集该水气分离器1分离出来的液态水。所述液位传感器42可以采集上报收集液态水的数量，当液位达到所述液态水收集装置40设定上限时，触发所述排水阀43，所述排水阀43连接于所述冷却水路装置34，从而将收集的液态水回流到所述冷却水路装置34。

所述湿气供应装置20还包括湿气供应管路23，其将所述增湿器22连接于所述第一加热器31，所述变载工况控制机构30还包括位于所述增湿器22和所述第一加热器31之间并设于所述湿气供应管路23上的调压阀36，所述调压阀36 是为了调节该湿气体进入该水气分离器1的压力，进而模拟燃料电池电堆阳极产生的压力损失，该压力损失由该水气分离器1应用于目标燃料电池电堆单独测试得到。

所述湿气供应装置20还包括设置于所述增湿器22和所述第一加热器31之间的第一流量计24，用于测量所述增湿器22的出口的该湿气体流量W1。所述湿气回流装置35还包括设置于该水气分离器1和所述第二可控三通阀352之间的第二流量计354，用于测量该水气分离器回流的该副湿气体的流量W2，其中W1和W2用于下文中该水气分离器1的工作效率的计算。

所述传感器组件50包括设置于所述所述增湿器22和所述第一加热器31之间的位于所述湿气供应管路23上的第一温度计51、第一湿度计52、第一压力计 53；设置于所述缓冲罐32的第二温度计54、第二湿度计55和第二压力计56；设置于所述恒温环境箱11的第三温度计57，以及位于所述第一加热器31和所述第一可控三通阀331之间的第三湿度计58。

可以理解的是，本发明的这个优选实施例中，在所述增湿器22的出口、所述缓冲罐32上、所述恒温环境箱11上分别设置有所述第一温度计51、所述第二温度计54和所述第三温度计57，以分别测定所述增湿器22出口该湿气体的温度T1、所述缓冲罐32中该湿气体的温度T2、所述恒温环境箱11内的温度T3。所述测试***还分别在所述增湿器22出口、所述缓冲罐32上、所述第一加热器 31出口分别设置有所述第一湿度计52、第三所述湿度计58、和所述第二湿度计 55，分别代表所述增湿器22出口相对湿度、所述第一加热器31出口相对湿度、所述缓冲罐32出口(该水气分离器1入口)相对湿度。所述第一压力计53用于测量所述增湿器22出口中的该湿气体的压力P1，所述第二压力计56用于测量所述缓冲罐32中该湿气体的压力P2。所述测试***在所述增湿器22出口和该水气分离器1出口分别设置有所述第一流量计24和所述第二流量计354，以分别测量所述增湿器22出口的该湿气体流量W1和该水气分离器1气体出口流量回流的该副湿气体的流量W2。

图4所示是根据本发明的这个优选实施例的利用上述燃料电池水气分离器测试***对该水气分离器1的工作效率进行测试的方法，其包括下述五个步骤：

(a)调整控制所述鼓风机21、所述水泵343、所述第二可控三通阀352、所述调压阀36、所述第一可变节流阀353和所述第二可变节流阀346，确保所述增湿器22湿气体出口湿度Φ1为图3中示意的湿度工况，压力P1的目标值和温度 T1的目标值参照该水气分离器1应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，控制调整所述第一加热器31、所述第二加热器12、控制所述第一可控三通阀331，保证T3＝T2＝T1，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，计算在此工况下该水气分离器1的工作效率η₁；

(b)调整控制所述鼓风机21、所述水泵343、所述第二可控三通阀352、所述调压阀36、所述第一可变节流阀353和所述第二可变节流阀346，确保所述增湿器22湿气体出口湿度Φ1为图3中示意的湿度工况，压力P1的目标值和温度 T1的目标值参照该水气分离器1应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，通过P1和Φ1，查饱和水蒸气表得到Tdew，控制调整所述第一加热器31、所述水泵343、所述第一可控三通阀331，保证T3＝T2＝Tdew，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，计算在此工况下该水气分离器1的工作效率η₂；

(c)调整控制所述鼓风机21、所述水泵343、所述第二可控三通阀352、所述调压阀36、所述第一可变节流阀353和所述第二可变节流阀346，确保所述增湿器22湿气体出口湿度Φ1为图3中示意的湿度工况，压力P1的目标值和温度 T1的目标值参照该水气分离器1应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，通过P1和Φ1，查饱和水蒸气表得到Tdew，控制调整所述第一加热器31、所述水泵343、所述第一可控三通阀331，保证T3<T2＝T1，T3＝Tdew-N℃，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，并基于理论上会产生的液态水m_ideal计算在此工况下该水气分离器1的工作效率η₃；

