CN109616680B - 一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，特点是电子负载与燃料电池电堆连接；供液装置、加热装置，流量控制装置、单通道加热装置一次连接至电堆阳极进口，供气装置通过流量控制装置连接电堆阴极进口；主控制器与电子负载、供液装置、供气装置、加热装置、单通道加热装置、背压装置、压差测试装置、气液回收装置、安全保护装置电性连接。优点是实现高压恒流泵、流量控制器数据采集；恒温罐温度采集、控制，电堆阳极进料温度控制、电堆阳极进料流量设定、电堆阴极进料流量设定、电堆阻力降数据采集、电堆背压数据采集、与电子负载通信并采集电压数据与电流数据、多个电堆同时测试需求、内阻测试和电堆自动修复功能。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池测试领域，尤其涉及一种用于直接甲醇燃料电池电堆 不同工作条件下性能的测试台。
背景技术
直接液体燃料电池是将液体燃料(如甲醇、乙醇、二甲醚等)中的化学能直 接转化为电能的一种电化学反应装置。由于直接液体燃料电池系统避免了燃料 重整及净化等复杂的结构，且燃料存储和携带方便，系统结构相对简单，在便 携式移动电源领域具有广阔的应用前景。
直接甲醇燃料电池(DMFC)是目前以液体燃料进料的燃料电池中研究最为广 泛的一种，其工作原理如图1所示。在DMFC工作过程中，甲醇水溶液燃料沿阳极极板的流场通道，经扩散层进入催化层，在阳极电催化剂的作用下发生电化 学氧化反应，生成CO2、质子和电子，质子通过电解质膜传递至阴极区，电子通 过外电路做功进入阴极区，与到达阴极催化层的氧气在电催化剂的作用下发生 电化学还原反应生成水。电堆在整个燃料电池系统中相当于“心脏”的作用， 其性能是燃料电池性能的最核心指标。性能检测设备对于电堆性能的提升有着至关重要的作用。
中国专利申请，申请号201210286966.7，申请日20120813，授权公告号CN102830359B，授权公告日20141105，公开了“一种直接甲醇燃料电池测试系 统”，包括甲醇燃料电堆、电子负载、甲醇回路、空气回路、但其吹扫回路、尾 气处理装置、电堆热管理装置和负载冷却回路，所述的甲醇燃料电堆与电子负 载连接，甲醇回路与甲醇燃料电堆连接，空气回路与甲醇燃料电堆连接，氮气 吹扫回路与甲醇燃料电堆连接，尾气处理装置与甲醇燃料电堆连接，电堆热管 理装置与甲醇燃料电堆连接，负载冷却回路与电子负载连接，其优点是模拟甲醇燃料电池的真是环境状态下进行工作情况，方便对甲醇燃料电池的各方面性 能进行测试，如能对直接甲醇甲醇燃料电池进行L-V曲线测试，不同工况的性 能测试、负载测试及燃料电池寿命测试。缺点是不能对甲醇温度和电堆阳极和 阴极的被压测试不能直接测得。不能调节，不能对多种规格的电堆进行工况测 试。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多通道阵列式直接甲 醇燃料电池电堆活化测试台，结构简单，操作方便，工作效率高，能够提供不 同情况下的测试条件。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，其特点是包括电子 负载、集中供液装置、集中供气装置、集中加热装置、单通道加热装置、背压 装置、压差测试装置、气液回收装置、安全保护装置和主控制器；所述电子负 载与燃料电池电堆连接；所述集中供液装置，通过管道依次连接集中加热装置， 流量控制装置，单通道加热装置连接燃料电池电堆的阳极进口，所述集中供液装置内含液体加压装置，集中供气装置连接燃料电池电堆阴极进口；所述背压 装置包括与燃料电池电堆阳极出口连接的第一背压装置和与燃料电池电堆阴极 出口连接的第二背压装置；所述压差测试装置包括与燃料电池电堆阳极进出口 两端连接第一压差测试装置和与电堆阴极进出口两端连接的第二压差测试装 置，测试电堆阳极与阴极的阻力降；所述气液回收装置具有不少于三个储罐、 纯水发生器和纯甲醇定量加注装置，回收的气液在储罐内部进行气液分离，同时可以完成甲醇溶液浓度调节并注回集中供液装置功能，所述主控制器与电子 负载、集中供液装置、集中供气装置、集中加热装置、单通道加热装置、背压 装置、压差测试装置、气液回收装置、安全保护装置电性连接，多通道可以满 足多个电堆同时测试需求。
