CN108520968B - 一种多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统 - Google Patents

一种多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统。包括计算机操作系统、ECU电子控制单元、各子控制系统、燃料电池堆、燃料电池性能曲线测试系统、微观应变测量系统和测试不同种类参数的传感器及感应膜。各类传感器、感应膜组件、微观应变测量系统和燃料电池性能曲线测试系统通过传输总线向ECU电子控制单元反馈测得的数据信号，ECU进行分析并定时按10％增减改变初试设定值，改变膜吸水膨胀力、多孔介质热应力、冷却水压力、燃料电池堆夹紧力和振动冲击力，自动优化出最佳燃料电池堆整体性能。智能化程度高、燃料电池堆受力种类全面、微观至宏观尺度范围广、测量参数全面、测试效率高。

Description

一种多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统
技术领域
本发明属于燃料电池堆性能试验测试技术领域，具体涉及一种多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统。
背景技术
燃料电池直接有效地将氢燃料中的化学能转化为电能，燃料加注时间仅需几分钟，生成物只有水，排放无污染，绿色环保。因此，燃料电池具有高能效、低排放等特点，显示了减少能源消耗、污染物排放和对化石燃料依赖的巨大潜力，近年来得到了各国政府、各大公司以及各研究机构的高度重视和广泛研究，并在很多领域展示了广阔的应用前景，尤其是在新能源汽车领域取得了巨大发展。
国家大力发展新能源汽车，其中燃料电池汽车的补贴保持不变，国家重点研发项目加大对燃料电池堆性能耐久性和稳定性的研究。燃料电池堆运行过程中受到的热应力、膜膨胀力、冷却水压力、安装夹紧力和振动冲击力等，严重影响了燃料电池堆的性能稳定和寿命。因此，分析各种力对燃料电池堆的性能影响尤其重要，目前现有技术没有全面考虑不同类型力作用对燃料电池堆的性能影响，大多只考虑一种受力类型对燃料电池堆的性能影响，但是，燃料电池堆实际运行过程中，承受多种不一样的力，且各种力是相互影响的。因此，急需一种能够考虑多种应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统。
发明内容
本发明目的在于提供一种智能化程度高、燃料电池堆受力种类全面、微观至宏观尺度范围广、测量参数全面、测试效率高的燃料电池堆试验测试系统，不仅能对燃料电池堆受到不同类型力、多种力组合的性能变化进行准确测试，还能对多种力组合下燃料电池组件多孔介质组件的微观结构变形进行有效测量，给燃料电池堆的性能优化方面提供参考价值。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统，包括计算机操作系统、ECU电子控制单元、燃料电池堆、子控制系统、微观应变测量系统、燃料电池性能曲线测试系统、传感器以及感应膜；
所述子控制系统包括氢气湿度控制系统、冷却水温度控制系统、冷却水压力控制系统、夹装压力控制系统、振动冲击控制系统；
所述传感器包括湿度传感器、冷却水温度传感器、冷却水压力传感器、空气压力传感器、转速传感器、电堆振幅传感器；
所述感应膜包括温度感应膜、压力感应膜；
其中，ECU电子控制单元连接上述各子控制系统和计算机操作系统；
氢气湿度控制系统与增湿器连接控制氢气进入燃料电池堆；
冷却水温度控制系统与加热器连接，冷却水压力控制系统与冷却水泵连接，冷却水泵与加热器连接，控制冷却水进入燃料电池堆；
夹装压力控制系统与空气压缩机连接，空气压缩机与燃料电池堆的安装夹紧板连接；
振动冲击控制系统与电机连接，电机通过振动凸轮与燃料电池堆刚性连接；
燃料电池堆侧面透明盖板与微观应变测量系统连接，燃料电池堆的正负极与燃料电池性能曲线测试系统连接；
微观应变测量系统、燃料电池性能曲线测试系统、传感器及感应膜组件通过总线与ECU电子控制单元连接，用于向ECU电子控制单元反馈测得的数据信号。
按上述方案，所述的湿度传感器安装于增湿器出口管道5cm处；所述的冷却水温度传感器安装于加热器出口管道5cm处；所述的冷却水压力传感器安装于加热器出口管道15cm处；所述的空气压力传感器安装于空气压缩机出口管道5cm处；所述的转速传感器安装于电机主轴处；所述的电堆振幅传感器安装于燃料电池堆顶部中间位置。
