CN114937787A - 一种空冷型燃料电池测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空冷型燃料电池测试***，适用于不同节数的空冷型燃料电池测试，包括电池固定模块(1)，空气模块(2)，氢气模块(3)，电子负载(4)，电池测量传感器(5)，与上位机；所述的电池固定模块(1)包括主壳体(11)和侧板(13)，两块侧板(13)在主壳体(11)的滑槽上移动，适应不同节数的空冷型燃料电池；通过空气模块(2)，氢气模块(3)和电池测量传感器(5)完成空气和氢气的温度、湿度、流量、流速的测量和控制；并利用上位机对电堆测试***进行实时反馈控制。与现有技术相比，本发明可实现多种空冷型阴极开放式燃料电堆的适应测试，对电堆运行条件实时控制和掌握，为后续的电堆优化和管理提供了实验平台。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种空冷型燃料电池测试***。
背景技术
燃料电池是一种将氢氧通过电化学反应产生电能的发电装置，具有能量转换效率高、环境友好、噪声低等多项优点。根据冷却方式的不同，燃料电池可分为液体冷却型燃料电池和空气冷却型燃料电池。相比液体冷却型燃料电池，空气冷却型燃料电池消除了对复杂空气供应子***的需求，通过供气风扇直接将空气送入燃料电池的阴极，除了提供反应所需的氧气，供气风扇还起到带走电堆产生热量，控制空冷型电堆内部温度的作用。空气冷却型燃料电池具有***简单、结构紧凑、寄生功率小、成本低等优势，适用于无人机、便携式小型电源等用电设备。
在燃料电池生产过程中，对燃料电池设计、制造、测试工艺的优化要基于对电池性能的充分评估，因此电池性能的测试尤为重要。燃料电池测试***在电堆开发和设计阶段可用于进行电堆实验探索与工艺迭代，在性能验证阶段也可用于电堆的性能表征和产品开发。在燃料电池的测试中，测试***可以根据需要控制不同的气、温、湿条件，同时收集电堆运行过程中气、温、湿信息，从而对电池的性能和机理有更加准确的把握。然而，目前已有的燃料电池测试***产品和发明设计主要针对液体冷却型燃料电池。空冷燃料电池为阴极开放式结构，供气风扇同时承担提供阴极反应气带走电堆热量的功能，气、温、湿等条件的耦合性更强，控制更复杂，测量信息获取也更困难。因此，为了有效评估空冷燃料电池性能，需要开发针对于空冷型燃料电池的一体式测试***。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利CN 208955114 U公开的燃料电池测试***可以实现燃料电池的阴阳极供气与冷却水自动控制，但缺少必要的电堆性能监测信息，且主要针对水冷型燃料电池测试。中国发明专利CN 209746102 U 公开的燃料电池测试***将控制模块，测试模块，收集模块，储存模块，显示模块等一体化，但未给出电堆的气、温、湿条件自动控制方法，且主要针对水冷型燃料电池测试。中国发明专利CN 112886034 A的空冷型综合测试***只能针对特定节数电堆，一体性较差，测试中控制实现与数据收集依旧繁琐。
综上所述，不同于相对成熟的液体冷却型燃料电池，目前市场上尚无针对空冷型燃料电池的高效一体化测试***。
发明内容
本发明的目的是为了满足空冷型燃料电池的测试需求，实现多种工作条件切换，多测量信息收集与处理的一体式空冷型燃料电池测试***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种空冷型燃料电池测试***，用于任意节数的空冷型燃料电池测试，包括电池固定模块、空气模块、氢气模块、电子负载、池测量传感器与上位机。通过空气模块，氢气模块和电池测量传感器完成空气和氢气的温度、湿度、流量、流速的测量和控制；并利用上位机对电堆测试***进行实时反馈控制。
优选地，所述的电池固定模块由主壳体，风扇安装板，侧板和封板组成；电堆通过封板安装在主壳体内，风扇安装板设置在封板一侧，侧板从另一侧沿主壳体的滑槽移动至封板内电堆侧面，将电堆固定在主壳体内。两块侧板可以在主壳体的滑槽上移动，适应不同节数的空冷型燃料电池，风扇通过风扇安装板安装在主壳体上，风扇连接风扇供电电源。