(d)调整控制所述鼓风机21、所述水泵343、所述第二可控三通阀352、所述调压阀36、所述第一可变节流阀353和所述第二可变节流阀346，确保所述增湿器22湿气体出口湿度Φ1为图3中示意的湿度工况，压力P1的目标值和温度 T1的目标值参照该水气分离器1应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，通过P1和Φ1，查饱和水蒸气表得到Tdew，控制调整所述第一加热器31、所述水泵343、所述第一可控三通阀331保证T3＝T2<T1，且T3＝T2＝Tdew-N℃，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，并基于理论上会产生的液态水m_ideal计算在此工况下该水气分离器1的工作效率η₄；

(e)通过η₁、η₂、η₃、η₄来计算该水气分离器1的综合工作效率η_total。

更具体地，上这每一步均采用图3中的相对湿度工况，该工况总共包括多个不同的相对湿度，例如图3中所示的10％、30％、50％、70％、40％、20％和5％的7个相对湿度的工况，每个湿度持续时间≥5min。可以理解的是，上述7个相对湿度的工况仅作为举例而不限制本发明，在其他测试方案中可以使用另外数量的工况，每个工况也可能是区别上述具体数值的相对湿度。另外，这些不同的工况通过调整控制所述鼓风机21、以及所述变载工况控制机构30的所述水泵343、所述第二可控三通阀352、所述调压阀36、所述第一可变节流阀353和所述第二可变节流阀346，确保所述增湿器22湿气体出口湿度Φ1对应于图3中的相对湿度工况。

本专利方案中建议每一步骤中的每个湿度条件保持时间一致，便于后期计算。实际工程中每一步骤的总工况时长可以不同，考虑到每一步相对湿度变载过程中对加热和散热的需求不同，可以遵循t1≤t2≤t3≤t4，本专利方案中为t1＝t2＝t3＝t4。该工况中最大相对湿度设定为70％，主要考虑实际燃料电池运行过程中，阳极出口相对湿度<100％，实际工程中采用本方案时，可以通过燃料电池水传输建模仿真对阳极出口湿度进行预测，来确定该工况中相对湿度的最大值。

在所述步骤(a)中，本发明的所述测试***的测试工况如图3，以下实施例中以湿空气为例，实际方案实施过程中，可以不局限于湿空气。所述增湿器22 中可以产生不同的相对湿度的不饱和湿气体(相对湿度<100％)，进入所述增湿器22的气体可以根据所述鼓风机21的叶轮转速进行调整。在所述第一温度计 51得到相应温度T1，控制调整所述第一加热器31对进入所述缓冲罐32内的该湿气体进行加热，进而保证所述第二温度计54得到的温度T2＝T1。因为工况中需要变载，如需要对进入所述缓冲罐32内的该湿气体降温，在减少所述第一加热器31的加热量的同时，控制所述第一可控三通阀331的开度，使部分气体流经所述第一散热器332。根据T1和T2，对所述水泵343和所述第二加热器12 进行调节，实现所述第三温度计57得到的温度T3＝T2＝T1。使该湿气体流经该水气分离器1，并在所述液态水收集装置40中记录分离的液态水重量Δm，同时在测试实验过程中实时通过所述第一流量计24和所述第二气体流量计354记录实时的气体流量W1和W2。第一步骤中该水气分离器1的工作效率η₁的计算方法如下：

本方案中以湿空气为测试工质，因此气体密度ρ＝1.29kg/m3。可以理解的是，理想状态下，所述步骤(a)中该水气分离器1的工作效率η₁＝1,实际测量时，如果η₁≠1，则此时产生的差别认为是本方案中的测试***的测试精度及设备管路布置等因素引起的，相当于η₁反映了本方案中测试***硬件方面的准确度。

