CN107591548A - 一种燃料电池加湿器测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，包括干空气产生单元、空气加热单元、空气加湿单元、数据采集系统和自动控制系统，其中，干空气产生单元用于产生测试所需的具有一定压力的干燥压缩空气；空气加热单元用于将干燥压缩空气加热到测试设定温度；空气加湿单元用于产生蒸汽，加湿干燥压缩空气，模拟待测加湿器的加湿侧气体或被加湿侧气体；数据采集及自动控制系统用于设定测试条件、收集测试数据。与现有技术相比，本发明可控制空气流经加湿器前的温度、相对湿度、压力及空气质量流量，测试空气在流经加湿器前后的压降、温度变化及相对湿度变化，进而得到加湿器内水分传热传质的测定，为加湿器的设计、优化、应用提供数据依据。

Description

一种燃料电池加湿器测试平台

技术领域

本发明涉及燃料电池加湿器领域，尤其是涉及一种燃料电池加湿器测试平台。

背景技术

燃料电池是通过转化燃料化学能变成电能的电池，与一次电池和二次电池有着本质的区别。一次电池需要活性物质反应来供电，一旦反应结束，电池就报废掉。二次电池虽然可以重复使用，但在充电时却不可以，对燃料电池而言，只要满足燃料的不断供给，就能连续放电，不受时间与空间的限制，操作简单，节省人力。由于它具有高能量转换率、低噪声和接近于零的尾气污染，成为热门研究方向。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的工作原理跟其他燃料电池的工作原理相同，都是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。不同的是PEMFC电解质是质子交换膜，要完成整个供电过程，必须利用质子交换膜将质子从阳极传递到阴极。质子交换膜在工作过程中保证一定的湿度以保持良好的导电率，因此燃料电池系统中需要使用加湿器以完成上述任务。

为了保证燃料电池具有较高的工作性能，需要使用加湿器对通入其中的空气加湿。因此有必要设计一种可以快速准确测试加湿器性能，并通过对加湿器内水分传热传质的测定，为加湿器的设计、优化、应用提供数据依据的测试平台。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池加湿器测试平台。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池加湿器测试平台，包括干空气产生单元、空气加热单元、空气加湿单元、数据采集系统和自动控制系统，其中，干空气产生单元、空气加热单元和空气加湿单元通过管路依次连接组成进口管路，并连接待测加湿器的气体入口，待测加湿侧的气体出口还通过出口管路连接外部大气，所述的数据采集系统分布在待测加湿器的进口管路和出口管路上，并分别用于采集进入/离开待测加湿器的空气状况，所述数据采集系统还反馈连接自动控制系统，所述自动控系统还连接并控制干空气产生单元、空气加热单元和空气加湿单元。

优选的，所述的待测加湿器的进口管路和出口管路均设有两条，分别为加湿侧和被加湿侧的进口管路、出口管路，所述的加湿侧和被加湿侧的进口管路上分别设置一套依次连接的干空气产生单元、空气加热单元和空气加湿单元，在加湿侧和被加湿侧的进口管路和出口管路上还设有一套独立的数据采集系统。

更优选的，所述的干空气产生单元的出口通过三通接头分别引出加湿侧进口管路和被加湿侧进口管路，其中，所述加湿侧进口管路和被加湿侧进口管路上分别设置空气加热单元和空气加热单元，并分别连接待测加湿器的加湿侧和被加湿侧的气体入口。

优选的，所述的干空气产生单元包括依次连接的空气压缩机和空气过滤器，在空气过滤器底部还设有排污阀。

优选的，所述的空气加热单元采用翅片加热器，其数量为两个或以上。

更优选的，所述的翅片加热器外还包裹有隔热材料层。

优选的，所述的空气加湿单元包括蒸汽锅炉和空气加湿器，其中，空气加湿器的空气入口通过管路连接所述空气加热单元，蒸汽入口通过管路连接所述蒸汽锅炉，混合气体出口通过管路连接待测加湿器的气体入口。

更优选的，在蒸汽锅炉与空气加湿器之间管路上还设有蒸汽针阀，在空气加湿器下方还安装有排水球阀。

优选的，所述的数据采集系统包括流量控制器、调压阀、温度传感器、相对湿度传感器、压力传感器和压差传感器，其中，流量控制器设置在进口管路上的干空气产生单元与空气加热单元之间位置，待测加湿器的气体入口处还设有一个温度传感器、相对湿度传感器和压力传感器，出口管路上还设有一个温度传感器、相对湿度传感器、压差传感器和调压阀。自动控制系统采用常规的如PLC控制系统即可。

