CN110988696A - 一种高安全性的燃料电池测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高安全性的燃料电池测试平台，包括氢气发生单元、氧气供给系统、燃料电池单元、氢气循环单元、氧气排放单元、温度检测及控制单元和负载输出单元，氢气发生单元用于制备氢气并为燃料电池单元提供氢气源，氧气供给系统用于为燃料电池单元提供氧气源，氢气循环单元用于将燃料电池单元排出的剩余氢气进行稳压后循环至氢气发生单元循环使用，氧气排放单元用于将燃料电池单元排出的剩余氧气进行稳压后排入外界，温度检测及控制单元用于探测并控制燃料电池单元电池温度，负载输出单元用于对燃料电池的发电性能进行评估。本发明有效的提高了氢气利用效率，降低了能耗，并提高了燃料电池工作与测试时的安全性。

Description

一种高安全性的燃料电池测试平台

技术领域

本发明涉及一种高安全性的燃料电池测试平台及其集成式氢气供给系统，特别适合用于对安全性要求较高的高校实验室等研究单位，进行小型燃料电池（1-1000 W）的性能测试。

背景技术

燃料电池是一种将化学能通过电催化反应直接产生电能的装置，具有能量转化效率高，功率密度大，低噪音，高度环保等多种优点。其中，以氢气为燃料气，在低温（<100 ℃）下即可运行的质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC），由于技术成熟度高，产物为纯水并具有高能量/功率密度，成为了未来新能源汽车，分布式能源系统和电网架构的理想解决方案。

在质子交换膜燃料电池发电过程中，由于采用氢气作为燃料气，首先必须确保发电过程中氢气的高效使用和安全性，防止氢气暴露于外界引发危险。可以说，高安全性是燃料电池能否大规模使用于新能源汽车等市场的首要因素。以现在具有世界领先燃料电池技术的日本丰田公司为代表，其推出的首款燃料电池汽车“Mirai”采用多种方式评估和测试燃料电池系统的安全性，并确保了氢气的充分使用，不使燃料气外泄于外界环境之中。因此，在燃料电池投入使用之前，必须对其样品进行大量的实际工况模拟下的测试和研究，取得系统翔实的数据和结果。而燃料电池测试平台即是能够完成燃料电池单元在各种工况下性能测试的重要设备。

另一方面，质子交换膜燃料电池在运行过程中，其电解质膜需要浸润水分子以有效传导电极反应产生的水合氢离子，并且会一定程度上主导着整个电池发电过程。因此，对燃料气进行有效增湿成为了提高电池性能的一种有效方式。燃料电池的增湿方案主要分为鼓泡式增湿，雾化增湿，喷水增湿，以及膜管式增湿。目前来说，鼓泡式增湿，雾化增湿和喷水增湿很难精确的控制气体湿度，相对的，膜管式增湿则是一种较为先进的增湿技术，即采用全氟磺酸（Nafion）材质的膜管，以水汽交换的形式将膜内侧的氢气进行增湿，其中氢气仅在管内侧流通，能够与外界彻底隔绝，并且加湿效果能通过改变膜管特性和水温进行精确调节。

燃料电池测试平台中的氢气供给系统，一般由外置的储氢钢瓶，减压/稳压阀以及气体加湿系统构成。然而，该方案具有以下缺点：

1.测试平台所需的氢气源采用外置的钢瓶，并需要配置较为复杂的管路系统以连接至测试平台，存在安全隐患，并且很多研究院所和结构出于消防安全考虑，强制性规定室内不允许放置氢气钢瓶，为测试平台的配置造成额外的困难。

2.现有的商用燃料电池测试平台一般不考虑尾气的处理，基本上多余的燃料气都采用直接或者简单过水处理的方式外排，一旦测试场所通风不畅造成气体累积，容易出现较大的安全隐患。

3.氢气在经过气体加湿系统时会与外界环境相接触，无法做到完全封闭式的氢气内循环。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种高安全性的燃料电池测试平台，有效的提高了氢气利用效率，降低了能耗，并提高了燃料电池工作与测试时的安全性。

