CN111082093A - 一种氢燃料电池电堆耐久性测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种氢燃料电池电堆耐久性测试系统及方法，冷却水储存箱的输入管道和输出管道分别与燃料电池电堆连通；冷却水储存箱的输入管道中间连通有电导率测量仪、散热器等；氢气尾气排放管道依次连通有氢气回收管路、背压阀门和氢气传感器；阴极尾气排放管道连接有尾气分析仪，实现耐久性测试过程中所关注阴极尾气成分的收集与测量；电堆上连接有电化学工作站，实现耐久性测试过程中电堆电化学性能的检测。本发明能够完成对电堆耐久性较全面的测试：实现氢气尾气回收，节约成本；能够及时报警，防止危险事故发生；实现电堆冷却循环水电导率、阴极尾气成分等检测，消除启停时氢氧界面形成对电堆耐久性的影响。

Description

一种氢燃料电池电堆耐久性测试系统及方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池电堆耐久性测试系统及方法

背景技术

目前，最接近的现有技术：燃料电池的测试系统的专利比较多，但是专门介绍燃料电池耐久性测试的系统可以说很少。现有技术方案大多数都是关于燃料电池测试的，燃料电池耐久性测试系统不仅需要有燃料和氧化剂管道，一般测试系统都有氮气管道，但其使用方法没有从电堆耐久性测试角度考虑。同时耐久性测试系统还需要添加尾气分析和冷却水电导率检测等装置。随之带来的耐久性测试系统的工作方法也不一样。

运输业对于化石燃料的需求正在不断激增，随之而来的内燃机带来的环境污染问题越发严重。政府和研究机构对于新能源汽车已经研究了数十年，有着高转换效率、低运行温度、无污染、低噪音及弱振动等特点的燃料电池无疑是一种非常适合替换内燃机的能源设备。

燃料电池包括碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池等。其中质子交换膜燃料电池适用范围最广，特别是作为交通工具的动力源，最具有商业运用前景。质子交换膜燃料电池的燃料主要是氢气，因此也常称为氢燃料电池。

然而燃料电池在商业化应用之前仍然有许多需要克服的困难，其中最为重要的就是成本和耐久性问题。根据美国DOE部门发布的标准，车载燃料电池在真实路况下运行5000h衰减率要小于10％。燃料电池在运行的时候材料会产生衰退，这会导致燃料电池性能的降低。单片燃料电池产生的功率很低，燃料电池作为发电装置通常是将多片电池串联起来形成电堆。

质子交换膜燃料电池的衰减主要包括：(1)膜的机械损伤或电化学反应造成的衰减；(2)催化剂Pt耐久性衰减；(3)催化剂载体碳耐久性衰减。在进行燃料电池电堆耐久性测试时，需要弄清楚耐久性降低的机制和工况(压力，温度，湿度，反应气体过量系数等)及其它情况对燃料电池耐久性的影响。耐久性测试循环如果包括启停工况，在启停期间空气中的氧气会进入燃料电池阳极形成氢氧界面，氢氧界面的形成会引发阴极高电位，从而导致阴极催化层内部的碳腐蚀及铂颗粒团聚等反应降低燃料电池的耐久性。同时在启停期间容易出现气体供应不足的饥饿现象，这也会加剧载体的碳腐蚀。如果不能将启停期间的这两个影响加以区分和控制，那么势必会对测试形成干扰。氮气吹扫通常是控制启停期间氢氧界面形成的有效策略。质子交换膜在发生化学降解的时候，膜的分子主链和支链会受到自由基的攻击而断裂，产生一些含氟基团，含氟基团会随着燃料电池阴极生成的水一起排出，同时燃料电池的碳载体受到腐蚀会产生二氧化碳，二氧化碳溶于水也会随着阴极产生的水排出，因此对阴极排出的水进行成分检测能够很好的表征膜电极组件的衰减程度。冷却水流道一般布置集流板里面，当集流板的材料是石墨的时候，由于电化学反应发生腐蚀的碳颗粒会随着冷却水脱落，提高冷却水的电导率。当集流板的材料是金属的时候，同样由于电化学反应，金属板表面的镀层会脱落一些金属离子导致冷却水电导率的上升。金属双极板的腐蚀所产生的微量金属离子的污染可通过催化自由基的形成，强烈促进质子交换膜燃料电池膜的变薄和性能衰退。通过对冷却水电导率的检测能够表征集流板发生腐蚀的程度，对燃料电池降解的程度有一个更深的了解。燃料电池的耐久性测试需要对电池的耐久性做出全面的分析，一个安全高效、功能齐全的燃料电池耐久性测试系统能够对燃料电池的耐久性测试起到很大的帮助。