在所述步骤(b)中，通过上述测试***重复图3的工况。在所述增湿器22 出口不同的相对湿度下可测得所述第一温度计51的温度T1，所述第一湿度计52 的相对湿度Φ1，所述第一压力计53的压力值P1。根据T1、Φ1、P1三个值，通过饱和水蒸气表可得到在当前水蒸气分压力对应的露点温度Tdew，因为图3 的工况中的相对湿度均小于100％，因此Tdew和T1一定满足Tdew<T1。接下来使该湿气体流经所述缓冲罐32，控制调整所述第一加热器31的加热量和所述第一可控三通阀331的开度，使部分该湿气体流经所述第一散热器332，确保所述第二温度计54的温度T2＝Tdew。湿气体通过水气分离器，通过所述第二压力计56得到湿气体压力P2，通过所述第二湿度计55得到相对湿度Φ2，此时Φ2＝1。通过控制所述第二加热器12加热量和所述水泵343的冷却水循环流量，使温度满足T3＝T2＝Tdew，并在所述液态水收集装置40中记录分离的液态水Δm，同时在测试实验过程中通过所述第一流量计24和所述第二气体流量计354实时记录气体流量W1和W2。第二步骤中水气分离器的工作效率η₂的计算方法如下

本方案中以湿空气为测试工质，因此气体密度ρ＝1.29kg/m3。理想状态下，所述步骤(b)中该水气分离器1的工作效率η₂＝1，实际测量时，如果η₂≠1，则此时产生的差别认为是本方案中算法引起的。这里算法指的是温度、压力、相对湿度之间的计算方法，方案中可采用查饱和水蒸气表或经验公式得到，由此会引起一定的误差。因此相当于η₂反映了本方案中涉及到相对湿度算法方面的准确度。所述步骤(c)的该水气分离器1的工作效率η₃计算方法如下，以下通过湿空气为例计算，在该步骤中，所述增湿器22输出图3中的相对湿度工况，即Φ1，本方案通过所述第一湿度计52测量采集得到相对湿度Φ1；所述第一压力计53测得的压力P1，该压力参考该水气分离器1应用于电堆实际工作的最大阳极出口压力，所以P1在本专利方案中为定值；所述第一温度计51测得的温度 T1，该温度参考该水气分离器1应用于电堆实际工作的最高温度，所以T1在本专利方案中为定值；

通过在温度T1下查水饱和蒸汽压表或通过下式估算饱和蒸气压P_s,1：

ln P_s，1＝-2.1764+0.2953×T1-9.1837×10^-5×T1²+1.4454×10^-7×T1³

然后计算该增湿器22出口湿空气中水蒸气的分压P_{v_1}以及含湿量d_init，其中干空气的质量流量M_g通过下式计算：

P_{v_1}＝ΦP_s，1

d_init＝0.622(Φ1P_s，1)/(P1-ΦP_s，1)

M_g＝((P2-ΦP_s，1)V)/(R_g T2)

其中R_g＝287J/(kg.K)，V是所述缓冲罐32的体积。P2和T2分别为通过所述第二压力计56测得的压力和第二温度计54测得的温度，根据水蒸气的分压P_{v_1}查饱和水蒸气表可得该湿空气的露点温度Tdew。因为在该步骤中T2＝T1，所以在所述缓冲罐32中该湿气体的露点温度不变，仍然为Tdew。在该步骤中需要控制T3，使其满足T3＝Tdew-N℃，N数值范围可以是1-10，例如5，即T3＝Tdew-5℃。根据T3在饱和水蒸气表中查表或依据下式得到T3温度下的饱和蒸气压P_s，3， lnP_s，3＝-2.1764+0.2953×T3-9.1837×10^-5×T3²+1.4454×10^-7×T3³

在本步骤中因为T3＜Tdew，因此在该水气分离器1中会有冷凝水产生，此时该水气分离器1中该湿气体的水蒸气分压P_{v_3}如下式：

P_{v_3}＝P_s，3

该水气分离器1中该湿气体的含湿量：

这一步中理论上会产生的液态水m_ideal和分离效率η₃通过下式计算：

m_ideal＝∫₀ ^t3M_g(d_init-d_after，3)dt

上式中Δm是在所述步骤(c)中该水气分离器1得到的液态水的质量。所述步骤(d)中该水气分离器1的工作效率η₄计算方法如下，以下通过湿空气为例计算，在该步骤中，所述增湿器22输出图3中的相对湿度工况(即Φ1)。本方案通过所述第一湿度计52测量采集得到相对湿度Φ1；所述第一压力计53测得的压力P1，该压力参考该水气分离器1应用电堆实际工作的最大阳极出口压力，所以P1在本专利方案中为定值；所述第一温度计51测得的温度T1，该温度参考该水气分离器1应用于电堆实际工作的最高温度，所以T1在本专利方案中为定值；