本发明所采用的技术方案为：

一种高安全性的燃料电池测试平台，包括氢气发生单元、氧气供给单元、燃料电池单元、氢气循环单元、氧气排放单元、温度检测及控制单元和负载输出单元，其中，所述氢气发生单元用于制备氢气并为燃料电池单元提供氢气源，所述氧气供给单元用于为燃料电池单元提供氧气源，所述氢气循环单元用于将燃料电池单元排出的剩余氢气进行稳压后循环至氢气发生单元循环使用，所述氧气排放单元用于将燃料电池单元排出的剩余氧气进行稳压后排入外界，所述温度检测及控制单元用于探测并控制燃料电池单元电池温度，所述负载输出单元用于对燃料电池单元产生的电能进行消耗并显示通过负载的电压以及电流数据继而对燃料电池的发电性能进行评估。

优选的是，还包括两组用于给氢气发生单元、氧气供给单元排出的氢气、氧气分别进行加湿后送入燃料电池单元的加湿单元。

进一步的优选，所述加湿单元包括恒温水罐、水泵、膜管式加湿器、气体湿度传感器和控制电脑一，所述恒温水罐内设置有加热器，所述恒温水罐以及膜管式加湿器的出水口与水泵的入水口采用三通管连接，所述水泵的出水口与膜管式的进水口管道连接，且在恒温水罐的出水管、膜管式加湿器出水口处的出水管以及水泵的出水口管道上均设置有阀门，所述膜管式加湿器靠近膜管式加湿器的出水口一端为干燥气体入口，膜管式加湿器靠近膜管式加湿器的入水口一端为加湿气体出口，所述气体湿度传感器设置在加湿气体出口外部管道上，且所述气体湿度传感器以及恒温水罐均与控制电脑一电性连接，通过在控制电脑一操作查看加湿气体的湿度以及控制加热器动作以控制恒温水箱内的温度。

进一步的优选，所述膜管式加湿器为直管单管式Nafion加湿器或直管多束式Nafion加湿器。

进一步的优选，氢气发生单元包括电解水型氢气发生器，所述氢气循环单元包括稳压储气罐、安全阀和氢气循环泵，所述电解水型氢气发生器的两侧分别设置有进水管和出水管，电解水型氢气发生器的其中一侧、顶部分别设置有进气管、出气管，所述电解水型氢气发生器的出气管与膜管式加湿器的干燥气体入口连通，膜管式加湿器的加湿气体出口与燃料电池单元的排气口管道连接，燃料电池单元的出气口与稳压储气罐的进气口连通，稳压储气罐的出气口与氢气循环泵的进气口管道连通并通过氢气循环泵与电解水型氢气发生器的进气管管道连通，所述安全阀设置在稳压储气罐其中一侧底部。

进一步的优选，所述燃料电池单元包括电堆测试单元，所述电堆测试单元还包括燃料电池，所述温度检测与控制单元包括控制电脑二、循环水流系统和热电偶，所述热电偶设置在燃料电池上，所述热电偶将检测的燃料电池的温度数据传输至控制电脑二，所述循环水流系统接于燃料电池，所述控制电脑二通过控制循环水流系统流量继而控制燃料电池温度。

进一步的优选，所述负载输出单元包括电子负载，所述电子负载消耗对燃料电池单元产生的电能，并显示通过电子负载的电压以及电流数据继而对电堆测试单元的燃料电池的发电性能进行评估。

进一步的优选，所述氧气排放单元包括汽/水分离器和设置在汽/水分离器其中一侧的稳压阀，所述燃料电池单元排出的氧气进入汽/水分离器进行汽/水分离后氧气经过稳压阀排至外界大气中，水经过汽/水分离器的排水口排出。

