CN102621499A - 用于测试燃料电池堆的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于测试燃料电池堆的装置，包括：工作气体供给系统，与燃料电池相连，工作气体供给系统包括：氢气管路和空气管路；氢气管路上设有第一流量控制单元，第一流量控制单元用于检测和控制氢气的流量；空气管路上设有第二流量控制单元，第二流量控制单元用于检测和控制空气的流量；控制系统，与第一流量控制单元和第二流量控制单元分别电连接，控制系统用于收集第一流量控制单元和第二流量控制单元发出的检测信号，以记录氢气管路中的氢气流量和空气管路的空气流量。本发明有效地解决了现有技术中无法测试燃料电池堆在负载条件下氢气和空气流量对于燃料电池堆性能参数的对比数据。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术应用领域，具体而言，涉及一种用于测试燃料电池堆的装置。
背景技术
燃料电池是一种环保、高效、可连续工作的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路到达阴极，在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，直接发电效率高达45％。燃料电池系统以电池堆为核心发电装置，集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征，广泛应用于电站、移动式电源、电动汽车、航天飞船、军用装备、以及民用产品等领域。
在质子膜燃料电池运行过程中，氢气和空气的流量、温度和湿度对于燃料电池的性能和效率有很大影响。为了缩短燃料电池研发周期，提高质量和降低成本，需要测试负载条件下空气、氢气和燃料电池堆的物理参数对燃料电池性能的影响，这对于优化燃料电池运行参数，评估燃料电池使用寿命以及研究燃料电池运行及破坏机理均具有重要意义。而现有技术中，还未研发出一种用于测试燃料电池堆在运行过程中氢气和空气的流量对燃料电池性能的参数影响关系。
发明内容
本发明旨在提供一种用于测试燃料电池堆的装置，以解决现有技术中无法测试燃料电池堆在负载条件下氢气和空气流量对于燃料电池堆性能参数的对比数据。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于测试燃料电池堆的装置，包括：工作气体供给系统，与燃料电池相连，工作气体供给系统包括：氢气管路和空气管路；氢气管路上设有第一流量控制单元，第一流量控制单元用于检测和控制氢气的流量；空气管路上设有第二流量控制单元，第二流量控制单元用于检测和控制空气的流量；控制系统，与第一流量控制单元和第二流量控制单元分别电连接，控制系统用于收集第一流量控制单元和第二流量控制单元发出的检测信号，以记录氢气管路中的氢气流量和空气管路的空气流量。
进一步地，用于测试燃料电池堆的装置还包括加湿系统，加湿系统设置在燃料电池与工作气体供给系统之间。
进一步地，加湿系统包括：第一加湿器，设置在第一流量控制单元与燃料电池之间；第二加湿器，设置在第二流量控制单元与燃料电池之间。
进一步地，用于测试燃料电池堆的装置还包括氮气吹扫管路，氮气吹扫管路具有第一出口和第二出口，第一出口连接至第一流量控制单元与第一加湿器之间，第二出口连接至第二流量控制单元与第二加湿器之间。
进一步地，第一出口的管路上和第二出口的管路上均设置有氮气流量控制单元。
进一步地，用于测试燃料电池堆的装置还包括辅助液体管路，辅助液体管路的出口端与第一加湿器和第二加湿器均连接。
进一步地，氢气管路、空气管路和辅助液体管路均设置有常闭电磁阀，氮气吹扫管路设置有常开电磁阀，常闭电磁阀和常开电磁阀与控制系统电连接。