通过在温度T1下查水饱和蒸汽压表或通过下式估算饱和蒸气压P_s，1：

ln P_s，1＝-2.1764+0.2953×T1-9.1837×10^-5×T1²+1.4454×10^-7×T1³

然后计算所述增湿器22出口湿空气中水蒸气的分压P_{v_1}以及含湿量d_init，其中干空气的质量流量M_g通过下式计算：

P_{v_1}＝Φ1P_s，1

d_init＝0.622(ΦP_s，1)/(P1-Φ1P_s，1)

M_g＝((P1-Φ1P_s，1)V)/(R_g T1)

其中R_g＝287 J/(kg.K)，V是所述缓冲罐32的体积。其中该M_g流量的干空气可以通过调节所述第二可控三通阀345和所述第一可变节流阀353使其为所述增湿器22提供需要的干空气，达到节能的目的。P1和T1分别为通过所述第一压力计53测得的压力和所述第一温度计51测得的温度，根据水蒸气的分压P_{v_1}查饱和水蒸气表可得该湿空气的露点温度Tdew。因为在本方案所述增湿器22出口压力P1和温度T1均为定值，所以当所述增湿器22输出不同相对湿度Φ1时，对应的露点温度Tdew也不同。在该步骤中要调节控制所述第一加热器31、所述第一散热器332、所述第一可控三通阀331来实现T2＝Tdew-N℃，例如N可以是5，即T2＝Tdew-5℃。当相对湿度Φ1需要快速升高时，所述第一加热器31不加热工作，控制所述第一可控三通阀331和所述第一散热器332，使T2快速达到目标温度；当相对湿度Φ1需要快速降低时，所述第一加热器31开始工作，直到所述第三湿度计58测得相对湿度Φ3满足Φ3＝Φ1，然后再通过所述第一可控三通阀331和所述第一散热器332对湿气体实现降温，直到实现T2＝Tdew-5℃。

本步骤中控制调节所述恒温环境箱11的温度T3，实现T3＝T2。根据T3在饱和水蒸气表中查表或依据下式得到T3温度下的饱和蒸气压P_s，3，并且在此步骤中满足P_s，3＝P_s，2

ln P_s，3＝ln P_s，2

ln P_s，2＝-2.1764+0.2953×T3-9.1837×10^-5×T3²+1.4454×10^-7×T3³

在本步骤中因为T3＝T2＝Tdew-5℃，因此在该水气分离器1中会有冷凝水产生，此时该水气分离器1中该湿气体的水蒸气分压P_{v_3}如下式：

P_{v_3}＝P_s，3

该水气分离器1中该湿气体的含湿量：

d_after，3＝0.622*P_{v_3}/(P1-P_{v_3})

这一步中理论上会产生的液态水m_ideal和分离效率η₄通过下式计算：

上式中Δm是所述步骤(d)中该水气分离器1得到的液态水的质量。

下面以湿空气为例说明计算方法。和湿气体中包含的干气体的质量流量的计算方法如下：在所述步骤(e)中，计算该水气分离器1总的综合效率η_total。最后该水气分离器1总的综合效率可以用η_total表示；考虑了测试设备及管路布置等影响下的该水气分离器1的工作效率为η₁；考虑了算法误差影响下的该水气分离器1的工作效率为η₂；考虑了被测对象即该水气分离器1实际工作外界温度的影响下该水气分离器1的工作效率为η₃；考虑了湿气体到该水气分离器1之间温度影响下的该水气分离器1的工作效率为η₄。

该水气分离器1的工作效率可以通过以下方法进行计算得到：

η_total＝ε₁η₁+ε₂η₂+ε₃η₃+ε₄η₄

其中ε₁、ε₂、ε₃、ε₄为分别对应所述步骤(a)、所述步骤(b)、所述步骤(c)、所述步骤(d)中得到的加权参数，加权参数的取值与每一步中测试实验的时间成正比，并满足：

ε₁+ε₂+ε₃+ε₄＝1

然后η₁、η₂、η₃、η₄分别为从述步骤(a)、所述步骤(b)、所述步骤(c)、所述步骤(d)中每一步中得到的该水气分离器1的工作效率。四个步骤中测试时间分别为t1、t2、t3、t4，所以四个步骤中的加权参数可通过下式计算：

t_total＝t1+t2+t3+t4

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (8)