更优选的，所述的调压阀包括电动调压阀和手动调压阀。

本发明通过采用自动控制系统和数据采集系统的反馈控制模式，严格控制空气进口管路中的干空气产生单元、空气加热单元、空气加湿单元的运行，从而可以准确控制进入待测加湿器的流量、压力、温度、湿度，进而，再通过数据采集系统对从待测加湿器出来的气体的状态的测量，对比进出待测加湿器的压力、温度、湿度等，即可以准确测量待测加湿器的传热传质效果及整体性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可以准确控制进入加湿器的气体的流量、压力、温度、湿度；

(2)可以准确测量加湿器的传热传质效果及整体性能。

附图说明

图1为本发明的流程结构图；

图2为本发明的数据收集系统及自动控制系统示意图；

图中，1为空气压缩机，2为进气总管，3为空气过滤器，4为加湿侧进口管路，5为流量控制器，6为翅片加热器，7为空气加湿器，8为蒸汽针阀，9为加湿管路，10为球阀，11为蒸汽锅炉，12为加湿侧出口管路，13为手动调压阀，14为电动调压阀，15为被加湿侧出口管路，16为加湿侧进口管路，17为排污阀，18为压差传感器，19为相对湿度传感器，20为温度传感器，21为排水球阀，22为压力传感器，23为待测加湿器，24为数据收集系统，25为自动控制系统。

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

一种燃料电池加湿器测试平台，包括干空气产生单元、空气加热单元、空气加湿单元、数据采集系统和自动控制系统。其中，

干空气产生单元：包括空气压缩机1、空气过滤器3。其中，空气压缩机1可以将空气压缩到0.6MPa以上；空气过滤器3可以过滤去除掉压缩空气中水分、杂质和油污等。空气过滤器3下设有的排污阀17，可以手动打开，排出空气过滤器内的水分、灰尘、油污等。

空气加热单元采用翅片式加热器6，数量为两个或以上，在不同流量下开启不同数量的加热器，以满足每个流量下温度都能达到相应的设定值。翅片式加热器6外包裹有隔热材料，隔绝外界环境温度对加热器性能的影响，提高加热效果。

空气加湿单元包括蒸汽锅炉11、空气加湿器7、蒸汽针阀8和排水球阀21。其中，蒸汽锅炉11设有断水报警及缺水保护，在蒸汽锅炉11缺水或无水时，可以实现自动补水；蒸汽锅炉11出口与蒸汽针阀8之间为加湿管路9；蒸汽针阀8不同空气流量、不同相对湿度对应着不同针阀开度；排水球阀21安装在空气加湿器7下方，便于每次做完实验后，打开排水球阀21把冷凝的水排出。

数据采集系统24及自动控制系统25，包括流量控制器5、电动调压阀14、手动调压阀13、温度传感器20、相对湿度传感器19、压力传感器22、压差传感器18及控制器。电动调压阀14粗调管路压力，手动调节阀13配合电动调节阀14来细调管路的压力，并且在做不同工况点转换时(一般从低相对湿度工况做到高相对湿度工况)通过微调此手动调节阀，保持压力在设定值附近。

干空气产生单元、空气加热单元、空气加湿单元、数据采集系统和自动控制系统的连接关系可如图1所示，具体为：

空气压缩机1通过进气总管2连接空气过滤器3，并从空气过滤器3分出对称设置的两条管路：加湿侧进口管路4和被加湿侧进口管路16，在加湿侧进口管路4/被加湿侧进口管路16上依次设置流量控制器4、加热器6和空气加湿器7，其中，空气加湿器7还通过加湿管路9连接蒸汽锅炉，在加湿管路9上还设有蒸汽针阀8和球阀10。加湿侧进口管路4/被加湿侧进口管路16的空气加湿器7的出口分别通过管路连接待测加湿器23的加湿侧气体入口和被加湿侧气体入口，待测加湿器23的加湿侧气体出口和被加湿侧气体出口分别连接加湿侧出口管路12和被加湿侧出口管路15。待测加湿器23的加湿侧和被加湿侧的气体入出口管路上都设有温度传感器20、相对湿度传感器19、压力传感器22、压差传感器18。在加湿侧出口管路12和被加湿侧出口管路15上均设有电动调压阀14和手动调压阀13。