综上所述，现有技术存在的问题是：(1)无法对氢气实现回收或者回收效果不好。

(2)不能对冷却水温度进行实时监控和调整，导致电堆运行温度的波动范围大，不确定性高。

(3)对燃料电池尾气的分析不重视。

(4)对燃料电池双极板的分析不重视。

(5)忽略启停时阳极流场板内存在氢氧界面对燃料电池耐久性的影响，或者对这种影响的消除以及如何进行后续的测试没有一个具体的方案。

解决上述技术问题的难度：

(1)燃料电池的燃料通常需要加湿并且要保持纯度(除了氢气和加湿的水之外最好不要有其它的杂质)，这就给氢气的回收造成了困难，如果氢气回收中带有大量的水分，再次通入燃料电池内时就容易造成水淹，对燃料电池性能的影响非常大。

(2)从热力学和反应动力学的角度上来讲，对燃料电池的温度有着特殊的要求，温度过高容易导致膜内水分降低不利于质子的传导并且容易对材料产生不好的影响(如玻璃化等)，温度过低燃料电池的性能不能达到比较好的一个程度。

解决上述技术问题的意义：

(1)节约成本，因为耐久性测试通常需要做很长时间，对燃料的需求较多。

(2)控制燃料电池温度在我们想要的一个区间，利于测试。

(3)质子交换膜在发生化学降解的时候，膜的分子主链和支链会受到自由基的攻击而断裂，产生一些含氟基团，含氟基团会随着燃料电池阴极生成的水一起排出，同时燃料电池的碳载体受到腐蚀会产生二氧化碳，二氧化碳溶于水也会随着阴极产生的水排出，因此对阴极排出的水进行成分检测能够很好的表征膜电极组件的衰减程度。

(4)冷却水流道一般布置集流板里面，当集流板的材料是石墨的时候，由于电化学反应发生腐蚀的碳颗粒会随着冷却水脱落，提高冷却水的电导率。当集流板的材料是金属的时候，同样由于电化学反应，金属板表面的镀层会脱落一些金属离子导致冷却水电导率的上升。金属双极板的腐蚀所产生的微量金属离子的污染可通过催化自由基的形成，强烈促进质子交换膜燃料电池膜的变薄和性能衰退。通过对冷却水电导率的检测能够表征集流板发生腐蚀的程度，对燃料电池降解的程度有一个更深的了解。

(5)耐久性测试循环如果包括启停工况，在启停期间空气中的氧气会进入燃料电池阳极形成氢氧界面，氢氧界面的形成会引发阴极高电位，从而导致阴极催化层内部的碳腐蚀及铂颗粒团聚等反应降低燃料电池的耐久性。同时在启停期间容易出现气体供应不足的饥饿现象，这也会加剧载体的碳腐蚀。如果不能将启停期间的这两个影响加以区分和控制，那么势必会对测试形成干扰。氮气吹扫通常是控制启停期间氢氧界面形成的有效策略。本测试系统及方案能够有效消除这一影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种氢燃料电池电堆耐久性测试系统及方法。

本发明是这样实现的，一种氢燃料电池电堆耐久性测试系统，所述氢燃料电池电堆耐久性测试系统采用氮气吹扫法，所述测试系统包括：

冷却管路上设置有电导率测量仪，氢气尾气排放管道上设置有氢气回收回路。阴极尾气排放管道设置有尾气分析仪，电堆上连接有实现耐久性测试过程中电堆电化学性能的检测的电化学工作站。

