CN109768302A - 一种带有废热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有废热回收装置的燃料电池测试系统，包括：氢气支路、空气支路、氮气支路、质子交换膜燃料电池模块、数据采集及处理模块、以及废热回收模块，其中，所述质子交换膜燃料电池模块内包含质子交换膜燃料电池堆，所述废热回收模块包括水箱、离心泵、以及与所述质子交换膜燃料电池堆连接的循环水路。本发明还公开了上述测试系统的工作方法。本发明在实现全面高效测试质子交换膜燃料电池动态性能的基础上，针对质子交换膜燃料电池在反应时会产生废热而设计的废热回收模块，实现了水冷循环，带有废热的循环水能够用作气体加湿，充分利用了废热产生的热能，不仅提高了效率，还减少了能量损耗，节能环保。

Description

一种带有废热回收装置的燃料电池测试系统及工作方法

技术领域

本发明属于燃料电池测试领域，具体涉及一种带有废热回收装置的燃料电池测试系统及工作方法。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的装置，只发生电化学反应，没有燃烧过程因而不受卡诺循环的限制，具有极高的能量转换效率。燃料电池可以是理想的全固态机械结构，即没有可移动的部件，这样的系统具有高可靠性和长寿命。并且燃料电池以氢气和氧气为燃料时生成水，没有污染且可以循环利用，对环境比较友好。

燃料电池由于具有效率高、无污染、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。

质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，其可在低温工作，并且具有较高的功率密度，所以在应用上很受欢迎。现有的对燃料电池性能测试的测试系统中没有进行水冷循环，没有对燃料电池产生的废热进行利用，既影响燃料电池的效率又不利于节能。

因此，对燃料电池性能测试还需要进一步研究，在对燃料电池的流量、温度、湿度等多参数进行有效控制的同时，还对燃料电池产生的废热进行回收利用，则需要提出更为可行的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有废热回收装置的燃料电池测试系统及工作方法，以实现全面高效测试质子交换膜燃料电池动态性能的同时，还能对质子交换膜燃料电池工作时所产生的废热进行回收利用。

为此，本发明提供了一种带有废热回收装置的燃料电池测试系统，包括：氢气支路、空气支路、氮气支路、质子交换膜燃料电池模块、数据采集及处理模块、以及废热回收模块；其中，

所述质子交换膜燃料电池模块内包含质子交换膜燃料电池堆、温度传感器、湿度传感器、以及压力传感器；

所述氢气支路连接在质子交换膜燃料电池堆的阳极，包括依次设置的氢气瓶、过滤器一、流量控制阀一、温度传感器一、湿度传感器一、压力传感器一、以及流量传感器一，其中，所述流量控制阀一与温度传感器一之间并联有加湿气路一，所述加湿气路一中设有喷淋装置一和截止阀一；

所述空气支路连接在质子交换膜燃料电池堆的阴极，包括依次设置的空压机、减压阀、过滤器二、流量控制阀二、温度传感器二、湿度传感器二、压力传感器二、以及流量传感器二，其中，所述流量控制阀二与温度传感器二之间并联有加湿气路二，所述加湿气路二中设有喷淋装置二和截止阀二；

所述氮气支路包括依次设置的氮气瓶、流量控制阀一、温度传感器一、湿度传感器一、压力传感器一、以及流量传感器一，其中，所述氮气瓶与所述氢气支路的氢气瓶并联连接在所述流量控制阀一上；

所述废热回收模块包括水箱、离心泵、以及与所述质子交换膜燃料电池堆连接的循环水路，其中，所述水箱、离心泵设置在所述循环水路中，所述循环水路与所述喷淋装置一以及喷淋装置二均连通，所述循环水路与喷淋装置一的连接水路中设有截止阀三，所述循环水路与喷淋装置二的连接水路中设有截止阀四；

所述数据采集及处理模块分别连接所述质子交换膜燃料电池模块、流量控制阀一、温度传感器一、湿度传感器一、压力传感器一、流量传感器一、喷淋装置一、截止阀一、减压阀、流量控制阀二、温度传感器二、湿度传感器二、压力传感器二、流量传感器二、喷淋装置二、截止阀二、截止阀三、以及截止阀四。