进一步地，用于测试燃料电池堆的装置还包括废气排放系统，废气排放系统包括：氢气尾气管路，连接至燃料电池堆的阳极反应尾气出口，用于接通燃料电池堆阳极产生的尾气；空气尾气管路，连接至燃料电池堆的阴极反应尾气出口，用于接通燃料电池堆阴极产生的尾气；第一换热器，入口与空气尾气管路连接；第二换热器，入口与氢气尾气管路连接；排水管路，分别与第一换热器的出口和第二换热器的出口连接；第一气水分离器，与第一换热器的出口连接，第一气水分离器的水路出口与排水管路连接；第二气水分离器，与第二换热器的出口连接，第二气水分离器的水路出口与排水管路连接；第一气水分离器还包括空气排放出口，空气排放出口连接有空气排放管路；第二气水分离器还包括氢气排放出口，氢气排放出口连接有氢气排放管路。
进一步地，用于测试燃料电池堆的装置还包括：氢气质量流量控制器，设置在氢气管路上，并位于第一流量控制单元下游；空气质量流量控制器，设置在空气管路上，并位于第二流量控制单元下游；氢气质量流量控制器和空气质量流量控制器分别与控制系统电连接。
应用本发明的技术方案，用于测试燃料电池堆的装置，包括：工作气体供给系统，与燃料电池相连，工作气体供给系统包括：氢气管路和空气管路；氢气管路上设有第一流量控制单元，第一流量控制单元用于检测和控制氢气的流量；空气管路上设有第二流量控制单元，第二流量控制单元用于检测和控制空气的流量；控制系统，与第一流量控制单元和第二流量控制单元分别电连接，控制系统用于收集第一流量控制单元和第二流量控制单元发出的检测信号，以记录氢气管路中的氢气流量和空气管路的空气流量。
该装置通过记录燃料电池运行过程中氢气和空气的流量和对燃料电池堆工作时的性能参数进行实时测量并获得性能测试数据，根据装置的各数据可提供在燃料电池堆最佳工作状态时的氢气与空气比值，以及其他的性能数据对照，方便测试人员进行更加深入的数据分析。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的用于测试燃料电池堆的装置的实施例的管路连接示意图；
图2示出了图1的用于测试燃料电池堆的装置的控制系统的控制过程示意图；
图3示出了图1的用于测试燃料电池堆的装置的氢气管路的管路连接示意图；
图4示出了图1的用于测试燃料电池堆的装置的空气管路的管路连接示意图；
图5示出了图1的用于测试燃料电池堆的装置的冷却水循环系统的结构示意图；
图6示出了图1的用于测试燃料电池堆的装置的废气排放系统的结构示意图；以及
图7示出了图1的用于测试燃料电池堆的装置的内部分区结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1和图2所示，本实施例的用于测试燃料电池堆的装置包括工作气体供给系统和控制系统；工作气体供给系统与燃料电池相连，工作气体供给系统包括：氢气管路和空气管路；氢气管路上设有第一流量控制单元，第一流量控制单元用于检测和控制氢气的流量；空气管路上设有第二流量控制单元，第二流量控制单元用于检测和控制空气的流量；控制系统与第一流量控制单元和第二流量控制单元分别电连接，控制系统用于收集第一流量控制单元和第二流量控制单元发出的检测信号，以记录氢气管路中的氢气流量和空气管路的空气流量。本实施例的装置通过记录燃料电池运行过程中氢气和空气的流量和对燃料电池堆工作时的性能参数进行实时测量并获得性能测试数据，根据装置的各数据可提供在燃料电池堆最佳工作状态时的氢气与空气比值，以及其他的性能数据对照，方便测试人员进行更加深入的数据分析。
优选地，本实施例的用于测试燃料电池堆的装置还包括加湿系统，加湿系统设置在燃料电池与工作气体供给系统之间。加湿系统用于对反应气体进行加湿，控制反应气体的相对湿度在设定范围内。
优选地，如图3和图4所示，加湿系统包括第一加湿器31和第二加湿器32；第一加湿器31设置在第一流量控制单元21与燃料电池之间；第二加湿器32设置在第二流量控制单元22与燃料电池之间。这样设置有助于加湿系统针对不同流量的反应气体或者不同的反应气体选择不同的加湿器，更加精确的控制反应气体的相对湿度。通过控制加湿器内水的温度和流量精确控制反应气体进入燃料电池堆10的相对湿度，通过检测加湿器内的水位并控制电磁阀给加湿器补水。在反应气体管路外壁包覆加热带和保温材料使加湿后的反应气体在输送过程中相对湿度保持稳定。