本发明的有益效果在于：

1.从源头上消除高压氢气储存时可能产生的安全隐患，使用氢气发生装置，氢气只有在设备上电运行时才会产生，且实现了氢气在测试时的循环使用，无氢气外排；

2.采用膜管式增湿方案，不仅能够实现氢气的封闭内循环，而且能够更加精确的控制氢气的增湿状态，从而有效提高燃料电池性能测试的精度和电池性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2 为加湿单元的结构示意图；

图3为氢气发生单元、加湿单元、燃料电池单元与氢气循环单元的连接示意图；

图4为温度检测及控制单元、负载输出单元与燃料电池单元连接示意图；

图5为氧气排放单元的结构示意图；

图中主要附图标记含义如下：

1、氢气发生单元，11、电解水型氢气发生器，12、进水管，13、出水管，14、进气管，15、出气管，2、氧气供给单元，3、燃料电池单元，4、氢气循环单元，41、稳压储气罐，42、安全阀，43、氢气循环泵，5、氧气排放单元，51、汽/水分离器，52、稳压阀，6、温度检测及控制单元，7、负载输出单元，8、加湿单元，81、恒温水罐，82、水泵，83、膜管式加湿器，84、气体湿度传感器，85、控制电脑一，86、干燥气体入口，87、加湿气体出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体的介绍。

如图1-5所示：本实施例是一种高安全性的燃料电池测试平台，包括氢气发生单元1、氧气供给单元2、燃料电池单元3、氢气循环单元4、氧气排放单元5、温度检测及控制单元6和负载输出单元7，其中，所述氢气发生单元1用于制备氢气并为燃料电池单元3提供氢气源，所述氧气供给单元2用于为燃料电池单元3提供氧气源，所述氢气循环单元4用于将燃料电池单元3排出的剩余氢气进行稳压后循环至氢气发生单元1循环使用，所述氧气排放单元5用于将燃料电池单元3排出的剩余氧气进行稳压后排入外界，所述温度检测及控制单元6用于探测并控制燃料电池单元3电池温度，所述负载输出单元7用于对燃料电池单元3产生的电能进行消耗并显示通过负载的电压以及电流数据继而对燃料电池的发电性能进行评估；还包括两组用于给氢气发生单元、氧气供给单元排出的氢气、氧气分别进行加湿后送入燃料电池单元的加湿单元8。

参见图1、图2所示，所述加湿单元8包括恒温水罐81、水泵82、膜管式加湿器83、气体湿度传感器84和控制电脑一85，所述恒温水罐81内设置有加热器，所述恒温水罐81以及膜管式加湿器83的出水口与水泵82的入水口采用三通管连接，所述水泵82的出水口与膜管式83的进水口管道连接，且在恒温水罐81的出水管、膜管式加湿器83出水口处的出水管以及水泵82的出水口管道上均设置有阀门，所述膜管式加湿器83靠近膜管式加湿器83的出水口一端为干燥气体入口86，膜管式加湿器83靠近膜管式加湿器83的入水口一端为加湿气体出口87，所述气体湿度传感器84设置在加湿气体出口87外部管道上，且所述气体湿度传感器84以及恒温水罐81均与控制电脑一85电性连接，通过在控制电脑一85操作查看加湿气体的湿度以及控制加热器动作以控制恒温水箱81内的温度。

本实施例中，所述膜管式加湿器83为直管多束式Nafion加湿器；在实际应用时，膜管式加湿器83也可以为直管单管式Nafion加湿器。

参见图3所示，氢气发生单元1包括电解水型氢气发生器11，所述氢气循环单元4包括稳压储气罐41、安全阀42和氢气循环泵43，所述电解水型氢气发生器11的两侧分别设置有进水管12和出水管13，电解水型氢气发生器11的其中一侧、顶部分别设置有进气管14、出气管15，所述电解水型氢气发生器11的出气管15与膜管式加湿器83的干燥气体入口86连通，膜管式加湿器83的加湿气体出口87与燃料电池单元3的排气口管道连接，燃料电池单元的出气口与稳压储气罐41的进气口连通，稳压储气罐41的出气口与氢气循环泵43的进气口管道连通并通过氢气循环泵43与电解水型氢气发生器11的进气管14管道连通，所述安全阀42设置在稳压储气罐41其中一侧底部。