1.燃料电池水气分离器测试***，用于对水气分离器的工作效率进行测试，其特征在于，包括：

恒温环境装置，其包括恒温环境箱和第二加热器，该水气分离器适于被设置在所述恒温环境箱内；

湿气供应装置，其包括鼓风机和增湿器，所述增湿器用于将来自所述鼓风机的检测气体进行加湿处理以形成湿气体；

变载工况控制机构，其包括第一加热器、缓冲罐、增湿支路装置和冷却水路装置，所述第一加热器用于将来自所述增湿器的该湿气体升温以降低该湿气体的湿度，所述增湿支路装置包括第一可控三通阀、第一散热器和单向阀，所述第一可控三通阀连接于所述第一加热器，以将来自所述第一加热器的该湿气体分流两个支路，其中一个支路上设置有所述第一散热器和所述单向阀，另一个支路连接于所述缓冲罐，所述单向阀确保该湿气体从所述第一散热器朝向所述缓冲罐的方向流动，所述冷却水路装置包括温控管路和供水管路，其中所述温控管路连接于所述恒温环境箱，并且布置成与所述第二加热器一起使所述恒温环境箱维持预设的温度，所述供水管路连接于所述增湿器，以将冷却水作为所述增湿器的液态水源，从而在液态水的供应下，所述增湿器将进入所述增湿器的该检测气体进行增湿处理而形成该湿气体，其中所述变载工况控制机构还包括湿气回流装置，其连接于该水气分离器的出口，从而将该水气分离器出来的气体回流至所述增湿器，其中所述增湿器的气体具有连通于所述鼓风机的主干气体入口和连通于所述湿气回流装置的副湿气体入口，从而进入所述增湿器的该检测气体包括来自所述鼓风机的主干气体和来自所述湿气回流装置的副湿气体，该主干气体和该副湿气体在所述增湿器中混合后形成用于测试的该湿气体，其中所述变载工况控制机构的所述湿气回流装置包括回流管路和设置在所述回流管路上的第二可控三通阀和第一可变节流阀，所述第二可控三通阀将来自于该水气分离器的该副湿气体分流成两个支路，一个支路到达所述鼓风机，另一个支路到达所述增湿器，其中所述第一可变节流阀设置在所述第二可控三通阀和所述增湿器之间，从而控制调整所述第二可控三通阀和所述第一可变节流阀，使该副湿气体循环回流进入所述增湿器或所述鼓风机，有助于节能以及降低所述增湿器中相对湿度的波动，所述冷却水路装置在连接于所述增湿器的所述供水管路上还设置有水泵、第二散热器、第三可控三通阀和第二可变节流阀，其中所述水泵用来作为驱动装置以实现冷却水的流动，并且通过调整其功率以用于对进入所述增湿器的液态水流量进行控制，所述第二散热器用来控制进入所述增湿器的液态水的温度，所述冷却水路装置的所述第三可控三通阀将冷却路分为两个支路，其中一个支路流过所述第二可变节流阀进入所述增湿器，通过所述第二可变节流阀来调节进入所述增湿器的液态水流量，另一个支路通过开关阀连接冷却水出口；以及

液态水收集装置，用于收集该水气分离器分离出的液态水。

2.根据权利要求1所述的燃料电池水气分离器测试***，其特征在于，所述液态水收集装置包括液态水收集器、液位传感器和排水阀，所述液态水收集器连接于该水气分离器以用于收集该水气分离器分离出来的液态水，所述液位传感器用于采集上报收集液态水的数量，当液位达到所述液态水收集装置设定上限时，触发所述排水阀，所述排水阀连接于所述冷却水路装置，从而将收集的液态水回流到所述冷却水路装置。

3.根据权利要求2所述的燃料电池水气分离器测试***，其特征在于，所述湿气供应装置还包括湿气供应管路，其将所述增湿器连接于所述第一加热器，所述变载工况控制机构还包括位于所述增湿器和所述第一加热器之间并设于所述湿气供应管路上的调压阀，所述调压阀用于调节该湿气体进入该水气分离器的压力，进而模拟燃料电池电堆阳极产生的压力损失。

4.根据权利要求1所述的燃料电池水气分离器测试***，其中所述湿气供应装置还包括设置于所述增湿器和所述第一加热器之间的第一流量计，用于测量所述增湿器的出口的该湿气体流量W1，所述湿气回流装置还包括设置于该水气分离器和所述第二可控三通阀之间的第二流量计，用于测量该水气分离器回流的该副湿气体的流量W2，其中所述燃料电池水气分离器测试***还包括传感器组件，所述传感器组件包括：