进一步的，所述供液装置包括恒温储液罐、液泵，恒温储液罐中贮存有甲 醇水溶液或高纯水，所述的供液装置包含不少于两个储罐，在活化过程中，电 堆阴阳极可通入高纯水并彼此隔离避免相互污染，液泵将恒温储液罐中的甲醇 水溶液输送至燃料电池电堆阳极进口，所述液泵为高精度控制进料泵，所述高 精度控制进料泵选用高压恒流泵或蠕动泵。
进一步的，所述高精度控制进料泵的液体流量0.01ml/min-1000ml/min，控 制精度为±0.01ml/min。
进一步的，所述加热装置包括储液罐热电偶、加热套、温控表、阳极进口 热电偶和温度补偿器；所述温控表与储液罐热电偶、阳极进口热电偶、加热套 和温度补偿器电性连接；所述储液罐热电偶设在加热套内夹层，采集储液罐温 度数据；所述加热套套在恒温储液罐外侧，温控表根据储液罐热电偶采集的储 液罐温度数据判断加热套的开启或关闭；所述阳极进口热电偶设在电堆阳极进口，测量电堆阳极进料温度；所述温度补偿器设在液泵和阳极进口之间，根据 阳极进口热电偶采集的进料温度判断温度补偿器的开启或关闭。
进一步的，所述加热套的加热范围为0℃-85℃，控制精度为±0.1℃。
进一步的，所述第一背压装置包括第一压力变送器、第一背压阀，所述压 力变送器的两端分别连接电堆阳极出口和第一背压阀；所述第二背压装置包括 第二压力变送器、第二背压阀，所述第二压力变送器的两端分别连接电堆阴极 出口和第二背压阀；所述第一背压阀和第二背压阀的压力范围为0-300kPa，分 别实现阳极路、阴极路电堆后端0-300kPa精准背压；所述第一压力变送器和第二压力变送器实时测量压力值，将电信号传送到主控制器。
进一步的，所述第一压差测试装置和第二压差测试装置均使用压力变送器。
进一步的，所述直接甲醇燃料电池电堆测试台还设有内阻测试装置，所述 内阻测试装置包括电化学工作站，所述电化学工作站与燃料电池电堆连接，使 用交流阻抗法对燃料电池电堆内阻进行测试。
进一步的，所述主控制器设置电堆自动修复模块，通过判断电堆的最高功 率值判断电堆性能是否衰减，如果电堆性能出现衰减则电堆自动修复模块对电 堆进行修复。
根据上述技术方案提供的直接甲醇燃料电池电堆测试台，本发明还提供一 种直接甲醇燃料电池电堆自动修复方法，利用电堆测试台检测到的数据和各种 装置对电堆进行自动修复，特点是按照如下步骤进行：
步骤1使用带有电堆自动修复模块的直接甲醇燃料电池电堆测试台对电堆 进行测试；
步骤2通测试电堆放电特性，判断电堆性能是否衰减，如果性能发生衰减， 电堆自动修复模块启动，选择使用电堆性能活化法或反向激励的方法对电堆进 行修复，所述的电堆性能活化法是指通过高纯水去除膜电极内部的阴阳离子杂 质，所述的反向电流激励法是指通过控制电流或电位阶跃的扫描去除催化剂表 面吸附物质或双电层上的杂质；
步骤3修复操作完成后，再次对电堆进行放电特性测试。
直接甲醇燃料电池电堆测试台中的各个零部件与管路之间使用卡套接头或 宝塔头接头等接头连接；卡套接头的工作原理是将钢管插入卡套内，利用卡套 螺母锁紧，抵触卡套，切入管子而密封。它与钢管连接时不需焊接，有利于防 火、防爆和高空作业，并能消除焊接不慎带来的弊端。适用于油、气、水等管路连接。
压力变送器(pressure transmitter)是指以输出为标准信号的压力传感 器，是一种接受压力变量按比例转换为标准输出信号的仪表。它能将测压元件 传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号(如4-20mADC 等)，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。压力变送器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业 自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、 石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