优选地，本实施例的用于测试燃料电池堆的装置还包括氮气吹扫管路，氮气吹扫管路具有第一出口和第二出口，第一出口连接至第一流量控制单元21与第一加湿器31之间，第二出口连接至第二流量控制单元22与第二加湿器32之间。氮气吹扫管路分别接入了氢气管路和空气管路，在测试前或者测试结束后对氮气吹扫管路通入氮气，进而对氢气管路和空气管路进行氮气吹扫，并强制设定吹扫时间，确保燃料电池的反应过程不受外界杂质的影响，提高燃料电池性能测试结果的精确性，保证测试装置和测试电池堆的安全。
优选地，氮气吹扫管路的第一出口的管路上和第二出口的管路上均设置有氮气流量控制单元70，氮气流量控制单元70与控制系统电连接。氮气流量控制单元70用于调节氮气的流量，这样设置可以对通入氢气管路和空气管路的氮气进行流量控制。
优选地，本实施例的用于测试燃料电池堆的装置还包括辅助液体管路，辅助液体管路的出口端与第一加湿器31和第二加湿器32均连接。本实施例中的辅助液体管路向加湿系统中通入去离子水，用于供应加湿系统的用水，满足加湿的需要。
优选地，如图3和图4所示，氢气管路、空气管路和辅助液体管路均设置有常闭电磁阀81，氮气吹扫管路设置有常开电磁阀82，常闭电磁阀81和常开电磁阀82与控制系统电连接。当装置停止供电时，长期供应气体的工作气体供应系统中，氢气管路和空气管路的常闭电磁阀81此时为常闭状态，使氢气和空气停止通入到燃料电池堆10或其他管路中，氮气吹扫管路的常开电磁阀82为常开状态，继续通入氮气，把在管路中剩余的反应气体排出到装置外，确保了本装置和测试电池堆的安全。当装置开始运作时，可通过控制系统对常闭电磁阀81和常开电磁阀82发出信号，控制常闭电磁阀81和常开电磁阀82的开闭状态。
优选地，如图5所示，本实施例的用于测试燃料电池堆的装置还包括冷却水循环系统，冷却水循环系统包括：散热器51、冷却风扇52、水箱53、冷却水泵54、温度传感器和循环管道；循环管道两端分别连接至燃料电池堆10，循环管道由第一端至第二端依次设置有散热器51、水箱53、冷却水泵54，温度传感器的温度采集端55分别设置在第一端和第二端与燃料电池堆10相接的位置上，冷却风扇52安装在散热器51上，冷却水泵54和温度传感器均与控制系统电连接。冷却水循环系统用于确保被测燃料电池堆10在设定的温度范围内运行。水箱53中的去离子水经由冷却水泵54送入燃料电池堆10，与燃料电池发生热交换后流出电池堆进入风冷散热器51，将热量交换至实验环境中，最后流回冷却水箱53。本装置的冷却水循环系统采用一个冷却水泵54为被测燃料电池堆10提供精确的冷却水流量控制。温度传感器将温度采集端55检测的温度信息并传输给控制系统，控制系统通过控制冷却水泵54的泵速调节冷却水的流量，保证测试过程中燃料电池堆10在设定温度范围内运行。由于不同功率的燃料电池堆10产生热量的变化范围很大，冷却水循环系统可根据具体需要选择一个或多个不同流量范围的冷却水泵54的组合，为测试过程中不同功率的燃料电池堆提供精确的冷却水流量控制，通过控制系统调节冷却风扇52的转速来精确控制冷却换热量，从而保证燃料电池堆10在测试过程中处于设定的工作温度范围内。
优选地，如图6所示，本实施例的用于测试燃料电池堆的装置还包括废气排放系统，废气排放系统包括氢气尾气管路、空气尾气管路、第一换热器61、第二换热器62、排水管路、第一气水分离器63和第二气水分离器64；氢气尾气管路连接至燃料电池堆10的阳极反应尾气出口，氢气尾气管路用于接通燃料电池堆10阳极产生的尾气；空气尾气管路连接至燃料电池堆10的阴极反应尾气出口，空气尾气管路用于接通燃料电池堆10阴极产生的尾气；第一换热器61的入口与空气尾气管路连接；第二换热器62的入口与氢气尾气管路连接；排水管路分别与第一换热器61的出口和第二换热器62的出口连接；第一气水分离器63与第一换热器61的出口连接，第一气水分离器63的水路出口与排水管路连接；第二气水分离器64与第二换热器62的出口连接，第二气水分离器64的水路出口与排水管路连接；第一气水分离器63还包括空气排放出口，空气排放出口连接有空气排放管路；第二气水分离器64还包括氢气排放出口，氢气排放出口连接有氢气排放管路。其中，第一换热器61和第二换热器62均采用水冷换热型，冷却介质为自来水。