在所述增湿器的出口、所述缓冲罐上、所述恒温环境箱上分别设置的第一温度计、第二温度计和第三温度计，以分别测定所述增湿器出口该湿气体的温度T1、所述缓冲罐中该湿气体的温度T2、所述恒温环境箱内的温度T3；

在所述增湿器出口、所述缓冲罐上、所述第一加热器出口分别设置的第一湿度计、第二湿度计和第三湿度计，分别测量所述增湿器出口相对湿度Φ1、所述缓冲罐出口相对湿度Φ2和所述第一加热器出口相对湿度Φ3；以及

在所述增湿器出口、所述缓冲罐上分别设置的第一压力计和第二压力计，其中所述第一压力计用于测量所述增湿器出口中的该湿气体的压力P1，所述第二压力计用于测量所述缓冲罐中该湿气体的压力P2。

5.燃料电池水气分离器测试方法，其特征在于，其利用燃料电池水气分离器测试***对水气分离器的工作效率进行测试，

其中所述燃料电池水气分离器测试***包括：

恒温环境装置，其包括恒温环境箱和第二加热器，该水气分离器适于被设置在所述恒温环境箱内；

湿气供应装置，其包括鼓风机和增湿器，所述增湿器用于将来自所述鼓风机的检测气体进行加湿处理以形成湿气体；

变载工况控制机构，其包括第一加热器、缓冲罐、增湿支路装置和冷却水路装置，所述第一加热器用于将来自所述增湿器的该湿气体升温以降低该湿气体的湿度，所述增湿支路装置包括第一可控三通阀、第一散热器和单向阀，所述第一可控三通阀连接于所述第一加热器，以将来自所述第一加热器的该湿气体分流两个支路，其中一个支路上设置有所述第一散热器和所述单向阀，另一个支路连接于所述缓冲罐，所述单向阀确保该湿气体从所述第一散热器朝向所述缓冲罐的方向流动，所述冷却水路装置包括温控管路和供水管路，其中所述温控管路连接于所述恒温环境箱，并且布置成与所述第二加热器一起使所述恒温环境箱维持预设的温度，所述供水管路连接于所述增湿器，以将冷却水作为所述增湿器的液态水源，从而在液态水的供应下，所述增湿器将进入所述增湿器的该检测气体进行增湿处理而形成该湿气体；

液态水收集装置，用于收集该水气分离器分离出的液态水；以及

传感器组件，其包括：

在所述增湿器的出口、所述缓冲罐上、所述恒温环境箱上分别设置的第一温度计、第二温度计和第三温度计，以分别测定所述增湿器出口该湿气体的温度T1、所述缓冲罐中该湿气体的温度T2、所述恒温环境箱内的温度T3；

其中所述测试方法包括如下步骤：

(a)调整控制所述湿气供应装置、所述变载工况控制机构和所述恒温环境装置，以使所述增湿器的湿气体出口湿度在此步骤中具有多个不同湿度工况并且使露点温度Tdew<T3＝T2＝T1，获取在此工况下该水气分离器的工作效率η₁；

(b)调整控制所述湿气供应装置、所述变载工况控制机构和所述恒温环境装置，以使所述增湿器的湿气体出口湿度在此步骤中具有多个不同湿度工况并且使T3＝T2＝Tdew，获取在此工况下该水气分离器的工作效率η₂；

(c)调整控制所述湿气供应装置、所述变载工况控制机构和所述恒温环境装置，以使所述增湿器的湿气体出口湿度在此步骤中具有多个不同湿度工况并且使T3<T2＝T1，T3<Tdew，获取在此工况下该水气分离器的工作效率η₃；

(d)调整控制所述湿气供应装置、所述变载工况控制机构和所述恒温环境装置，以使所述增湿器的湿气体出口湿度在此步骤中具有多个不同湿度工况并且使T3＝T2<T1，且T3＝T2<Tdew，获取在此工况下该水气分离器的工作效率η₄；

(e)通过η₁、η₂、η₃、η₄来计算该水气分离器的综合工作效率η_total，其中

η_total＝ε₁η₁+ε₂η₂+ε₃η₃+ε₄η₄

其中ε₁、ε₂、ε₃、ε₄为分别对应所述步骤(a)、所述步骤(b)、所述步骤(c)、所述步骤(d)中得到的加权参数，加权参数的取值与每一步中测试实验的时间成正比，并满足：