参见图4所示，所述燃料电池单元3包括电堆测试单元，所述电堆测试单元还包括燃料电池，所述温度检测与控制单元6包括控制电脑二、循环水流系统和热电偶，所述热电偶设置在燃料电池上，所述热电偶将检测的燃料电池的温度数据传输至控制电脑二，所述循环水流系统接于燃料电池，所述控制电脑二通过控制循环水流系统流量继而控制燃料电池温度；所述负载输出单元7包括电子负载，所述电子负载消耗对燃料电池单元3产生的电能，并显示通过电子负载的电压以及电流数据继而对电堆测试单元的燃料电池的发电性能进行评估。

参见图5所示，所述氧气排放单元5包括汽/水分离器51和设置在汽/水分离器51其中一侧的稳压阀52，所述燃料电池单元3排出的氧气进入汽/水分离器51进行汽/水分离后氧气经过稳压阀52排至外界大气中，水经过汽/水分离器51的排水口排出。

本实施例中，氧气供给单元2采用压缩氧气罐直接供给氧气经过加湿单元8后再进入燃料电池单元3。

本发明的工作原理为：燃料电池单元3发电时需要的氢气和氧气由氢气发生单元1、氧气供给单元2供给，氢气发生单元1中的电解水型氢气发生器11只电解纯水即可产氢，通电后，电解水型氢气发生器11的电解池阴极产生氢气，电解水型氢气发生器11的电解池阳极产氧气，氢气经稳压阀调整到额定压力由出气管15输出至加湿单元8加湿后进入燃料电池单元3，氧气直接排放大气；氧气供给单元2采用压缩氧气罐直接供给氧气经过加湿单元8后再进入燃料电池单元3；同时，温度检测与控制单元6通过热电偶探测燃料电池的温度并通过控制循环水流系统流量进而控制燃料电池温度，使燃料电池运行在一个稳定的温度区间内；燃料电池产生的电能由通过导线连接的电子负载输出进行消耗，电子负载消耗燃料电池单元3产生的电能，并显示通过电子负载的电压以及电流数据继而对电堆测试单元的燃料电池的发电性能进行评估；由燃料电池单元3排出的剩余氢气通过氢气出气管线排入氢气循环单元4，在稳压储气罐41中稳压后，经过氢气循环泵43泵并通过进气管14进入电解水型氢气发生器11循环使用，由燃料电池单元3排出的剩余氧气排入氧气排放单元5，经水汽分离，稳压后排入外界中。

本实施例中，未述部分与现有技术相同，此处未再次赘述。

使用膜管式加湿器封闭加湿系统，氢气在内部与Nafion膜进行可控水汽交换和循环增湿，不仅能够避免氢气与可能出现的明火接触，而且增湿后的氢气能有效提高氢燃料电池堆的发电效率，降低能耗；从燃料电池中产生的氢气尾气经过收集和处理，能够重新参与循环增湿过程进行水汽交换和使用，整个过程无氢气的外排，实现燃料电池测试平台的高安全性。

综上所述，本发明提供的一种高安全性的燃料电池测试平台，从源头上消除高压氢气储存时可能产生的安全隐患，使用氢气发生装置，氢气只有在设备上电运行时才会产生，且实现了氢气在测试时的循环使用，无氢气外排；采用膜管式增湿方案，不仅能够实现氢气的封闭内循环，而且能够更加精确的控制氢气的增湿状态，从而有效提高燃料电池性能测试的精度和电池性能。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种高安全性的燃料电池测试平台，其特征在于：包括氢气发生单元、氧气供给单元、燃料电池单元、氢气循环单元、氧气排放单元、温度检测及控制单元和负载输出单元，其中，所述氢气发生单元用于制备氢气并为燃料电池单元提供氢气源，所述氧气供给单元用于为燃料电池单元提供氧气源，所述氢气循环单元用于将燃料电池单元排出的剩余氢气进行稳压后循环至氢气发生单元循环使用，所述氧气排放单元用于将燃料电池单元排出的剩余氧气进行稳压后排入外界，所述温度检测及控制单元用于探测并控制燃料电池单元电池温度，所述负载输出单元用于对燃料电池单元产生的电能进行消耗并显示通过负载的电压以及电流数据继而对燃料电池的发电性能进行评估。