进一步地，所述氮气瓶与氢气瓶通过三通阀一并联连接，所述流量控制阀一与温度传感器一之间设有三通阀二，通过所述三通阀二实现并联加湿气路一，所述流量控制阀二与温度传感器二之间设有三通阀三，通过所述三通阀三实现并联加湿气路二。

进一步地，所述循环水路与喷淋装置一的连接水路中还设有加热器一，所述循环水路与喷淋装置二的连接水路中还设有加热器二，所述加热器一和加热器二均与所述数据采集及处理模块连接。

进一步地，所述循环水路包括循环水路支路一和循环水路支路二，所述循环水路支路一连接水箱的出水端、离心泵、以及质子交换膜燃料电池堆，所述循环水路支路二连接质子交换膜燃料电池堆和水箱的进水端，所述喷淋装置一、喷淋装置二均连接在循环水路支路二上。

优选地，所述循环水路包括循环水路支路一和循环水路支路二，所述循环水路支路一连接水箱的出水端、离心泵、以及质子交换膜燃料电池堆，所述循环水路支路二连接质子交换膜燃料电池堆和水箱的进水端，所述喷淋装置一和喷淋装置二中的一个连接在循环水路支路一上，另一个连接在循环水路支路二上。

进一步地，所述喷淋装置二与循环水路支路二连接，所述喷淋装置一与循环水路支路一连接。

进一步地，所述喷淋装置二通过三通阀四连接在循环水路支路二上，所述喷淋装置一通过三通阀五连接在循环水路支路一上。

本发明还提供了前述一种带有废热回收装置的燃料电池测试系统的工作方法：在对燃料电池性能测试过程中，所述离心泵从水箱中抽水，水流经质子交换膜燃料电池堆，带走质子交换膜燃料电池堆反应时所产生的大量废热，带有废热的水能够用作气体加湿。

本发明的有益效果在于：

本发明在实现全面高效测试质子交换膜燃料电池动态性能的基础上，针对质子交换膜燃料电池在反应时会产生废热而设计的废热回收模块，实现了水冷循环，带有废热的循环水能够用作气体加湿，充分利用了废热产生的热能，不仅提高了效率，还减少了能量损耗，节能环保。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

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为根据本发明实施例1的带有废热回收装置的燃料电池测试系统的总体方案流程图；

图2为根据本发明实施例2的带有废热回收装置的燃料电池测试系统的总体方案流程图。

附图标记说明

1、氢气瓶； 2、过滤器一；

3、流量控制阀一； 4、温度传感器一；

5、湿度传感器一； 6、压力传感器一；

7、流量传感器一； 8、喷淋装置一；

9、截止阀一； 10、空压机；

11、减压阀； 12、过滤器二；

13、流量控制阀二； 14、温度传感器二；

15、湿度传感器二； 16、压力传感器二；

17、流量传感器二； 18、喷淋装置二；

19、截止阀二； 20、氮气瓶；

21、截止阀三； 22、截止阀四；

23、三通阀一； 24、三通阀二；

25、三通阀三； 26、加热器一；

27、加热器二； 28、三通阀四；

29、三通阀五； 100、质子交换膜燃料电池模块；

200、数据采集及处理模块； 300、废热回收模块；

310、水箱； 320、离心泵；

330、循环水路； 331、循环水路支路一；

332、循环水路支路二； 340、水槽；

350、散热风扇。

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所示，本发明的一种带有废热回收装置的燃料电池测试系统，主要包括氢气支路、空气支路、氮气支路、质子交换膜燃料电池模块100、数据采集及处理模块200、以及废热回收模块300。

所述质子交换膜燃料电池模块100内包含质子交换膜燃料电池堆、温度传感器、湿度传感器、以及压力传感器。

所述氢气支路连接在质子交换膜燃料电池堆的阳极，所述氢气支路包括依次设置的氢气瓶1、过滤器一2、流量控制阀一3、温度传感器一4、湿度传感器一5、压力传感器一6、以及流量传感器一7，其中，所述流量控制阀一3与温度传感器一4之间并联有加湿气路一，所述加湿气路一中设有喷淋装置一8和截止阀一9，所述喷淋装置一8用于氢气加湿。