按上述方案，所述的温度感应膜布置在阳极催化层与阳极气体扩散层之间、阴极气体扩散层与金属双极板之间，沿着周边均匀分布，每边3个；所述的压力感应膜布置在阴极催化层与阴极气体扩散层之间、阳极气体扩散层与金属双极板之间，沿着周边均匀分布，每边3个。
按上述方案，所述的微观应变测量系统通过微观应变测试仪得到微米尺度的变形数据。
按上述方案，所述的空气压缩机出口通过多根耐高压金属软管与安装夹紧板连接，沿着夹紧板表面均布受力，通过改变出口压缩空气的压力来改变燃料电池堆的安装夹紧力，通过改变软管的数量和分布来改变燃料电池堆的安装夹紧力分布。
按上述方案，所述的电机主轴与振动凸轮旋转轴连接，通过改变电机的转数来改变燃料电池堆的振动频率，通过改变凸轮的轮廓形状来改变燃料电池堆的振动幅度和曲线。
本发明相对于现有技术有益效果如下：
智能化程度高。各类传感器通过总线将反馈数据信号传输给ECU电子控制单元，测试系统工作时，ECU电子控制单元通过将反馈的参数进行分析，判断参数是否稳定并且达到要求，改变输入电信号的大小来改变各子系统执行设备的运行参数，从而测试不同应力组合下燃料电池堆的性能参数及内部微观结构变化，通过感应膜、微观应变测量系统和燃料电池性能曲线测试系统直接得到或通过ECU电子控制单元计算间接得到结果图表，这些数据通过数据线传送到计算机操作系统，经过处理可以直观的看到每一个工况下的输入输出数据和结果图表，ECU电子控制单元定时每1h以10％增减改变某一项初始设定值，最终可以得到多个应力组合影响下的输入数据及输出结果，计算机操作系统根据内置算法自动优化出最佳应力组合类型，使得燃料电池堆性能最优。
受力种类全面。热应力、膜膨胀力、冷却水压力、安装夹紧力和振动冲击力，可以随意组合，改变初始设定值或目标参数值，就可以实现燃料电池堆承受一种、多种或全部类型的力作用的性能变化以及微观结构变化，通过反馈数据，计算处理得到结果图表，便于对比不同运行工况(不同应力组合)下的性能差异和结构变化，为燃料电池堆的性能优化及改进提供强有力的试验研究支撑。
测量参数全面。本发明的传感元件布置种类全面、传感元件布置位置合理，不仅包括各工况下燃料电池堆外部传感器输入参数的数据测量，如氢气湿度、冷却水温度、冷却水压力、压缩空气压力、电机转速和燃料电池堆振幅，还包括燃料电池堆内部温度感应膜、压力感应膜、微观应变和性能曲线测试结果的数据测量。测试系统记录燃料电池堆每个工况下稳定后的输入、输出数据，测量的参数全面，为后续计算机操作系统的数据处理和结果图表的输出提供保障。
附图说明
附图1：本发明燃料电池堆性能测试系统结构示意图；
附图2：本发明ECU电子控制单元工作流程示意图；
其中，1、计算机操作系统；2、ECU电子控制单元；3、氢气湿度控制系统；4、冷却水温度控制系统；5冷却水压力控制系统；6、夹装压力控制系统；7、振动冲击控制系统；8、增湿器；9、加热器；10、冷却水泵；11、空气压缩机；12、电机；13、湿度传感器；14、冷却水温度传感器；15、冷却水压力传感器；16、空气压力传感器；17、转速传感器；18、安装夹紧板；19、振动凸轮；20、燃料电池堆；21、微观应变测量系统；22、燃料电池性能曲线测试系统；23、温度感应膜；24、压力感应膜；25、电堆振幅传感器。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
参照图1所示，本发明所述的多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统，包括计算机操作系统1、ECU电子控制单元2、氢气湿度控制系统3、冷却水温度控制系统4、冷却水压力控制系统5、夹装压力控制系统6、振动冲击控制系统7、增湿器8、加热器9、冷却水泵10、空气压缩机11、电机12、安装夹紧板18、振动凸轮19、燃料电池堆20、微观应变测量系统21、燃料电池性能曲线测试系统22、传感器及感应膜组件。
ECU电子控制单元2连接各子控制系统3/4/5/6/7和计算机操作系统1，氢气湿度控制系统3与增湿器8连接，冷却水温度控制系统4与加热器9连接，冷却水压力控制系统5与冷却水泵10连接，冷却水泵10与加热器9连接，夹装压力控制系统6与空气压缩机11连接，空气压缩机11与燃料电池堆20的安装夹紧板18连接，振动冲击控制系统7与电机12连接，电机12与振动凸轮19连接，燃料电池堆20侧面透明盖板与微观应变测量系统21连接，燃料电池堆20的正负极与燃料电池性能曲线测试系统22连接，微观应变测量系统21、燃料电池性能曲线测试系统22、传感器及感应膜组件通过总线与ECU电子控制单元2连接，用于向ECU电子控制单元2反馈测得的数据信号。
