CN109738812A - 一种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统，包括氢气瓶，氮气瓶，空气压缩机，燃料电池堆，测量传感器，调节阀，喷淋及鼓泡加湿装置，干燥塔，氢气加压泵，缓冲罐，水槽，数据采集及显示系统；本发明还公开了一种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统的工作方法，能比较稳定测得燃料电池在单一变量下的性能参数。本发明提供的测试系统包含了阳极尾气回收装置，在测试燃料电池性能同时回收未反应完全的氢气，使回收的氢气重新进入燃料电池堆的阳极，在测试燃料电池性能的同时节约氢气用量，并且反应后只生成水，没有其他污染物，实现了测试系统的能源高效利用及污染零排放。

Description

一种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统及工作方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统及工作方法。

背景技术

燃料电池是按电化学方式将化学能转化为电能的装置，没有热机过程，不受卡诺循环限制，能量转换效率高；燃料电池可以是理想的全固态机械结构，由于没有移动部件，系统将具有高寿命和高可靠性，也同时意味着电池运行较为安静。燃料电池相比于普通电池更具有较高能量密度的潜力，并且可以靠补充燃料从而实现快速充电，避免了传统电池充电的长时间耗时。燃料电池以氢气和氧气为燃料生成水，可以实现污染物的零排放。燃料电池由于具有高效率、环境友好、安静、寿命长和高可靠性等优点，可作为汽车内燃机的替代产品，也可应用于小型集中供电或分散式供电系统中，是绿色环保能源，极具发展潜力和应用前景。

根据电解质的不同，燃料电池可分为磷酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池五大类，其中质子交换膜燃料电池可在低温工作，并且具有较高的功率密度所以在应用上很受欢迎。

在对燃料电池性能的测试中，阳极尾气中的大量氢气浪费，因此回收阳极尾气对于节约资源意义重大。专利(CN204793044U)给出了一种燃料电池氢气回收系统中，仅利用泵将气体回收，没有进行尾气湿度控制，这样会造成的燃料电池性能下降，并且尾气也没有进行除杂，会损坏实验设备，可靠性有待提高。所以需要对燃料电池测试系统进行改善，在实验测试中能够实现阳极尾气回收，控制回收气体流量、湿度并除杂而不受其他因素的影响，能简单高效地回收氢气。

发明内容

本发明提供了一种带有阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统及其工作方法，目的是为了实现在进行燃料电池性能测试的同时进行阳极尾气回收，对阳极未反应完的氢气进行干燥、增压和除杂。

本发明提供了一种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统，包括氢气瓶、第一电控调节阀、第一过滤器、第一减压阀、第一流量计、第三电控调节阀、燃料电池堆、第六电控调节阀、第一水槽、空气压缩机、第二减压阀、第二过滤器、第三流量计、第九电控调节阀、第十电控调节阀、数据采集及显示系统、第一检测器组、第二检测器组、第一加湿装置、第二加湿装置和尾气回收装置；

所述氢气瓶与第三电控调节阀之间依次连接有第一电控调节阀、第一过滤器、第一减压阀和第一流量计；所述第三电控调节阀与燃料电池堆之间连接有第一检测器组；所述第一流量计与所述第一检测器组之间连接有第一加湿装置；

所述空气压缩机与所述第十电控调节阀之间依次连接有第二减压阀、第二过滤器和第三流量计；所述第十电控调节阀与燃料电池堆之间连接有第二检测器组；所述第三流量计与所述第二检测器组之间连接有第二加湿装置；

所述尾气回收装置包括依次连接的氢气干燥塔、氢气加压泵、缓冲罐、第五电控调节阀和第二流量计，所述氢气干燥塔与燃料电池堆相连，所述第二流量计与第一过滤器相连；

所述燃料电池堆依次连接第六电控调节阀和第一水槽；

所述数据采集及显示系统分别与第一检测器组、第二检测器组和尾气回收装置相连接。

进一步地，所述第一电控调节阀上依次连接有第八电控调节阀和氮气瓶。

进一步地，所述第一检测器组包括依次连接的第一压力检测表、第一温度计和第一湿度计，所述第一压力检测表与第三电控调节阀相连，所述第一湿度计与燃料电池堆相连；

所述第二检测器组包括依次连接的第二压力检测表、第二温度计、第二湿度计，所述第二压力检测表与第十电控调节阀相连，所述第二湿度计与燃料电池堆相连

进一步地，所述第一加湿装置包括依次连接的第二电控调节阀、第一鼓泡加湿器和第一喷淋加湿器，所述第二电控调节阀与第一流量计相连，所述第一喷淋加湿器与第一检测器组相连，所述第一喷淋加湿器上部依次连接有第四电控调节阀和第一水箱；