ε₁+ε₂+ε₃+ε₄＝1。

6.根据权利要求5所述的燃料电池水气分离器测试方法，其特征在于，所述变载工况控制机构还包括湿气回流装置，其连接于该水气分离器的出口，从而将该水气分离器出来的气体回流至所述增湿器，其中所述增湿器的气体具有连通于所述鼓风机的主干气体入口和连通于所述湿气回流装置的副湿气体入口，从而进入所述增湿器的该检测气体包括来自所述鼓风机的主干气体和来自所述湿气回流装置的副湿气体，该主干气体和该副湿气体在所述增湿器中混合后形成用于测试的该湿气体，所述湿气回流装置包括回流管路和设置在所述回流管路上的第二可控三通阀和第一可变节流阀，所述第二可控三通阀将来自于该水气分离器的该副湿气体分流成两个支路，一个支路到达所述鼓风机，另一个支路到达所述增湿器，其中所述第一可变节流阀设置在所述第二可控三通阀和所述增湿器之间，从而控制调整所述第二可控三通阀和所述第一可变节流阀，使该副湿气体循环回流进入所述增湿器或所述鼓风机，有助于节能以及降低所述增湿器中相对湿度的波动；

所述冷却水路装置在连接于所述增湿器的所述供水管路上还设置有水泵、第二散热器、第三可控三通阀和第二可变节流阀，其中所述水泵用来作为驱动装置以实现冷却水的流动，并且通过调整其功率以用于对进入所述增湿器的液态水流量进行控制，所述第二散热器用来控制进入所述增湿器的液态水的温度，所述冷却水路装置的所述第三可控三通阀将冷却路分为两个支路，其中一个支路流过所述第二可变节流阀进入所述增湿器，通过所述第二可变节流阀来调节进入所述增湿器的液态水流量，另一个支路通过开关阀连接冷却水出口；

所述湿气供应装置还包括湿气供应管路，其将所述增湿器连接于所述第一加热器，所述变载工况控制机构还包括位于所述增湿器和所述第一加热器之间并设于所述湿气供应管路上的调压阀，所述调压阀用于调节该湿气体进入该水气分离器的压力，进而模拟燃料电池电堆阳极产生的压力损失；

所述湿气供应装置还包括设置于所述增湿器和所述第一加热器之间的第一流量计，用于测量所述增湿器的出口的该湿气体流量W1，所述湿气回流装置还包括设置于该水气分离器和所述第二可控三通阀之间的第二流量计，用于测量该水气分离器回流的该副湿气体的流量W2；

所述传感器组件还包括：在所述增湿器出口、所述缓冲罐上、所述第一加热器出口分别设置的第一湿度计、第二湿度计和第三湿度计，分别测量所述增湿器出口相对湿度Φ1、所述缓冲罐出口相对湿度Φ2和所述第一加热器出口相对湿度Φ3；以及在所述增湿器出口、所述缓冲罐上分别设置的第一压力计和第二压力计，其中所述第一压力计用于测量所述增湿器出口中的该湿气体的压力P1，所述第二压力计用于测量所述缓冲罐中该湿气体的压力P2。

7.根据权利要求6所述的燃料电池水气分离器测试方法，其特征在于，其中

所述步骤(a)具体包括步骤：调整控制所述鼓风机、所述水泵、所述第二可控三通阀、所述调压阀、所述第一可变节流阀和所述第二可变节流阀，确保所述增湿器湿气体出口湿度Φ1具有多个不同湿度工况，压力P1的目标值和温度T1的目标值参照该水气分离器应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，控制调整所述第一加热器、所述第二加热器、控制所述第一可控三通阀，保证T3＝T2＝T1，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，计算在此工况下该水气分离器的工作效率η₁；

所述步骤(b)具体包括步骤：调整控制所述鼓风机、所述水泵、所述第二可控三通阀、所述调压阀、所述第一可变节流阀和所述第二可变节流阀，确保所述增湿器湿气体出口湿度Φ1具有多个不同湿度工况，压力P1的目标值和温度T1的目标值参照该水气分离器应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，通过P1和Φ1，查饱和水蒸气表得到Tdew，控制调整所述第一加热器、所述水泵、所述第一可控三通阀，保证T3＝T2＝Tdew，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，计算在此工况下该水气分离器的工作效率η₂；