背压阀的名词来源于Back Pressure Valve。代表的意思是由于阀的功能而 形成一定的压力，压力一般可以调节。可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀 性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动。
热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量 温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结 构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常 和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
本文中提及的交流阻抗法是一种利用小幅度交流电压或电流对电极扰动， 进行电化学测试的方法。从获得的交流阻抗数据，可以根据电极的摸拟等效电 路，计算相应的电极反应参数。若将不同频率交流阻抗的虚数部分对其实数部 分作图，可得虚、实阻抗(分别对应于电极的电容和电阻)随频率变化的曲线， 称为电化学阻抗谱(electrochemicalimpedance spectrum；EIS)或交流阻抗 复数平面图。该法在电化学中的应用已较普遍，电化学工作站具备此功能。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)可以实现电堆进料流量的精准控制；
(2)可以实现电堆进料温度的精准控制；
(3)可以实现不同进料状态下电堆阳极、电堆阴极阻力降测试；
(4)可以实现电堆阳极后端、电堆阴极后端不同背压下电堆性能测试；
(7)可以实现不同温度进料条件电堆性能测试；
(8)可以实现不同浓度阳极进料条件电堆性能测试；
(9)可以实现不同阴极进气量条件电堆性能测试；
(10)主控制器并可实现高压恒流泵、流量控制器数据采集；实现恒温罐 温度采集、控制，电堆阳极进料温度控制、电堆阳极进料流量设定、电堆阴极 进料流量设定、电堆阻力降数据采集、电堆背压数据采集、可实现与电子负载 通信采集电压数据与电流数据、可实现数据I-V曲线的自动生成、可实现数据 的保存与导出。
(11)本发明设置电化学工作站和电堆自动修复模块，对电堆的内阻进行 测试的同时，可以依据电堆放电时的最高功率值判断电堆性能是否衰减，并对 性能衰减的电堆进行自动修复。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明加热装置结构示意图。
图3是本发明内阻测试模块与电堆连接结构示意图。
图4是本发明电堆自动修复方法原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，其特 点是包括电子负载、集中供液装置、集中供气装置、集中加热装置、单通道加 热装置、背压装置、压差测试装置、气液回收装置、安全保护装置和主控制器； 电子负载与燃料电池电堆连接；集中供液装置通过管道依次连接集中加热装置，流量控制装置，单通道加热装置连接燃料电池电堆的阳极进口，集中供液装置 内含液体加压装置，集中供气装置连接燃料电池电堆阴极进口；背压装置包括 与燃料电池电堆阳极出口连接的第一背压装置和与燃料电池电堆阴极出口连接 的第二背压装置；压差测试装置包括与燃料电池电堆阳极进出口两端连接第一 压差测试装置和与电堆阴极进出口两端连接的第二压差测试装置，测试电堆阳 极与阴极的阻力降；气液回收装置具有不少于三个储罐、纯水发生器和纯甲醇定量加注装置，回收的气液在储罐内部进行气液分离，同时可以完成甲醇溶液 浓度调节并注回集中供液装置功能，所述主控制器与电子负载、集中供液装置、 集中供气装置、集中加热装置、单通道加热装置、背压装置、压差测试装置、 气液回收装置、安全保护装置电性连接，多通道可以满足多个电堆同时测试需 求。
供液装置包括恒温储液罐、液泵，恒温储液罐中贮存有甲醇水溶液或高纯 水，所述的供液装置包含不少于两个储罐，在活化过程中，电堆阴阳极可通入 高纯水并彼此隔离避免相互污染，液泵将恒温储液罐中的甲醇水溶液输送至燃 料电池电堆阳极进口，液泵为高精度控制进料泵，高精度控制进料泵选用高压 恒流泵或蠕动泵。
高精度控制进料泵的液体流量0.01ml/min-1000ml/min，控制精度为±0.01ml/min。