传感器及感应膜组件包括湿度传感器13、冷却水温度传感器14、冷却水压力传感器15、空气压力传感器16、转速传感器17、电堆振幅传感器25、温度感应膜23和压力感应膜24，如图1所示。湿度传感器13安装于增湿器8出口管道5cm处，冷却水温度传感器14安装于加热器9出口管道5cm处，冷却水压力传感器15安装于加热器9出口管道15cm处，空气压力传感器16安装于空气压缩机11出口管道5cm处，转速传感器17安装于电机12主轴处，电堆振幅传感器25安装于燃料电池堆20顶部中间位置，温度感应膜23布置在阳极催化层与阳极气体扩散层之间、阴极气体扩散层与金属双极板之间，沿着周边均匀分布，每边3个，压力感应膜24布置在阴极催化层与阴极气体扩散层之间、阳极气体扩散层与金属双极板之间，沿着周边均匀分布，每边3个。
ECU电子控制单元的工作流程参照附图1、2所示，ECU电子控制单元2设置初始设定值或目标参数值，根据各类传感器的反馈信号，ECU电子控制单元2判断是否增大输入各子控制系统3/4/5/6/7的电信号，从而调整增湿器8、加热器9、冷却水泵10、空气压缩机11和电机12的工作参数。运行稳定5分钟后，测量若干个应力组合工况下的燃料电池堆20的测试参数，计算机操作系统1生成相应结果图表。
接通电源后ECU电子控制单元2根据初始设定值控制增湿器8、加热器9、冷却水泵10、空气压缩机11和电机12工作参数使得燃料电池堆性能测试系统运转稳定，热机时间持续5min，稳定之后开始测定各参数。若记录结束，且确认数据正常，此时改变初始设定值，即改变多种应力组合，热应力、膜膨胀力、冷却水压力、安装夹紧力和振动冲击力，初始设定值不同，应力组合数量和类型也不同，此时ECU电子控制单元2根据改变的设定值增大或减小输入电信号，改变增湿器8、加热器9、冷却水泵10、空气压缩机11和电机12的工作参数，测试下一工况的各参数。测试系统数据通过数据线传送到计算机操作系统1，可以实时显示直接测量的数据和经过计算处理的结果图表，如氢气湿度、冷却水温度、冷却水压力、压缩空气压力、电机转速、电堆振幅、温度感应膜温度、压力感应膜压力、微观结构标注图片和电池性能极化曲线，可以直观的看到每一个工况下各参数的变化。ECU电子控制单元定时每1h以10％增减改变某一项初试设定值，最终可以得到多个应力组合影响下的输入数据及输出结果，见表1所示，计算机操作系统根据内置算法自动优化出最佳应力组合类型，使得燃料电池堆性能最优。
以下针对多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统具体举例说明
测试的步骤为：计算机操作系统、微观应变测量系统和燃料电池性能曲线测试系统接通电源启动；设置初始湿度、冷却水温度、冷却水压力、压缩空气压力、电机转数或目标参数值，ECU控制各子控制系统的执行设备输出参数，各系统低负载下稳定工作一定时间，根据传感器的反馈信号，ECU判断是否增大各子控制系统的电信号，从而调整各执行设备的输出参数；若已达到目标参数值并稳定，ECU检测微观应变测量系统、燃料电池性能曲线测试系统、温度感应膜、压力感应膜和电堆振幅传感器的数据并进行分析处理，得到燃料电池堆内部的温度分布、压力分布、微观应变、极化性能曲线和相应图表；ECU电子控制单元定时每1h以10％增减改变某一项初试设定值，得到燃料电池堆多种应力组合影响下的测试数据及输出结果，计算机操作系统根据内置算法自动优化出最佳应力组合类型，使得燃料电池堆性能最优；测试结束。
测试具体操作示例：首先使计算机操作系统、微观应变测量系统和燃料电池性能曲线测试系统接通电源；在计算机操作系统1中设置氢气湿度为90％、冷却水温度为10℃、冷却水压力0.3MPa、压缩空气压力为0.5MPa和电机转速为120r/min，此时应力组合影响包括热应力、膜膨胀力、冷却水压力、安装夹紧力和振动冲击力，并通过微观应变测量系统21获取初试状态的燃料电池堆内部微观结构；启动所有系统，调整燃料电池性能曲线测试系统22的负载，当各项传感器反馈数据稳定后，开始改变负载，进行性能极化曲线的测试，计算机操作系统1每5min获取微观应变测量系统21的微观结构数据一次，其他所有数据都是每秒钟获取一次，1h测量一组数据，直接测量得到的数据和经过处理计算得到的结果图表，并以多