2.根据权利要求1所述的一种高安全性的燃料电池测试平台，其特征在于，还包括两组用于给氢气发生单元、氧气供给单元排出的氢气、氧气分别进行加湿后送入燃料电池单元的加湿单元。

3.根据权利要求2所述的一种高安全性的燃料电池测试平台，其特征在于，所述加湿单元包括恒温水罐、水泵、膜管式加湿器、气体湿度传感器和控制电脑一，所述恒温水罐内设置有加热器，所述恒温水罐以及膜管式加湿器的出水口与水泵的入水口采用三通管连接，所述水泵的出水口与膜管式的进水口管道连接，且在恒温水罐的出水管、膜管式加湿器出水口处的出水管以及水泵的出水口管道上均设置有阀门，所述膜管式加湿器靠近膜管式加湿器的出水口一端为干燥气体入口，膜管式加湿器靠近膜管式加湿器的入水口一端为加湿气体出口，所述气体湿度传感器设置在加湿气体出口外部管道上，且所述气体湿度传感器以及恒温水罐均与控制电脑一电性连接，通过在控制电脑一操作查看加湿气体的湿度以及控制加热器动作以控制恒温水箱内的温度。

4.根据权利要求3所述的一种高安全性的燃料电池测试平台，其特征在于，所述膜管式加湿器为直管单管式Nafion加湿器或直管多束式Nafion加湿器。

5.根据权利要求3所述的一种高安全性的燃料电池测试平台，其特征在于，氢气发生单元包括电解水型氢气发生器，所述氢气循环单元包括稳压储气罐、安全阀和氢气循环泵，所述电解水型氢气发生器的两侧分别设置有进水管和出水管，电解水型氢气发生器的其中一侧、顶部分别设置有进气管、出气管，所述电解水型氢气发生器的出气管与膜管式加湿器的干燥气体入口连通，膜管式加湿器的加湿气体出口与燃料电池单元的排气口管道连接，燃料电池单元的出气口与稳压储气罐的进气口连通，稳压储气罐的出气口与氢气循环泵的进气口管道连通并通过氢气循环泵与电解水型氢气发生器的进气管管道连通，所述安全阀设置在稳压储气罐其中一侧底部。

6.根据权利要求1所述的一种高安全性的燃料电池测试平台，其特征在于，所述燃料电池单元包括电堆测试单元，所述电堆测试单元还包括燃料电池，所述温度检测与控制单元包括控制电脑二、循环水流系统和热电偶，所述热电偶设置在燃料电池上，所述热电偶将检测的燃料电池的温度数据传输至控制电脑二，所述循环水流系统接于燃料电池，所述控制电脑二通过控制循环水流系统流量继而控制燃料电池温度。

7.根据权利要求6所述的一种高安全性的燃料电池测试平台，其特征在于，所述负载输出单元包括电子负载，所述电子负载消耗对燃料电池单元产生的电能，并显示通过电子负载的电压以及电流数据继而对电堆测试单元的燃料电池的发电性能进行评估。

8.根据权利要求1所述的一种高安全性的燃料电池测试平台，其特征在于，所述氧气排放单元包括汽/水分离器和设置在汽/水分离器其中一侧的稳压阀，所述燃料电池单元排出的氧气进入汽/水分离器进行汽/水分离后氧气经过稳压阀排至外界大气中，水经过汽/水分离器的排水口排出。

Images