优选地，所述的风扇安装板、侧板与主壳体的接触面均预设浅密封槽，使用与密封槽形状匹配的密封垫实现密封。
优选地，所述的固定模块封板上预留空气流速与温湿度测试孔，对应安装风速仪和温湿度传感器，封板为活动设计，可以灵活拆装调整，可以通过移动封板调整测点位置。
优选地，所述的氢气模块包括氢气进气部分与氢气出气部分，其中氢气进气部分包括氢气输送支路和氮气输送支路，氢气输送支路和氮气输送支路并联连接加湿器，然后连接电堆阳极入口，控制程序的安全设置保证两路开关电磁阀只有一路为打开状态，在吹扫工况下，氮气电磁阀打开，氢气电磁阀关闭，在活化与测试工况下，氮气电磁阀关闭，氢气电磁阀打开，利用质量流量控制计和膜加湿器对气体流量和湿度进行调节；其中出气部分连接电堆氢气出口，顺序连接脉排电磁阀和排空管道，用于排除电堆运行过程中阳极流道内积水。
优选地，所述的空气模块包括空气进气控制模块，供气风扇，风扇供电电源，所述的风扇通过风扇安装板安装在主壳体上，风扇连接风扇供电电源，所述的空气进气控制模块包括空气过滤模块、空气整流模块和空气温湿度控制模块，实现对空气的预处理和温湿度控制。所述的空气过滤模块，对进入电堆的空气进行过滤；空气整流模块为整流栅格，利用均风孔板消除空气进口处湍流，保证空气进气的空间流速均匀；空气温湿度控制模块，包括空气进气加热器和空气进气加湿器，其中空气进气加热器为电阻丝加热栅格、或微流道热交换器；空气进气加湿器为液态水喷射增湿器、或湿膜加湿器，实现空气进气温湿度调节。
优选地，所述的电池测量传感器包括置于各节单电池内的电压巡检与单节温湿度传感器，还包括一个环境温湿度传感器，用于记录测试中的环境参数。
优选地，所述的上位机连接数据采集卡，利用数据采集卡收集供气和出气管道内的风速仪和温湿度传感器，电池测量传感器测量结果。
优选地，所述的上位机通过控制卡实现空气进气控制模块，氢气路电磁阀和氢气路质量流量控制计，氮气路电磁阀和氮气路质量流量控制计，加湿器，脉排电磁阀的自动控制，通过USB通讯实现对风扇供电电源，电子负载的自动控制。
优选地，所述的上位机通过USB通讯实现对风扇供电电源，电子负载的自动控制，其中风扇供电电源带动风扇转动，实现对空气流速的控制。
优选地，上位机的中央控制软件收集空冷型燃料电池运行时相关的电，气，热，湿信号并在界面中给出显示同时可以根据研究人员需要对空冷型燃料电池运行相关的电，气，热，湿条件实现实时控制，参数调整以及更加复杂的策略开发验证。
优选地，所述的中央控制软件具备绘图等数据处理功能，且在软件中预设一些常用测试案列，能够大大提高空冷型燃料电池测试与分析的效率；在中央控制软件中设置哥测试量安全阈值与紧急状态下安全停机流程，保证了测试的稳定性和安全性。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)本发明通过调整主壳体侧板间距来适应不同节数空冷型燃料电池的测试，通过空气模块、氢气模块和测量传感器完成空气和氢气的温度、湿度、流量、流速等的测量和控制；并利用上位机的中央处理软件对电堆测试***进行实时反馈控制。可实现多种空冷型阴极开放式燃料电堆的适应测试，对电堆运行条件实时控制和掌握，为后续的电堆优化和管理提供了实验平台。
(2)本发明的空冷型燃料电池测试***实现了空冷型燃料电池的测试需要，适用于不同节数的电堆，测试员可以方便快捷对空冷型燃料电池的测试条件进行控制，同时可以得到各项测试结果，方便进一步分析与优化。
(3)本发明的空冷型燃料电池测试***将多种类多项控制量集合统一的到上位机的一体化软件，测试人员可以直接利用上位机在界面完成各项操作和数据收集工作，集成性和可操作性显著提高，
(4)本发明的空冷型燃料电池测试***预置常用测试案例，同时对测试过程中可能出现的异常情况预设安全停机程序，大大提高了空冷型燃料电池的测试效率和测试稳定性。
附图说明
图1为空冷型燃料电池的测试***示意图；