应力组合类型命名存储；根据控制变量法，试验测试依次改变初试设定值，如氢气湿度增减10％，温度及压力递减或递增10％，形成新的应力组合类型，ECU电子控制单元2通过控制输入电信号大小控制得到新的试验参数，ECU电子控制单元定时每1h以10％增减改变某一项初始设定值，得到燃料电池堆多种应力组合影响下的测试数据及输出结果；此时若设定氢气湿度为90％、冷却水温度为10℃、冷却水压力0.3MPa、压缩空气压力为1MPa，则表示燃料电池堆安装夹紧力增大2倍，并且不考虑电堆的振动冲击影响，同样操作运行1h，记录测量并计算输出结果，并以新的应力组合类型命名存储；根据需要，可以组合出一种、多种或全部类型的力作用影响，并且每种应力都可以通过ECU电子控制单元每1h自动递增递减变化，通过对比，计算机操作系统根据内置算法可以得到最优应力组合及每种应力的影响程度，使得燃料电池堆性能最优；测试结束。
以上对发明的实施例进行了详细描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均应归属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统，其特征在于，包括计算机操作系统、ECU电子控制单元、燃料电池堆、子控制系统、微观应变测量系统、燃料电池性能曲线测试系统、传感器以及感应膜；
所述子控制系统包括氢气湿度控制系统、冷却水温度控制系统、冷却水压力控制系统、夹装压力控制系统、振动冲击控制系统；
所述传感器包括湿度传感器、冷却水温度传感器、冷却水压力传感器、空气压力传感器、转速传感器、电堆振幅传感器；
所述感应膜包括温度感应膜、压力感应膜；
其中，ECU电子控制单元连接上述各子控制系统和计算机操作系统；
氢气湿度控制系统与增湿器连接控制氢气进入燃料电池堆；
冷却水温度控制系统与加热器连接，冷却水压力控制系统与冷却水泵连接，冷却水泵与加热器连接，控制冷却水进入燃料电池堆；
夹装压力控制系统与空气压缩机连接，空气压缩机与燃料电池堆的安装夹紧板连接；
振动冲击控制系统与电机连接，电机通过振动凸轮与燃料电池堆刚性连接；
燃料电池堆侧面透明盖板与微观应变测量系统连接，燃料电池堆的正负极与燃料电池性能曲线测试系统连接；
微观应变测量系统、燃料电池性能曲线测试系统、传感器及感应膜组件通过总线与ECU电子控制单元连接，用于向ECU电子控制单元反馈测得的数据信号。
2.如权利要求1所述多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统，其特征在于，所述的湿度传感器安装于增湿器出口管道5cm处；所述的冷却水温度传感器安装于加热器出口管道5cm处；所述的冷却水压力传感器安装于加热器出口管道15cm处；所述的空气压力传感器安装于空气压缩机出口管道5cm处；所述的转速传感器安装于电机主轴处；所述的电堆振幅传感器安装于燃料电池堆顶部中间位置。
3.如权利要求1所述多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统，其特征在于，所述的温度感应膜布置在阳极催化层与阳极气体扩散层之间、阴极气体扩散层与金属双极板之间，沿着周边均匀分布，每边3个；所述的压力感应膜布置在阴极催化层与阴极气体扩散层之间、阳极气体扩散层与金属双极板之间，沿着周边均匀分布，每边3个。
4.如权利要求1所述多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统，其特征在于，所述的微观应变测量系统通过微观应变测试仪得到微米尺度的变形数据。
5.如权利要求1所述多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统，其特征在于，所述的空气压缩机出口通过多根耐高压金属软管与安装夹紧板连接，沿着夹紧板表面均布受力，通过改变出口压缩空气的压力来改变燃料电池堆的安装夹紧力，通过改变软管的数量和分布来改变燃料电池堆的安装夹紧力分布。
6.如权利要求1所述多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统，其特征在于，所述的电机主轴与振动凸轮旋转轴连接，通过改变电机的转数来改变燃料电池堆的振动频率，通过改变凸轮的轮廓形状来改变燃料电池堆的振动幅度和曲线。
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