加热装置包括储液罐热电偶、加热套、温控表、阳极进口热电偶和温度补 偿器；温控表与储液罐热电偶、阳极进口热电偶、加热套和温度补偿器电性连 接；储液罐热电偶设在加热套内夹层，采集储液罐温度数据；加热套套在恒温 储液罐外侧，温控表根据储液罐热电偶采集的储液罐温度数据判断加热套的开 启或关闭；阳极进口热电偶设在电堆阳极进口，测量电堆阳极进料温度；所述温度补偿器设在液泵和阳极进口之间，根据阳极进口热电偶采集的进料温度判 断温度补偿器的开启或关闭。
加热套的加热范围为0℃-85℃，控制精度为±0.1℃。
第一背压装置包括第一压力变送器、第一背压阀，所述压力变送器的两端 分别连接电堆阳极出口和第一背压阀；第二背压装置包括第二压力变送器、第 二背压阀，第二压力变送器的两端分别连接电堆阴极出口和第二背压阀；第一 背压阀和第二背压阀的压力范围为0-300kPa，分别实现阳极路、阴极路电堆后 端0-300kPa精准背压；所述第一压力变送器和第二压力变送器实时测量压力值， 将电信号传送到主控制器。
第一压差测试装置和第二压差测试装置均使用压力变送器。
本实施例的电堆测试台，可以实现的功能及优点是：(1)可以实现电堆进 料流量的精准控制；
(2)可以实现电堆进料温度的精准控制；
(3)可以实现不同进料状态下电堆阳极、电堆阴极阻力降测试；
(4)可以实现电堆阳极后端、电堆阴极后端不同背压下电堆性能测试；
(7)可以实现不同温度进料条件电堆性能测试；
(8)可以实现不同浓度阳极进料条件电堆性能测试；
(9)可以实现不同阴极进气量条件电堆性能测试；
(10)主控制器并可实现高压恒流泵、流量控制器数据采集；实现恒温罐 温度采集、控制，电堆阳极进料温度控制、电堆阳极进料流量设定、电堆阴极 进料流量设定、电堆阻力降数据采集、电堆背压数据采集、可实现与电子负载 通信采集电压数据与电流数据、可实现数据I-V曲线的自动生成、可实现数据 的保存与导出。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明提供另一改进的实施方式，直接甲醇燃料电 池电堆测试台还设有内阻测试装置，所述内阻测试装置包括电化学工作站，所 述电化学工作站与燃料电池电堆连接，使用交流阻抗法对燃料电池电堆内阻进 行测试。
实施例3
在实施例1或2的基础上，本发明提供另一优化实施例，可以实现电堆性 能的检测的同时，对性能衰减的电堆进行修复，主控制器设置电堆自动修复模 块，通过判断电堆的最高功率值判断电堆性能是否衰减，如果电堆性能出现衰 减则电堆自动修复模块对电堆进行修复。
根据上述实施例3的技术方案，本发明还提供一种直接甲醇燃料电池电堆 自动修复方法，利用电堆测试台检测到的数据和各种装置对电堆进行自动修复， 特点是按照如下步骤进行：
步骤1使用带有电堆自动修复模块的直接甲醇燃料电池电堆测试台对电堆 进行测试；
步骤2通测试电堆放电特性，判断电堆性能是否衰减，如果性能发生衰减， 电堆自动修复模块启动，选择使用电堆性能活化法或反向激励的方法对电堆进 行修复，所述的电堆性能活化法是指通过高纯水去除膜电极内部的阴阳离子杂质，所述的反向电流激励法是指通过控制电流或电位阶跃的扫描去除催化剂表 面吸附物质或双电层上的杂质；
步骤3修复操作完成后，再次对电堆进行放电特性测试，测试合格的。
设置电化学工作站和电堆自动修复模块，对电堆的内阻进行测试的同时， 可以依据电堆放电时的最高功率值判断电堆性能是否衰减，并对性能衰减的电 堆进行自动修复。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上 述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指 出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干 