进一步，所述氢燃料电池电堆耐久性测试系统设置有过滤器a、三通阀门b、氮气储存罐；高压空气源经过滤器a将对燃料电池有害的物质进行清除；清除后的高压空气源经旁通阀门a、加湿器a加湿进入燃料电池电堆；燃料电池电堆产生的阴极尾气通过背压阀门a排出；

高压氢气源提供的氢气通过三通阀门b，经过加湿器b加湿进入燃料电池电堆；

经氮气储存罐提供的氮气通过三通阀门b输送到阳极管道，进入旁通阀门b、旁通管道b进入燃料电池电堆；

以及所述氮气过三通阀门a、旁通阀门a、旁通管道a进入燃料电池电堆；

燃料电池电堆上安装的数据采集器检测燃料电池电堆的输出电压，将测量数据发送到电控单元ECU。

进一步，高压空气源由压力传感器a进行检测压力，由流量控制器a控制空气流量，湿度传感器a对加湿器a加湿的空气湿度进行检测，将检测的数据发送到电控单元ECU。

进一步，阴极尾气排出时，阴极尾气分析仪针对关注的尾气成分对其进行收集，并对收集到的阴极排出的尾气进行分析，将分析后的数据发送到电控单元ECU，从而实现耐久性测试过程中所关注阴极尾气成分的收集与测量。

进一步，高压氢气源由压力传感器b检测压力，流量控制器b控制氢气流量；

在测试耐久性时，氮气不经加湿器b加湿，通过旁通管道b进入燃料电池电堆；

与燃料电池电堆通过阳极排气管道连接的背压阀门b关闭，氢气尾气通过单向阀门，通过旋转式气水分离器将水分离，过滤器b再将氢气尾气中的水完全过滤掉，经由电子氢气循环泵输送到三通阀门b，从而实现氢气尾气回收，节约成本。

进一步，氮气由压力传感器b检测压力，流量控制器b控制流量进入旁通阀门b，将检测的数据发送到电控单元ECU。

进一步，与燃料电池电堆通过阳极排气管道连通的单向阀门关闭，背压阀门b打开,在阳极排气管道上安装的氢气传感器监测不到氢气时或者只有少数氢气存在，氮气吹扫完毕，停止输送氮气，氢气和空气开始供应，10s过后，背压阀门b关闭，氢气开始回收，下一循环开始。

进一步，冷却水从冷却水储存箱经过电子水泵输送到燃料电池电堆，排出的冷却水通过散热器和冷却风扇散热回到冷却水储存箱；

电导率测量仪对冷却水进行测量，温度传感器对散热后的水的温度进行测量，将信息传送给电控单元ECU。

进一步，氮气经过储存罐提供的氮气通过三通阀门b输送到阳极管道，压力传感器b检测压力，流量控制器b控制流量进入旁通阀门b；同时氮气通过三通阀门a、流量控制器a、旁通阀门a输送到阴极管道；

数据采集器检测电堆的输出电压低于最低电压，电控单元ECU发出信号，切断燃料电池电堆气体供应并断掉电子负载同时发出警报；

与燃料电池电堆通过导线连接的电化学工作站，经过50或100次的循环对燃料电池电堆进行极化曲线、CV曲线、LSV曲线、EIS的测量，从而实现耐久性测试过程中电堆电化学性能的检测；

氢气发生泄漏，安装于燃料电池电堆上方的氢气泄漏检测仪将信号传送至电控单元ECU，自动报警，防止危险事故发生。

本发明提供的另一目的在于提供一种任意一项所述氢燃料电池电堆耐久性测试系统的氢燃料电池电堆耐久性测试方法，所述氢燃料电池电堆耐久性测试方法包括：

当燃料电池电堆运行时，高压空气源经由过滤器a将对燃料电池有害的物质如CO、微粒物等清除；经过加湿器a加湿进入燃料电池电堆；将检测的数据发送到电控单元ECU；

阴极尾气通过背压阀门a排出；阴极尾气排出时，阴极尾气分析仪针对关注的尾气成分对其进行收集，并对收集到的阴极排出的尾气成分进行分析；

高压氢气源提供的氢气通过三通阀门b,经过加湿器b加湿进入燃料电池电堆；

在燃料电池电堆启停测试过程中，根据测试需求由储存罐提供的氮气通过三通阀门b输送到阳极管道，进入旁通阀门b；以及通过三通阀门a、流量控制器a、旁通阀门a输送到阴极管道，从而消除启停时氢氧界面形成对电堆耐久性的影响；