图2为空冷型燃料电池测试***固定模块示意图；
图3为空冷型燃料电池测试***固定模块装配正视图；
图4为空冷型燃料电池测试***固定模块装配俯视图；
图5为空冷型燃料电池测试***氢气模块示意图；
图6为空冷型燃料电池测试***控制结构图。
图中，1为电池固定模块，110为测试孔，111为风速仪，112为温湿度传感器， 12为风扇安装板，13为侧板，14为封板，2为空气模块，21为空气进气控制模块， 211为空气过滤模块，212为空气整流模块，213为空气温湿度控制模块，22为风扇，23为风扇供电电源，3为氢气模块，31为氢气进气部分，311为氢气源，312 为氢气减压阀，313为氢气路止回阀，314为氢气路电磁阀，315为氢气路质量流量控制计，316为氮气源，317为氮气减压阀，318为氮气路止回阀，319为氮气路电磁阀，3110为氮气路质量流量控制计，3111为加湿器，32为氢气出气部分，321 为脉排电磁阀，322为排空管道，4为电子负载，5为电池测量传感器，6为数据采集卡。
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。
实施例1
一种空冷型燃料电池测试***，如图1所示，包括电池固定模块1，空气模块 2，氢气模块3，电子负载4，电池测量传感器5，数据采集卡6与上位机。
不同大小的电堆固定在电池固定模块1内，空气模块2向电堆提供空气源，氢气模块3向电堆提供氢气源，电子负载4连接在电堆的电流引出接头上。
各组件具体结构如下：
如图2-4所示，电池固定模块1包括主壳体11、风扇安装板12、侧板13和封板14，两块侧板13在主壳体11的滑槽上移动，适应不同节数的空冷型燃料电池，电堆通过封板14安装在主壳体11内，风扇安装板12设置在封板14一侧，侧板 13从另一侧沿主壳体11的滑槽移动至封板14内电堆侧面，将电堆固定在主壳体 11内；风扇安装板12、侧板13与主壳体11的接触面均预设浅密封槽，并在各浅密封槽内设置与其形状匹配的密封元件实现密封。
所述的电池固定模块1预留有风速与温湿度测试孔110，对应安装风速仪111 和温湿度传感器112，测量电堆空气进出口风速与温湿度，同时通过移动封板14 调整测点位置。
如图1所示，所述的空气模块2包括空气进气控制模块21，供气风扇22，风扇供电电源23，所述的风扇22通过风扇安装板12安装在主壳体11上，风扇22 连接风扇供电电源23，所述的空气进气控制模块21包括空气过滤模块211、空气整流模块212和空气温湿度控制模块213，实现对空气的预处理和温湿度控制。
所述的空气整流模块212为整流栅格，利用均风孔板消除空气进口处湍流，保证空气进气的空间流速均匀。所述的空气温湿度控制模块213包括空气进气加热器和空气进气加湿器，其中空气进气加热器为电阻丝加热栅格、或微流道热交换器；空气进气加湿器为液态水喷射增湿器、或湿膜加湿器。
如图1和5所示，所述的氢气模块3包括氢气进气部分31与氢气出气部分32，其中氢气进气部分31包括并联的氢气输送支路和氮气输送支路，氢气输送支路包括依次连接的氢气源311，氢气路减压阀312，氢气路止回阀313，氢气路电磁阀 314和氢气路质量流量控制计315；氮气输送支路包括依次连接的氮气源316，氮气路减压阀317，氮气路止回阀318，氮气路电磁阀319和氮气路质量流量控制计 3110；氢气输送支路和氮气输送支路并联连接加湿器3111，然后连接电堆阳极入口；
所述的氢气出气部分32连接电堆阳极出口，包括顺序连接的脉排电磁阀321 和排空管道322。
如图6所示，本发明空冷型燃料电池测试***通过中央控制软件进行控制，中央控制软件包括上位机，上位机包括数据采集卡6，控制卡，USB通讯；本发明采用的中央控制软件、上位机、数据采集卡，控制卡，USB通讯均为本领域的常规组件。
其中，所述的上位机连接数据采集卡6，利用数据采集卡6收集空气进出口的风速仪111、温湿度传感器112和电池测量传感器5测量结果；