所述空气支路连接在质子交换膜燃料电池堆的阴极，所述空气支路包括依次设置的空压机10、减压阀11、过滤器二12、流量控制阀二13、温度传感器二14、湿度传感器二15、压力传感器二16、以及流量传感器二17，其中，所述流量控制阀二13与温度传感器二14之间并联有加湿气路二，所述加湿气路二中设有喷淋装置二18和截止阀二19，所述喷淋装置二18用于空气(氧气)加湿。

所述氮气支路包括依次设置的氮气瓶20、流量控制阀一3、温度传感器一4、湿度传感器一5、压力传感器一6、以及流量传感器一7，其中，所述氮气瓶20与所述氢气支路的氢气瓶1并联连接在所述流量控制阀一3上，即所述氮气瓶20与氢气瓶1共用连接至质子交换膜燃料电池堆的气路。当氮气瓶20对质子交换膜燃料电池堆进行吹扫时，所述截止阀一9关闭加湿气路一，即氮气按照氢气不加湿路线进行扫气处理。

所述废热回收模块300包括水箱310、离心泵320、以及与所述质子交换膜燃料电池堆连接的循环水路330，其中，所述水箱310、离心泵320设置在所述循环水路330中，所述循环水路330中的水流经所述质子交换膜燃料电池堆，所述循环水路330与所述喷淋装置一8以及喷淋装置二18均连通，所述循环水路330与喷淋装置一8的连接水路中设有截止阀三21，所述循环水路330与喷淋装置二18的连接水路中设有截止阀四22。

所述数据采集及处理模块200分别连接所述质子交换膜燃料电池模块100、流量控制阀一3、温度传感器一4、湿度传感器一5、压力传感器一6、流量传感器一7、喷淋装置一8、截止阀一9、减压阀11、流量控制阀二13、温度传感器二14、湿度传感器二15、压力传感器二16、流量传感器二17、喷淋装置二18、截止阀二19、截止阀三21、以及截止阀四22，以便于根据采集到的参数信息，对各气路和水路中的阀门与装置进行控制。

具体地，如图1所示，所述氮气瓶20与氢气瓶1通过三通阀一23并联连接，所述流量控制阀一3与温度传感器一4之间设有三通阀二24，通过所述三通阀二24实现并联加湿气路一，所述流量控制阀二13与温度传感器二14之间设有三通阀三25，通过所述三通阀三25实现并联加湿气路二。

具体地，如图1所示，所述循环水路330与喷淋装置一8的连接水路中还设有加热器一26，所述截止阀三21设在加热器一26与喷淋装置一8二者之间，所述循环水路330与喷淋装置二18的连接水路中还设有加热器二27，所述截止阀四22设在加热器二27与喷淋装置二18二者之间，所述加热器一26和加热器二27均与所述数据采集及处理模块200连接。

实施例1

如图1所示，本实施例中的所述循环水路330包括循环水路支路一331和循环水路支路二332，所述循环水路支路一331连接水箱310的出水端、离心泵320、以及质子交换膜燃料电池堆，所述循环水路支路二332连接质子交换膜燃料电池堆和水箱310的进水端，所述喷淋装置一8和喷淋装置二18中的一个连接在循环水路支路一331上，另一个连接在循环水路支路二332上。

具体地，如图1所示，所述喷淋装置二18连接在循环水路支路二332中，所述喷淋装置一8连接在循环水路支路一331中。

具体地，如图1所示，所述循环水路支路二332中设有三通阀四28，所述喷淋装置二18通过所述三通阀四28连接在循环水路支路二332中，所述循环水路支路一331中设有三通阀五29，所述喷淋装置一8通过所述三通阀五29连接在循环水路支路一331中。

本实施例中的带有废热回收装置的燃料电池测试系统的工作原理描述如下：

氢气瓶1内的氢气经过滤器一2去除氢气中的杂质和水汽，经过流量控制阀一3后由三通阀二24分为两路，一路送入喷淋装置一8经加湿处理后到达质子交换膜燃料电池堆的阳极，一路不经加湿处理直接送入质子交换膜燃料电池堆的阳极，其中，在进入质子交换膜燃料电池堆前的管路中设置有温度传感器一4、湿度传感器一5、压力传感器一6、以及流量传感器一7，对氢气的温度、湿度、压力、流量参数进行监测。