上述的流量控制器5、电动调压阀14、手动调压阀13、温度传感器20、相对湿度传感器19、压力传感器22、压差传感器18还反馈连接自动控制系统25(如PLC控制器等)。

下面以某一具体工况阐述测试流程。

测试工况：

加湿侧：空气质量流量为9g/s，进口温度为80℃，进口相对湿度为50％，管路压力180kpa。

被加湿侧：空气质量流量为9g/s，进口温度为70℃，进口相对湿度低于10％，管路压力220kpa。

测试流程：

(1)打开加湿管路上的球阀10。打开空气加湿器7下端的排水球阀21。打开空气过滤器3下方的排污阀17。

(2)打开电源，给自动控制系统25通电。打开空气压缩机1、电动调压阀14、加热器6、空气加湿器7、蒸汽锅炉11开关。

(3)运行自动控制系统25上的控制软件。当空气压缩机1中产生空气压力0.8Mpa时，在操作控制界面上加湿侧与被加湿侧流量输入所控空气流量9g/s。运行十分钟。

(4)关闭空气加湿器7下端的排水球阀21。关闭压缩空气过滤器3下方的排污阀17。

(5)通过电动调节阀控制加湿侧与被加湿侧两侧的管路压力，调节时保证两侧的压差不能超过50kPa，使得加湿侧进口管路4压力至160kPa左右，被加湿侧进口管路16压力至190kPa左右。

(6)在控制软件界面上设置加湿侧进口温度80℃，被加湿侧进口温度70℃，打开温度自动调节。

(7)在加湿侧进口温度值未到达设定值之前进行蒸汽锅炉11水加热，当相对湿度值接近50％时，设置加湿侧进口相对湿度为50％，打开相对湿度自动调节。

(8)待系统稳定(至少稳定半小时)，导出数据并保存。

(9)比较分析待测加湿器23在不同入口气体工况下，其输出的气体的状态参数，即可得到待测加湿器23的可靠评估数据。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，包括干空气产生单元、空气加热单元、空气加湿单元、数据采集系统和自动控制系统，其中，干空气产生单元、空气加热单元和空气加湿单元通过管路依次连接组成进口管路，并连接待测加湿器的气体入口，待测加湿侧的气体出口还通过出口管路连接外部大气，所述的数据采集系统分布在待测加湿器的进口管路和出口管路上，并分别用于采集进入/离开待测加湿器的空气状况，所述数据采集系统还反馈连接自动控制系统，所述自动控系统还连接并控制干空气产生单元、空气加热单元和空气加湿单元。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，所述的待测加湿器的进口管路和出口管路均设有两条，分别为加湿侧和被加湿侧的进口管路、出口管路，所述的加湿侧和被加湿侧的进口管路上分别设置一套依次连接的干空气产生单元、空气加热单元和空气加湿单元，在加湿侧和被加湿侧的进口管路和出口管路上还设有一套独立的数据采集系统。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，所述的干空气产生单元的出口通过三通接头分别引出加湿侧进口管路和被加湿侧进口管路，其中，所述加湿侧进口管路和被加湿侧进口管路上分别设置空气加热单元和空气加热单元，并分别连接待测加湿器的加湿侧和被加湿侧的气体入口。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，所述的干空气产生单元包括依次连接的空气压缩机和空气过滤器，在空气过滤器底部还设有排污阀。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，所述的空气加热单元采用翅片加热器，其数量为两个或以上。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，所述的翅片加热器外还包裹有隔热材料层。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，所述的空气加湿单元包括蒸汽锅炉和空气加湿器，其中，空气加湿器的空气入口通过管路连接所述空气加热单元，蒸汽入口通过管路连接所述蒸汽锅炉，混合气体出口通过管路连接待测加湿器的气体入口。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，在蒸汽锅炉与空气加湿器之间管路上还设有蒸汽针阀，在空气加湿器下方还安装有排水球阀。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，所述的数据采集系统包括流量控制器、调压阀、温度传感器、相对湿度传感器、压力传感器和压差传感器，其中，流量控制器设置在进口管路上的干空气产生单元与空气加热单元之间位置，待测加湿器的气体入口处还设有一个温度传感器、相对湿度传感器和压力传感器，出口管路上还设有一个温度传感器、相对湿度传感器、压差传感器和调压阀。

10.根据权利要求9所述的一种燃料电池加湿器测试平台，其特征在于，所述的调压阀包括电动调压阀和手动调压阀。