所述第二加湿装置包括依次连接的第九电控调节阀、第二鼓泡加湿器和第二喷淋加湿器，所述第九电控调节阀与第三流量计相连，所述第二喷淋加湿器与第二检测器组相连，所述第二喷淋加湿器上部依次连接第十二电控调节阀和第二水箱；

所述第一喷淋加湿器依次连接第七电控调节阀和第二水槽，所述第二喷淋加湿器依次连接第十一电控调节阀和第二水槽。

这种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统的工作方法，步骤包括：

氢气通过氢气瓶提供，首先经过连接第一电控调节阀、第一过滤器、第一减压阀、第一流量计、第三电控调节阀、第一检测器组至燃料电池堆内部；

同时，空气压缩机收集空气，空气经过第二减压阀、第二过滤器、第三流量计、第九电控调节阀、第十电控调节阀、第二检测器组至燃料电池堆内部，与氢气充分反应；

在燃料电池堆阳极产生的尾气依次经过氢气干燥塔、氢气加压泵、缓冲罐、第五电控调节阀和第二流量计，进行了干燥、增压以及流量控制，再经过第一过滤器进行过滤除杂，最后进入氢气支路完成了尾气回收过程。

进一步地，当气体需要加湿进入燃料电池内部反应时，则需要开启气体管路上的第一加湿装置和第二加湿装置，第一加湿装置和第二加湿装置分别对氢气和空气进行加湿处理。

进一步地，当气体进行加湿处理时，通过第四电控调节阀和第七电控调节阀调节第一喷淋加湿器的加湿程度，通过十二电控调节阀和十一电控调节阀调节第二喷淋加湿器的加湿程度，并将未吸收完全的水接收到第二水槽中进行回收。

本发明的优点在于：

1、本发明提供的测试系统在测试燃料电池性能同时回收未反应完全的氢气，使回收的氢气重新进入燃料电池堆的阳极，节约氢气用量，由氢气瓶和空气压缩机提供的气体经过加湿装置和检测器组后进入电池堆进行充分反应，反应后对水汽进行分离，燃料电池阳极未反应完全的氢气经过尾气回收装置中的干燥塔，氢气加压泵，缓冲罐等，经管路回收氢气重新进行反应，反应生成的水收集至水槽内，节约了燃料气的使用；

2、采用本发明在测试电池性能的同时回收阳极尾气，节约氢气用量，方法安全，比较稳定测得燃料电池在单一变量下的性能参数，更全面了解电堆性能，并且此燃料电池的测试反应后只生成水，不含有任何污染物，实现了污染物的零排放。

附图说明

图1是本发明实施例的总体方案流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

本发明提供了一种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统，包括氢气瓶1、第一电控调节阀2、第一过滤器3、第一减压阀4、第一流量计5、第三电控调节阀8、燃料电池堆15、第六电控调节阀21、第一水槽22、空气压缩机26、第二减压阀27、第二过滤器28、第三流量计29、第九电控调节阀30、第十电控调节阀32、数据采集及显示系统41、第一检测器组100、第二检测器组200、第一加湿装置300、第二加湿装置400和尾气回收装置500；

所述氢气瓶1与第三电控调节阀8之间依次连接有第一电控调节阀2、第一过滤器3、第一减压阀4和第一流量计5；所述第三电控调节阀8与燃料电池堆15之间连接有第一检测器组100；所述第一流量计5与所述第一检测器组100之间连接有第一加湿装置300；

实现了对氢气的过滤，测量并控制氢气的流量、压力及湿度；测量阳极入口反应氢气的压力，温度，湿度，氢气进入燃料电池阳极进行反应。

所述空气压缩机26与所述第十电控调节阀32之间依次连接有第二减压阀27、第二过滤器28和第三流量计29；所述第十电控调节阀32与燃料电池堆15之间连接有第二检测器组200；所述第三流量计29与所述第二检测器组200之间连接有第二加湿装置400；

所述尾气回收装置500包括依次连接的氢气干燥塔16、氢气加压泵17、缓冲罐18、第五电控调节阀19和第二流量计20，所述氢气干燥塔16与燃料电池堆15相连，所述第二流量计20与第一过滤器3相连；实现了对阳极尾气的干燥、增压和流量控制，随后经过过滤器进行过滤除杂，再进入氢气支路，完成了尾气的回收过程。

所述燃料电池堆15依次连接第六电控调节阀21和第一水槽22；气体进入电堆充分反应后，对水汽进行分离处理，当排出的水达到一定量时，即可通过第六电控调节阀21、第一水槽22进行排水处理。