同理，由空压机10送入的空气(氧气)经过滤器二12去除空气中的杂质和水汽，经过流量控制阀二13后由三通阀三25分为两路，一路送入喷淋装置二18经加湿处理后到达质子交换膜燃料电池堆的阴极，一路不经加湿处理直接送入质子交换膜燃料电池堆的阴极，其中，在空气进入质子交换膜燃料电池堆前的管路中设置有温度传感器二14、湿度传感器二15、压力传感器二16、以及流量传感器二17，对空气的温度、湿度、压力、流量参数进行监测。

所述质子交换膜燃料电池模块100内包含用于监测质子交换膜燃料电池堆反应区气体温度、湿度、压力的温度传感器、湿度传感器、以及压力传感器，并将监测参数信息送至所述数据采集及处理模块200。

所述数据采集及处理模块200根据氢气支路上氢气的各项参数信息、空气支路上空气的各项参数信息、以及质子交换膜燃料电池堆反应区气体的各项参数，对质子交换膜燃料电池堆的工作状态进行自适应调整。

所述加热器一26对进入喷淋装置一8的水进行加热，加热后的水可以对氢气进行喷淋，所述加热器二27对进入喷淋装置二18的水进行加热，加热后的水可以对空气进行喷淋，通过控制水的温度来控制氢气和空气的气体温度。

此外，质子交换膜燃料电池堆反应时会产生大量废热，在质子交换膜燃料电池堆反应时，离心泵320工作从水箱310中抽水，水流经所述质子交换膜燃料电池堆，能够带走质子交换膜燃料电池堆反应时所产生的大量废热，对质子交换膜燃料电池堆进行冷却降温，带有废热的水能够被送入至加热器二27内，从而升高了加热器二27内水的起始温度，加快加热效率的同时利用了废热的热能。

此外，当系统运行出现问题时，氮气按照氢气不加湿路线进行扫气处理，停止燃料电池运行，当系统测试完结时，也进行氮气扫气处理，以达到保护燃料电池的目的。

实施例2

如图2所示，本实施例中的所述循环水路330包括循环水路支路一331和循环水路支路二332，所述循环水路支路一331连接水箱310的出水端、离心泵320、以及质子交换膜燃料电池堆，所述循环水路支路二332连接质子交换膜燃料电池堆和水箱310的进水端，所述喷淋装置一8、喷淋装置二18均连接在循环水路支路二332上。

本发明中的所述废热回收模块300还包括水槽340和散热风扇350，其中，所述水槽340与前述水箱310连通，用作为水箱310补水或排水，所述散热风扇350设置在水箱310上，为水箱310风冷散热。

基于上面介绍的一种带有废热回收装置的燃料电池测试系统，本发明提出了一种带有废热回收装置的燃料电池测试系统的工作方法：

在对燃料电池性能测试过程中，所述离心泵320从水箱310中抽水，水流经质子交换膜燃料电池堆，带走质子交换膜燃料电池堆反应时所产生的大量废热，带有废热的水能够用作气体加湿，以加快加热器的加热效率，具有节能环保的优点。

本发明能够在改变气体的单一变量时，采用反馈系统进行反馈调节，使气体的温度、湿度、压力、流量等参数在整个系统测试过程中达到稳定，通过数据采集及处理模块进行数据采集和后续处理能够实现全面高效测试质子交换膜燃料电池的动态性能。

本发明在实现全面高效测试质子交换膜燃料电池动态性能的基础上，针对质子交换膜燃料电池在反应时会产生废热而设计的废热回收模块，实现了水冷循环，带有废热的循环水能够用作气体加湿，充分利用了废热产生的热能，不仅提高了效率，还减少了能量损耗，节能环保。

本发明系统的燃料电池可以作为车载电源、备用电源、家用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。

以上所述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 (8)