所述步骤(c)具体包括步骤：调整控制所述鼓风机、所述水泵、所述第二可控三通阀、所述调压阀、所述第一可变节流阀和所述第二可变节流阀，确保所述增湿器湿气体出口湿度Φ1具有多个不同湿度工况，压力P1的目标值和温度T1的目标值参照该水气分离器应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，通过P1和Φ1，查饱和水蒸气表得到Tdew，控制调整所述第一加热器、所述水泵、所述第一可控三通阀，保证T3<T2＝T1，T3＝Tdew-N℃，其中N数值范围为1-10，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，并基于理论上会产生的液态水m_ideal计算在此工况下该水气分离器的工作效率η₃；

所述步骤(d)具体包括步骤：调整控制所述鼓风机、所述水泵、所述第二可控三通阀、所述调压阀、所述第一可变节流阀和所述第二可变节流阀，确保所述增湿器湿气体出口湿度Φ1具有多个不同湿度工况，压力P1的目标值和温度T1的目标值参照该水气分离器应用于电堆最大阳极输出压力和最高运行温度，通过P1和Φ1，查饱和水蒸气表得到Tdew，控制调整所述第一加热器、所述水泵、所述第一可控三通阀保证T3＝T2<T1，且T3＝T2＝Tdew-N℃，其中N数值范围为1-10，记录收集液态水重量Δm、气体流量W1和W2，并基于理论上会产生的液态水m_ideal计算在此工况下该水气分离器的工作效率η₄。

8.根据权利要求7所述的燃料电池水气分离器测试方法，其特征在于，其中以湿空气为该湿气体，

其中所述步骤(a)中η₁由下式获得：

其中气体密度ρ＝1.29kg/m3，t1为所述步骤(a)的实验时间；

其中所述步骤(b)中η₂由下式获得：

其中气体密度ρ＝1.29kg/m3，t2为所述步骤(b)的实验时间；

其中所述步骤(c)会产生的液态水m_ideal和工作效率η₃通过下式计算：

其中t3为所述步骤(c)的实验时间，在温度T1下通过下式估算饱和蒸气压P_s,1：

ln P_s,1＝-2.1764+0.2953×T1-9.1837×10^-5×T1²+1.4454×10^-7×T1³

所述增湿器出口湿空气中水蒸气的分压P_{v_1}、含湿量d_init和干空气的质量流量M_g通过下式计算：

P_{v_1}＝Φ1P_s,1

d_init＝0.622(Φ1P_s,1)/(P1-Φ1P_s,1)

M_g＝((P2-Φ1P_s,1)V)/(R_gT2)

其中R_g＝287J/(kg.K)，V是所述缓冲罐的体积；

其中T3温度下的饱和蒸气压P_s,3满足下式：

ln P_s,3＝-2.1764+0.2953×T3-9.1837×10^-5×T3²+1.4454×10^-7×T3³

其中该水气分离器中该湿气体的水蒸气分压P_{v_3}如下式：

P_{v_3}＝P_s,3

其中该水气分离器中该湿气体的含湿量：

其中所述步骤(d)理论上会产生的液态水m_ideal和工作效率η₄通过下式计算：

其中t4为所述步骤(d)的实验时间，其中在温度T1下通过下式计算饱和蒸气压P_s,1：

ln P_s,1＝-2.1764+0.2953×T1-9.1837×10^-5×T1²+1.4454×10^-7×T1³

其中所述增湿器出口湿空气中水蒸气的分压P_{v_1}、含湿量d_init、干空气的质量流量M_g通过下式计算：

P_{v_1}＝Φ1P_s,1

d_init＝0.622(Φ1P_s,1)/(P1-Φ1P_s,1)

M_g＝((P1-Φ1P_s,1)V)/(R_gT1)

其中R_g＝287J/(kg.K)，V是所述缓冲罐的体积；

其中依据下式得到T3温度下的饱和蒸气压P_s,3，并且在此步骤中满足P_s,3＝P_s,2

lnP_s,2＝-2.1764+0.2953×T3-9.1837×10^-5×T3²+1.4454×10^-7×T3³

该水气分离器中该湿气体的水蒸气分压P_{v_3}如下式：

P_{v_3}＝P_s,3

该水气分离器中该湿气体的含湿量：

d_after,3＝0.622*P_{v_3}/(P1-P_{v_3})。

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