所述数据采集及显示系统41分别与第一检测器组100、第二检测器组200和尾气回收装置500相连接。

所述第一电控调节阀2上依次连接有第八电控调节阀25和氮气瓶24。

所述第一检测器组100包括依次连接的第一压力检测表12、第一温度计13和第一湿度计14，所述第一压力检测表12与第三电控调节阀8相连，所述第一湿度计14与燃料电池堆15相连；

所述第二检测器组200包括依次连接的第二压力检测表38、第二温度计39、第二湿度计40，所述第二压力检测表38与第十电控调节阀32相连，所述第二湿度计40与燃料电池堆15相连；对进入燃料电池阴极的空气进行压力、温度及湿度测量。

所述第一加湿装置300包括依次连接的第二电控调节阀6、第一鼓泡加湿器7和第一喷淋加湿器9，所述第二电控调节阀6与第一流量计5相连，所述第一喷淋加湿器9与第一检测器组100相连，具体而言，所述第一喷淋加湿器9与第一压力检测表12相连，所述第一喷淋加湿器9上部依次连接有第四电控调节阀10和第一水箱11；

所述第二加湿装置400包括依次连接的第九电控调节阀30、第二鼓泡加湿器31和第二喷淋加湿器33，所述第九电控调节阀30与第三流量计29相连，所述第二喷淋加湿器33与第二检测器组200相连，具体而言，所述第二喷淋加湿器33与第二压力检测表38相连，所述第二喷淋加湿器33上部依次连接第十二电控调节阀36和第二水箱37；

所述第一喷淋加湿器9依次连接第七电控调节阀23和第二水槽35，所述第二喷淋加湿器33依次连接第十一电控调节阀34和第二水槽35；对喷淋加湿器进行调节，控制氢气湿度，将喷淋过多的水收集到水槽中进行回收。

这种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统的工作方法，根据流程图1详细描述如下：

氢气通过氢气瓶1提供，首先经过连接第一电控调节阀2、第一过滤器3、第一减压阀4、第一流量计5、第三电控调节阀8、第一检测器组100至燃料电池堆15内部；

同时，空气压缩机26收集空气，空气经过第二减压阀27、第二过滤器28、第三流量计29、第九电控调节阀30、第十电控调节阀32、第二检测器组200至燃料电池堆15内部，与氢气充分反应；

其中，尾气回收装置500的工作方法具体如下：

在燃料电池堆阳极产生的尾气依次经过氢气干燥塔16、氢气加压泵17、缓冲罐18、第五电控调节阀19和第二流量计20，进行了干燥、增压以及流量控制，再经过第一过滤器3进行过滤除杂，最后进入氢气支路完成了尾气回收过程。

作为比较手段，当气体需要加湿进入燃料电池内部反应时，则需要开启气体管路上的第一加湿装置100和第二加湿装置200，第一加湿装置100和第二加湿装置200分别对氢气和空气进行加湿处理。

当气体进行加湿处理时，通过第四电控调节阀10和第七电控调节阀23调节第一喷淋加湿器9的加湿程度，通过十二电控调节阀36和十一电控调节阀34调节第二喷淋加湿器33的加湿程度，并将未吸收完全的水接收到第二水槽35中进行回收。

当数据采集及显示系统41或燃料电池堆15出现错误或水淹时，关闭第二电控调节阀6及第九电控调节阀30来关闭气体的加湿通路，打开第三电控调节阀8及第十电控调节阀32来打开不加湿线路，通入氮气进行扫气处理，保护装置以及人员安全。

为了更全面地了解电堆性能，上述测试系统可以通过改变气体温度、湿度或压力其中一个变量，保持其他变量不变，经过第一检测器组100、第二检测器组200、第一加湿装置300、第二加湿装置400，控制温度、湿度、压力以及其他参数在整个系统工作时达到稳定，并通过数据采集及显示系统41进行数据记录，分别测出不同温度、湿度以及流量对质子交换膜燃料电池的性能影响，从而得出燃料电池在各环境下的性能参数。

本发明系统的燃料电池可以作为车载电源、备用电源、电子产品电源等使用。也可以工作在汽车、火车、船舶等交通工具上。同时，也可应用于小型集中供电或分散式供电系统。

最后应说明的是：本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，比如氮气保护装置的使用，加湿器对温度控制等，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带阳极尾气回收装置的燃料电池测试系统，其特征在于，包括氢气瓶(1)、第一电控调节阀(2)、第一过滤器(3)、第一减压阀(4)、第一流量计(5)、第三电控调节阀(8)、燃料电池堆(15)、第六电控调节阀(21)、第一水槽(22)、空气压缩机(26)、第二减压阀(27)、第二过滤器(28)、第三流量计(29)、第九电控调节阀(30)、第十电控调节阀(32)、数据采集及显示系统(41)、第一检测器组(100)、第二检测器组(200)、第一加湿装置(300)、第二加湿装置(400)和尾气回收装置(500)；