改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，其特征在于：包括电子负载、集中供液装置、集中供气装置、集中加热装置、单通道加热装置、背压装置、压差测试装置、气液回收装置、安全保护装置和主控制器；所述电子负载与燃料电池电堆连接；所述集中供液装置，通过管道依次连接集中加热装置，流量控制装置，单通道加热装置连接燃料电池电堆的阳极进口，所述集中供液装置内含液体加压装置，集中供气装置通过流量控制装置连接燃料电池电堆阴极进口；所述背压装置包括与燃料电池电堆阳极出口连接的第一背压装置和与燃料电池电堆阴极出口连接的第二背压装置；所述压差测试装置包括与燃料电池电堆阳极进出口两端连接第一压差测试装置和与电堆阴极进出口两端连接的第二压差测试装置，测试电堆阳极与阴极的阻力降；所述气液回收装置具有不少于三个储罐、纯水发生器和纯甲醇定量加注装置，回收的气液在储罐内部进行气液分离，同时可以完成甲醇溶液浓度调节并注回集中供液装置功能，所述主控制器与电子负载、集中供液装置、集中供气装置、集中加热装置、单通道加热装置、背压装置、压差测试装置、气液回收装置、安全保护装置电性连接，多通道可以满足多个电堆同时测试需求。
2.根据权利要求1所述一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，其特征在于：所述供液装置包括恒温储液罐、液泵，恒温储液罐中贮存有甲醇水溶液或高纯水，所述的供液装置包含不少于两个储罐，在活化过程中，电堆阴阳极可通入高纯水并彼此隔离避免相互污染，液泵将恒温储液罐中的甲醇水溶液输送至燃料电池电堆阳极进口，所述液泵为高精度控制进料泵，所述高精度控制进料泵选用高压恒流泵或蠕动泵。
3.根据权利要求2所述一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，其特征在于：所述加热装置包括储液罐热电偶、加热套、温控表、阳极进口热电偶和温度补偿器；所述温控表与储液罐热电偶、阳极进口热电偶、加热套和温度补偿器电性连接；所述储液罐热电偶设在加热套内夹层，采集储液罐温度数据；所述加热套套在恒温储液罐外侧，温控表根据储液罐热电偶采集的储液罐温度数据判断加热套的开启或关闭；所述阳极进口热电偶设在电堆阳极进口，测量电堆阳极进料温度；所述温度补偿器设在液泵和阳极进口之间，根据阳极进口热电偶采集的进料温度判断温度补偿器的开启或关闭。
4.根据权利要求1或3所述一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，其特征在于：所述第一背压装置包括第一压力变送器、第一背压阀，所述压力变送器的两端分别连接电堆阳极出口和第一背压阀；所述第二背压装置包括第二压力变送器、第二背压阀，所述第二压力变送器的两端分别连接电堆阴极出口和第二背压阀；所述第一背压阀和第二背压阀的压力范围为0-300kPa，分别实现阳极路、阴极路电堆后端0-300kPa精准背压；所述第一压力变送器和第二压力变送器实时测量压力值，将电信号传送到主控制器。
5.根据权利要求4所述一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，其特征在于：所述第一压差测试装置和第二压差测试装置均使用压力变送器。
6.根据权利要求5所述一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，其特征在于：所述直接甲醇燃料电池电堆测试台还设有内阻测试装置，所述内阻测试装置包括电化学工作站，所述电化学工作站与燃料电池电堆连接，使用交流阻抗法对燃料电池电堆内阻进行测试。
7.根据权利要求6所述一种多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台，其特征在于：所述主控制器设置电堆自动修复模块。
8.一种利用权利要求7所述多通道阵列式直接甲醇燃料电池电堆活化测试台进行直接甲醇燃料电池电堆自动修复方法，其特征在于按照如下步骤进行：
步骤1 使用直接甲醇燃料电池电堆测试台对电堆进行测试；
步骤2 通测试电堆放电特性，判断电堆性能是否衰减，如果性能发生衰减，电堆自动修复模块启动，选择使用电堆性能活化法或反向激励的方法对电堆进行修复，所述的电堆性能活化法是指通过高纯水去除膜电极内部的阴阳离子杂质，所述的反向激励是指通过控制电流或电位阶跃的扫描去除催化剂表面吸附物质或双电层上的杂质；
步骤3 修复操作完成后，再次对电堆进行放电特性测试。
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