废气排放系统用于燃料电池堆10废气的安全回收和排放，反应后的氢气尾气进入氢气尾气管路，经过第二换热器62进行冷却，然后通过第二气水分离器64，其中尾气中的水分流入排水管路，尾气中的氢气经燃气排放管路排入大气；反应后的空气尾气进入空气尾气管路，经过第一换热器61进行冷却，然后通过第一气水分离器63，其中尾气中的水分流入排水管路，尾气中的空气经空气排放管路排入大气。
优选地，本实施例的用于测试燃料电池堆的装置还包括氢气质量流量控制器41和空气质量流量控制器42，氢气质量流量控制器41设置在氢气管路上，并位于第一流量控制单元21下游；空气质量流量控制器42设置在空气管路上，并位于第二流量控制单元22下游；氢气质量流量控制器41和空气质量流量控制器42分别与控制系统电连接。氢气质量流量控制器41和空气质量流量控制器42用于检测进行反应的氢气和空气的质量，并发送信号至控制系统。
优选地，用于测试燃料电池堆的装置还包括电子负载系统，该负载系统可采用恒流、恒压和恒定功率三种模式模拟燃料电池系统实际运行过程中终端用户的用电情况，实现对加载工作状态下燃料电池堆的各项性能指标的精确测试。
本实施例的用于测试燃料电池堆的装置的控制系统，采用上中下三层架构的模块化设计，具体包括上层人机界面、中层控制器及下层现场测试设备，其中，上层人机界面采用虚拟仪器(LabVIEW)软件编写，主要功能包括输入控制信息，监测流量、温度、湿度、节电压等参数信息，报警故障信息，同时支持通用接口总线(GPIB)、数据采集卡(PXI)等硬件接口和Modbus、CANopen等软件协议，提高与多种测试设备(如电化学工作站)的兼容性和扩展性。中层控制器采用可编程逻辑控制器(PLC)，与人机界面通过OPC Server的方式进行数据交互并执行人机界面发来的指令。同时运行控制逻辑的PLC可独立控制装置的所有设备，在上层人机界面死机后自动保护装置和燃料电池堆10的安全稳定运行。下层现场信号采集系统包括温度、压力、流量、液位、电压、电流传感器及数据采集系统，各传感器由直流电源供电。数据采集系统采用标准信号与中层控制器的I/O卡件进行通信。控制系统还采用硬接线的方式提供紧急停机按钮，保证燃料电池堆10和测试平台的整体安全性。
测试过程中人机界面通过主界面的声光报警提示测试人员系统报警信息、测试装置报警信息和燃料电池堆10报警信息；通过系统设置画面，测试人员进行相关系统参数配置；通过系统流程图界面查看整个测试流程，监测和控制装置的所有阀门；通过本装置运行参数界面查看和监测氢气出入堆温度、空气出入堆温度、冷却水出入堆温度等参数；通过电池堆性能监控画面实时对比燃料电池堆10的节电压等性能测试数据，所有采集数据保存于本机，方便测试人员进行数据分析和数据追溯查询。
如图7所示，本实施例的用于测试燃料电池堆的装置在结构上采用分区化设计，将整个装置分为测试区、调试区和控制区三个独立区域。其中，调试区位于测试区和控制区之间。同时，在测试区设有通风系统，保证测试区内为负压，使测试平台内的气体从控制区流向测试区，确保测试区内可能泄露出的微量氢气直接排出装置，避免被控制区可能产生的电火花引燃。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，包括：
工作气体供给系统，与燃料电池相连，所述工作气体供给系统包括：氢气管路和空气管路；所述氢气管路上设有第一流量控制单元，所述第一流量控制单元用于检测和控制氢气的流量；所述空气管路上设有第二流量控制单元，所述第二流量控制单元用于检测和控制空气的流量；