所述的上位机通过控制卡实现空气进气控制模块21，氢气开关电磁阀313，氢气质量流量控制计314，氮气减压阀317，氮气开关电磁阀318，加湿器3111，脉排电磁阀321的自动控制，通过USB通讯实现对风扇供电电源23，电子负载4的自动控制。通过USB通讯实现对风扇供电电源23，电子负载4的自动控制。
中央控制软件收集空冷型燃料电池运行时相关的电，气，热，湿信号并在界面中显示，并对这些参数进行控制，中央控制软件还具备常用测试工况设置、数据绘图等功能，能够对收集到的数据进行处理和分析并在界面中给出显示。
进行空冷型燃料电池相关实验与测试时，通过侧板13移动来适应30节的空冷电堆，并利用螺栓安装在主壳体11上，风扇22安装在风扇安装板12上，风扇22 连接到风扇供电电源23，由风扇22提供阴极反应气体，同时带走电堆运行产生的热量，氢气模块2提供阳极反应气体，待测电堆连接到电子负载4，上位机通过电子负载4控制电堆运行电密。
具体地，主壳体11密封槽与对应形状密封圈配合保证风扇22旋转带动的空气完全通过被测电堆，风扇22连接到风扇供电电源23，由上位机控制风扇供电电源 23输出电压与输出功率，由此利用上位机中的中央控制软件可以实现阴极气体流速与流量的管理。氢气模块3包括氢气进气部分31与氢气出气部分32，供气部分由两个减压阀连接两个开关电磁阀的方式连接氢气源与氮气源，利用减压阀保持稳定的阳极入口压力，通过电磁阀的切换可以控制阳极气体种类，从而完成燃料电池的吹扫，测试等不同工作需要；排气部分由电堆阳极气体出口连接脉排电磁阀321，通过脉排电磁阀321的开关可以控制阳极出口的不同模式：常开，常闭，脉排，从而完成燃料电池的吹扫，测试等不同工作需要。
在实现阴阳极气体流量控制的基础上，空气模块2还包括一个空气进气控制模块21，由空气过滤模块211，空气整流模块212，空气温湿度控制模块213组成。空气过滤模块211为空气滤网，能够去除空气中的粉尘等杂质，净化阴极反应气体。空气整流模块212为整流栅格，利用均风孔板消除空气进口处湍流，保证空气进气的空间流速均匀。空气温湿度控制模块213包括空气进气加热器和空气进气加湿器，其中空气进气加热器为加热栅格，利用电阻丝发热为进口空气加热；空气进口加湿器可为雾化加湿器，利用雾化水汽为进口空气加湿。空气进气控制模块部分有较长的空气流道，保证空气加热加湿充分均匀。
可以理解，针对整个空冷型燃料电池电堆测试，需要包括吹扫，活化，不同电密运行等多种测试条件，在现有的对燃料电池尤其是对空冷型燃料电池性能的测试中，不同对象的控制是由不同设备实现的，对于燃料电池测试，这无疑会造成操作的繁琐，同时由于所有设备依靠测试人员手动操作，整个***缺少必要的安全保证。在本发明中，测试人员直接在一体化面板中对各参数进行修改，上位机利用控制卡和USB通讯的方式控制各执行器动作，从而对测试参数进行实时调整，同时，借助预设程序，设定电堆运行中各参数安全范围以及电堆紧急状况下安全停机方法，保证了电池测试的稳定性和可靠性。
对于燃料电池测试，掌握空冷型燃料电池运行中的电，气，热，湿测量信息是十分必要的。在本发明中，风速仪和温湿度传感器提供电堆阴极进出口气体状态信息，氢气供气管道中的质量流量计提供阳极气体流量信息，电池测量传感器提供电堆测量信息。由此可以对空冷型燃料电池运行中的各种关键信息进行测量，便于开展后续的实验与分析。
可以理解，针对整个空冷型燃料电池电堆测试，测试数据种类繁多，现有针对燃料电池尤其是对空冷型燃料电池性能的检测设备中，由于各个测试设备相互独立，导致各个设备检测到的数据需要独立收集处理，这造成了现有的燃料电池的性能测试十分繁琐。在本发明中，利用数据采集卡收集不同设备得到的数据，统一由PXI 总线发送到上位机中，在上位机的中央控制软件中完成分类整理画图等前处理，以界面的形式给出展示，测试人员可以方便快捷地得到被测电堆的各项数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种空冷型燃料电池测试***，适用于不同节数的空冷型燃料电池测试，其特征在于，包括电池固定模块(1)，空气模块(2)，氢气模块(3)，电子负载(4)，电池测量传感器(5)，与上位机；