所述氢气瓶(1)与第三电控调节阀(8)之间依次连接有第一电控调节阀(2)、第一过滤器(3)、第一减压阀(4)和第一流量计(5)；所述第三电控调节阀(8)与燃料电池堆(15)之间连接有第一检测器组(100)；所述第一流量计(5)与所述第一检测器组(100)之间连接有第一加湿装置(300)；

所述空气压缩机(26)与所述第十电控调节阀(32)之间依次连接有第二减压阀(27)、第二过滤器(28)和第三流量计(29)；所述第十电控调节阀(32)与燃料电池堆(15)之间连接有第二检测器组(200)；所述第三流量计(29)与所述第二检测器组(200)之间连接有第二加湿装置(400)；

所述尾气回收装置(500)包括依次连接的氢气干燥塔(16)、氢气加压泵(17)、缓冲罐(18)、第五电控调节阀(19)和第二流量计(20)，所述氢气干燥塔(16)与燃料电池堆(15)相连，所述第二流量计(20)与第一过滤器(3)相连；

所述燃料电池堆(15)依次连接第六电控调节阀(21)和第一水槽(22)；

所述数据采集及显示系统(41)分别与第一检测器组(100)、第二检测器组(200)和尾气回收装置(500)相连接。

2.根据权利要求1所述测试系统，其特征在于，所述第一电控调节阀(2)上依次连接有第八电控调节阀(25)和氮气瓶(24)。

3.根据权利要求1所述测试系统，其特征在于，

所述第一检测器组(100)包括依次连接的第一压力检测表(12)、第一温度计(13)和第一湿度计(14)，所述第一压力检测表(12)与第三电控调节阀(8)相连，所述第一湿度计(14)与燃料电池堆(15)相连；

所述第二检测器组(200)包括依次连接的第二压力检测表(38)、第二温度计(39)、第二湿度计(40)，所述第二压力检测表(38)与第十电控调节阀(32)相连，所述第二湿度计(40)与燃料电池堆(15)相连。

4.根据权利要求1所述测试系统，其特征在于，

所述第一加湿装置(300)包括依次连接的第二电控调节阀(6)、第一鼓泡加湿器(7)和第一喷淋加湿器(9)，所述第二电控调节阀(6)与第一流量计(5)相连，所述第一喷淋加湿器(9)与第一检测器组(100)相连，所述第一喷淋加湿器(9)上部依次连接有第四电控调节阀(10)和第一水箱(11)；

所述第二加湿装置(400)包括依次连接的第九电控调节阀(30)、第二鼓泡加湿器(31)和第二喷淋加湿器(33)，所述第九电控调节阀(30)与第三流量计(29)相连，所述第二喷淋加湿器(33)与第二检测器组(200)相连，所述第二喷淋加湿器(33)上部依次连接第十二电控调节阀(36)和第二水箱(37)；

所述第一喷淋加湿器(9)依次连接第七电控调节阀(23)和第二水槽(35)，所述第二喷淋加湿器(33)依次连接第十一电控调节阀(34)和第二水槽(35)。

5.一种工作方法，基于权利要求1-7任一项所述的测试系统，其特征在于，步骤包括：

氢气通过氢气瓶(1)提供，首先经过连接第一电控调节阀(2)、第一过滤器(3)、第一减压阀(4)、第一流量计(5)、第三电控调节阀(8)、第一检测器组(100)至燃料电池堆(15)内部；

同时，空气压缩机(26)收集空气，空气经过第二减压阀(27)、第二过滤器(28)、第三流量计(29)、第九电控调节阀(30)、第十电控调节阀(32)、第二检测器组(200)至燃料电池堆(15)内部，与氢气充分反应；

在燃料电池堆阳极产生的尾气依次经过氢气干燥塔(16)、氢气加压泵(17)、缓冲罐(18)、第五电控调节阀(19)和第二流量计(20)，进行了干燥、增压以及流量控制，再经过第一过滤器(3)进行过滤除杂，最后进入氢气支路完成了尾气回收过程。

6.根据权利要求5所述的一种工作方法，其特征在于，当气体需要加湿进入燃料电池内部反应时，则需要开启气体管路上的第一加湿装置(100)和第二加湿装置(200)，第一加湿装置(100)和第二加湿装置(200)分别对氢气和空气进行加湿处理。

7.根据权利要求6所述的一种工作方法，其特征在于，当气体进行加湿处理时，通过第四电控调节阀(10)和第七电控调节阀(23)调节第一喷淋加湿器(9)的加湿程度，通过十二电控调节阀(36)和十一电控调节阀(34)调节第二喷淋加湿器(33)的加湿程度，并将未吸收完全的水接收到第二水槽(35)中进行回收。