1.一种带有废热回收装置的燃料电池测试系统，其特征在于，包括：氢气支路、空气支路、氮气支路、质子交换膜燃料电池模块、数据采集及处理模块、以及废热回收模块；其中，

所述质子交换膜燃料电池模块内包含质子交换膜燃料电池堆、温度传感器、湿度传感器、以及压力传感器；

所述氢气支路连接在质子交换膜燃料电池堆的阳极，包括依次设置的氢气瓶、过滤器一、流量控制阀一、温度传感器一、湿度传感器一、压力传感器一、以及流量传感器一，其中，所述流量控制阀一与温度传感器一之间并联有加湿气路一，所述加湿气路一中设有喷淋装置一和截止阀一；

所述空气支路连接在质子交换膜燃料电池堆的阴极，包括依次设置的空压机、减压阀、过滤器二、流量控制阀二、温度传感器二、湿度传感器二、压力传感器二、以及流量传感器二，其中，所述流量控制阀二与温度传感器二之间并联有加湿气路二，所述加湿气路二中设有喷淋装置二和截止阀二；

所述氮气支路包括依次设置的氮气瓶、流量控制阀一、温度传感器一、湿度传感器一、压力传感器一、以及流量传感器一，其中，所述氮气瓶与所述氢气支路的氢气瓶并联连接在所述流量控制阀一上；

所述废热回收模块包括水箱、离心泵、以及与所述质子交换膜燃料电池堆连接的循环水路，其中，所述水箱、离心泵设置在所述循环水路中，所述循环水路与所述喷淋装置一以及喷淋装置二均连通，所述循环水路与喷淋装置一的连接水路中设有截止阀三，所述循环水路与喷淋装置二的连接水路中设有截止阀四；

所述数据采集及处理模块分别连接所述质子交换膜燃料电池模块、流量控制阀一、温度传感器一、湿度传感器一、压力传感器一、流量传感器一、喷淋装置一、截止阀一、减压阀、流量控制阀二、温度传感器二、湿度传感器二、压力传感器二、流量传感器二、喷淋装置二、截止阀二、截止阀三、以及截止阀四。

2.根据权利要求1所述的带有废热回收装置的燃料电池测试系统，其特征在于，所述氮气瓶与氢气瓶通过三通阀一并联连接，所述流量控制阀一与温度传感器一之间设有三通阀二，通过所述三通阀二实现并联加湿气路一，所述流量控制阀二与温度传感器二之间设有三通阀三，通过所述三通阀三实现并联加湿气路二。

3.根据权利要求1或2所述的带有废热回收装置的燃料电池测试系统，其特征在于，所述循环水路与喷淋装置一的连接水路中还设有加热器一，所述循环水路与喷淋装置二的连接水路中还设有加热器二，所述加热器一和加热器二均与所述数据采集及处理模块连接。

4.根据权利要求3所述的带有废热回收装置的燃料电池测试系统，其特征在于，所述循环水路包括循环水路支路一和循环水路支路二，所述循环水路支路一连接水箱的出水端、离心泵、以及质子交换膜燃料电池堆，所述循环水路支路二连接质子交换膜燃料电池堆和水箱的进水端，所述喷淋装置一、喷淋装置二均连接在循环水路支路二上。

5.根据权利要求3所述的带有废热回收装置的燃料电池测试系统，其特征在于，所述循环水路包括循环水路支路一和循环水路支路二，所述循环水路支路一连接水箱的出水端、离心泵、以及质子交换膜燃料电池堆，所述循环水路支路二连接质子交换膜燃料电池堆和水箱的进水端，所述喷淋装置一和喷淋装置二中的一个连接在循环水路支路一上，另一个连接在循环水路支路二上。

6.根据权利要求5所述的带有废热回收装置的燃料电池测试系统，其特征在于，所述喷淋装置二与循环水路支路二连接，所述喷淋装置一与循环水路支路一连接。

7.根据权利要求6所述的带有废热回收装置的燃料电池测试系统，其特征在于，所述喷淋装置二通过三通阀四连接在循环水路支路二上，所述喷淋装置一通过三通阀五连接在循环水路支路一上。

8.一种根据权利要求1至7任一项所述的带有废热回收装置的燃料电池测试系统的工作方法，其特征在于：

在对燃料电池性能测试过程中，所述离心泵从水箱中抽水，水流经质子交换膜燃料电池堆，带走质子交换膜燃料电池堆反应时所产生的大量废热，带有废热的水能够用作气体加湿。