数据采集器检测电堆的总输出电压和单片电池电压，当最低单片电压的数值低于限定电压时，由电控单元ECU发出信号，切断电堆气体供应并断掉电子负载同时发出警报。

进一步，背压阀门b关闭，氢气尾气通过单向阀门，通过旋转式气水分离器初步将水分离，过滤器b再将氢气尾气中的水完全过滤掉，经由电子氢气循环泵输送到三通阀门b,完成氢气尾气的回收再利用；

一个测试循环结束时，单向阀门关闭，背压阀门b打开,在阳极排气管道设置的氢气传感器监测不到氢气或者氢气非常少时，氮气吹扫完毕，停止输送氮气，氢气和空气开始供应，10s过后，背压阀门b关闭，下一循环开始；

电化学工作站每经过给定时间对燃料电池电堆进行一次极化曲线、CV曲线、LSV曲线、EIS的测量；

氢气发生泄漏，安装于燃料电池电堆上方的氢气泄漏检测仪将信号传送至电控单元ECU，自动报警。

本发明的积极效果和意义：

(1)本发明提供了一个完整可靠的燃料电池电堆测试系统。

(2)本发明能够实现氢气尾气回收，节约成本。

(3)当氢气发生泄露或者一旦有电池低于最低电压时，本发明提供的系统能够及时报警，防止危险事故发生，并且立即停止电堆工作。

(4)本发明提供的系统由散热器、风扇、温度传感器、电子水泵组成的散热系统能够实现对冷却水温度的实时监控及控制。当冷却水温度过低时，减少风扇和水泵转速，当冷却水温度过高时，加大风扇和水泵转速，使电堆的温度保持在确定的范围。

(5)本发明通过电导率测量仪测量冷却水的电导率，因为当燃料电池降解时，冷却水会从电池内部带走分解出的导电物质，冷却水电导率越高，说明燃料电池降解越严重。

(6)本发明设置在阴极排气管道的尾气分析仪能够对阴极排出的水进行成分检测，一定程度上表征MEA组件的衰减情况。

(7)本发明能够通过氮气吹扫自动消除启停时氢氧界面形成高电势对燃料电池造成的影响,也可在不消除氢氧界面影响时，控制其它参数，研究启停时氢氧界面形成对电堆耐久性的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的氢燃料电池电堆耐久性测试系统结构示意图。

图中：1、高压空气源；2、过滤器a；3、三通阀门a；4、压力传感器a；5、流量控制器a；6、旁通阀门a；7、加湿器a；8、旁通管道a；9、湿度传感器a；10、氢气泄漏检测仪；11、燃料电池电堆；12、背压阀门a；13、阴极尾气分析仪；14、数据采集器；15、电子负载；16、电化学工作站；17、电控单元ECU；18、氢气传感器；19、背压阀门b；20、单向阀门；21、旋转式气水分离器；22、过滤器b；23、电子氢气循环泵；24、高压氢气源；25、氮气储存罐；26、电导率测量仪；27、散热器；28、风扇；29、温度传感器；30、冷却水储存箱；31、电子水泵；32、三通阀门b；33、压力传感器b；34、流量控制器b；35、旁通阀门b；36、加湿器b；37、旁通管道b；38、湿度传感器b。

图2是本发明实施例提供的传感器信号传输与控制命令示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的氢燃料电池电堆耐久性测试系统包括高压空气源1、过滤器a 2、三通阀门a 3、压力传感器a 4、流量控制器a 5、旁通阀门a 6、加湿器a 7、旁通管道a 8、湿度传感器a 9、氢气泄漏检测仪10、燃料电池电堆11、背压阀门a 12、阴极尾气分析仪13、数据采集器14、电子负载15、电化学工作站16、电控单元ECU 17、氢气传感器18、背压阀门b 19、单向阀门20、旋转式气水分离器21、过滤器b 22、电子氢气循环泵23、高压氢气源24、氮气储存罐25、电导率测量仪26、散热器27、风扇28、温度传感器29、冷却水储存箱30、电子水泵31、三通阀门b 32、压力传感器b 33、流量控制器b 34、旁通阀门b 35、加湿器b 36、旁通管道b 37、湿度传感器b 38。