控制系统，与所述第一流量控制单元和第二流量控制单元分别电连接，所述控制系统用于收集所述第一流量控制单元和所述第二流量控制单元发出的检测信号，以记录所述氢气管路中的氢气流量和所述空气管路的空气流量。
2.根据权利要求1所述的用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，还包括加湿系统，所述加湿系统设置在所述燃料电池与所述工作气体供给系统之间。
3.根据权利要求2所述的用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，所述加湿系统包括：
第一加湿器，设置在所述第一流量控制单元与所述燃料电池之间；
第二加湿器，设置在所述第二流量控制单元与所述燃料电池之间。
4.根据权利要求3所述的用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，还包括氮气吹扫管路，所述氮气吹扫管路具有第一出口和第二出口，所述第一出口连接至所述第一流量控制单元与所述第一加湿器之间，所述第二出口连接至所述第二流量控制单元与所述第二加湿器之间。
5.根据权利要求4所述的用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，所述第一出口的管路上和所述第二出口的管路上均设置有氮气流量控制单元。
6.根据权利要求5所述的用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，还包括辅助液体管路，所述辅助液体管路的出口端与所述第一加湿器和所述第二加湿器均连接。
7.根据权利要求6所述的用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，所述氢气管路、所述空气管路和所述辅助液体管路均设置有常闭电磁阀，所述氮气吹扫管路设置有常开电磁阀，所述常闭电磁阀和所述常开电磁阀与所述控制系统电连接。
8.根据权利要求1所述的用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，还包括冷却水循环系统，所述冷却水循环系统包括：散热器、冷却风扇、水箱、冷却水泵、温度传感器和循环管道；
所述循环管道两端分别连接至所述燃料电池堆，所述循环管道由第一端至第二端依次设置有所述散热器、所述水箱、所述冷却水泵，所述温度传感器的温度采集端分别设置在所述第一端和第二端与所述燃料电池堆相接的位置上，所述冷却风扇安装在所述散热器上，所述冷却水泵和所述温度传感器均与所述控制系统电连接。
9.根据权利要求1所述的用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，还包括废气排放系统，所述废气排放系统包括：
氢气尾气管路，连接至所述燃料电池堆的阳极反应尾气出口，用于接通燃料电池堆阳极产生的尾气；
空气尾气管路，连接至所述燃料电池堆的阴极反应尾气出口，用于接通燃料电池堆阴极产生的尾气；
第一换热器，入口与所述空气尾气管路连接；
第二换热器，入口与所述氢气尾气管路连接；
排水管路，分别与所述第一换热器的出口和所述第二换热器的出口连接；
第一气水分离器，与所述第一换热器的出口连接，所述第一气水分离器的水路出口与所述排水管路连接；
第二气水分离器，与所述第二换热器的出口连接，所述第二气水分离器的水路出口与所述排水管路连接；
所述第一气水分离器还包括空气排放出口，所述空气排放出口连接有空气排放管路；所述第二气水分离器还包括氢气排放出口，所述氢气排放出口连接有氢气排放管路。
10.根据权利要求1所述的用于测试燃料电池堆的装置，其特征在于，还包括：
氢气质量流量控制器，设置在所述氢气管路上，并位于所述第一流量控制单元下游；
空气质量流量控制器，设置在所述空气管路上，并位于所述第二流量控制单元下游；所述氢气质量流量控制器和所述空气质量流量控制器分别与所述控制系统电连接。
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