所述的电池固定模块(1)包括主壳体(11)和侧板(13)，两块侧板(13)在主壳体(11)的滑槽上移动，适应不同节数的空冷型燃料电池；
通过空气模块(2)，氢气模块(3)和电池测量传感器(5)完成空气和氢气的温度、湿度、流量、流速的测量和控制；并利用上位机对电堆测试***进行实时反馈控制。
2.根据权利要求1所述的一种空冷型燃料电池测试***，其特征在于，所述的电池固定模块(1)还包括风扇安装板(12)和封板(14)，电堆通过封板(14)安装在主壳体(11)内，风扇安装板(12)设置在封板(14)一侧，侧板(13)从另一侧沿主壳体(11)的滑槽移动至封板(14)内电堆侧面，将电堆固定在主壳体(11)内。
3.根据权利要求2所述的一种空冷型燃料电池测试***，其特征在于，所述的风扇安装板(12)、侧板(13)与主壳体(11)的接触面均预设浅密封槽，并在各浅密封槽内设置与其形状匹配的密封元件实现密封。
4.根据权利要求1所述的一种空冷型燃料电池测试***，其特征在于，所述的电池固定模块(1)预留有风速与温湿度测试孔(110)，对应安装风速仪(111)和温湿度传感器(112)，测量电堆空气进出口风速与温湿度，同时通过移动封板(14)调整测点位置。
5.根据权利要求1或4所述的一种空冷型燃料电池测试***，其特征在于，所述的氢气模块(3)包括氢气进气部分(31)与氢气出气部分(32)，其中氢气进气部分(31)包括并联的氢气输送支路和氮气输送支路，氢气输送支路包括依次连接的氢气源(311)，氢气路减压阀(312)，氢气路止回阀(313)，氢气路电磁阀(314)和氢气路质量流量控制计(315)；氮气输送支路包括依次连接的氮气源(316)，氮气路减压阀(317)，氮气路止回阀(318)，氮气路电磁阀(319)和氮气路质量流量控制计(3110)；氢气输送支路和氮气输送支路并联连接加湿器(3111)，然后连接电堆阳极入口；
所述的氢气出气部分(32)连接电堆阳极出口，包括顺序连接的脉排电磁阀(321)和排空管道(322)。
6.根据权利要求2所述的一种空冷型燃料电池测试***，其特征在于，所述的空气模块(2)包括空气进气控制模块(21)，供气风扇(22)，风扇供电电源(23)，所述的风扇(22)通过风扇安装板(12)安装在主壳体(11)上，风扇(22)连接风扇供电电源(23)，所述的空气进气控制模块(21)包括空气过滤模块(211)、空气整流模块(212)和空气温湿度控制模块(213)，实现对空气的预处理和温湿度控制。
7.根据权利要求6所述的一种空冷型燃料电池测试***，其特征在于，所述的空气整流模块(212)为整流栅格，利用均风孔板消除空气进口处湍流，保证空气进气的空间流速均匀。
8.根据权利要求6所述的一种空冷型燃料电池测试***，其特征在于，所述的空气温湿度控制模块(213)包括空气进气加热器和空气进气加湿器，其中空气进气加热器为电阻丝加热栅格、或微流道热交换器；空气进气加湿器为液态水喷射增湿器、或湿膜加湿器。
9.根据权利要求1所述的一种空冷型燃料电池测试***，其特征在于，所述的电池测量传感器(5)包括置于各节单电池内的电压巡检与单节温湿度传感器，还包括一个环境温湿度传感器，用于获取电堆测试过程外界环境温湿度信息。
10.根据权利要求5所述的一种空冷型燃料电池测试***，其特征在于，所述的上位机连接数据采集卡(6)，利用数据采集卡(6)收集空气进出口的风速仪(111)、温湿度传感器(112)和电池测量传感器(5)测量结果；
所述的上位机通过控制卡实现空气进气控制模块(21)，氢气路电磁阀(314)和氢气路质量流量控制计(315)，氮气路电磁阀(319)和氮气路质量流量控制计(3110)，加湿器(3111)，脉排电磁阀(321)的自动控制，通过USB通讯实现对风扇供电电源(23)，电子负载(4)的自动控制。
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