在本发明实施例中，高压空气源1经过滤器a 2将对燃料电池有害的物质进行清除；清除后的高压空气源1经旁通阀门a 6、加湿器a 7加湿进入燃料电池电堆11；燃料电池电堆11产生的阴极尾气通过背压阀门a 12排出，同时阴极尾气分析仪对关注的尾气成分进行收集与检测分析。

高压氢气源24提供的氢气通过三通阀门b 32，经过加湿器b 36加湿进入燃料电池电堆11。

在燃料电池电堆启停测试过程中，经氮气储存罐25提供的氮气通过三通阀门b 32输送到阳极管道，进入旁通阀门b 35、旁通管道b 37进入燃料电池电堆11。

以及所述氮气过三通阀门a 3、旁通阀门a 6、旁通管道a 8进入燃料电池电堆11。

燃料电池电堆11上安装的数据采集器14检测燃料电池电堆11的输出电压和单片电压，将测量数据发送到电控单元ECU 17。

在本发明实施例中，高压空气源1由压力传感器a 4进行检测压力，由流量控制器a5控制空气流量，湿度传感器a 9对加湿器a 7加湿的空气湿度进行检测，将检测的数据发送到电控单元ECU17。

阴极尾气排出时，阴极尾气分析仪13对收集到的阴极排出的尾气进行分析，将分析后的数据发送到电控单元ECU17。

高压氢气源由压力传感器b 33检测压力，流量控制器b 34控制氢气流量，氮气不经加湿器b 36加湿，通过旁通管道b 37进入燃料电池电堆11。

与燃料电池电堆11通过阳极排气管道连接的背压阀门b 19关闭，氢气尾气通过单向阀门20，通过旋转式气水分离器21将水分离，过滤器b 22再将氢气尾气中的水完全过滤掉，经由电子氢气循环泵23输送到三通阀门b 32。

在本发明实施例中，氮气由压力传感器b 33检测压力，流量控制器b 34控制流量进入旁通阀门b 35。

当氮气进行吹扫时与燃料电池电堆11通过阳极排气管道连通的单向阀门20关闭，背压阀门b 19打开,在阳极排气管道上安装的氢气传感器18监测不到氢气时或者只有少数氢气存在，氮气吹扫完毕，停止输送氮气，氢气和空气开始供应，10S过后，背压阀门b 19关闭，氢气重新开始回收，下一循环开始。

冷却水从冷却水储存箱30经过电子水泵31输送到燃料电池电堆11，排出的冷却水通过散热器27和冷却风扇28散热回到冷却水储存箱30。

电导率测量仪26对冷却水进行测量，温度传感器29对散热后的水的温度进行测量，将信息传送给电控单元ECU17。

氮气经过储存罐25提供的氮气通过三通阀门b 32输送到阳极管道，压力传感器b33检测压力，流量控制器b 34控制流量进入旁通阀门b 35；同时氮气经过三通阀门a 3、流量控制器a 5、旁通阀门a 6输送到阴极管道。数据采集器14检测电堆的输出电压，如果有电池低于最低电压，电控单元ECU17发出信号，切断燃料电池电堆气体供应并断掉电子负载15同时发出警报。

与燃料电池电堆通过导线连接的电化学工作站，经过一定次数的循环对燃料电池电堆进行极化曲线、CV曲线、LSV曲线、EIS的测量；

氢气发生泄漏，安装于燃料电池电堆11上方的氢气泄漏检测仪10将信号传送至电控单元ECU，自动报警。

图2是本发明实施例提供的传感器信号传输与控制命令示意图。

本发明实施例提供的氢燃料电池电堆耐久性测试方法具体包括：当燃料电池电堆11运行时，高压空气源1经由过滤器a 2将对燃料电池有害的物质，如CO_2，CO等清除。由压力传感器a 4检测压力，由流量控制器a 5控制空气流量，经过加湿器a 7加湿进入燃料电池电堆11。湿度传感器a 9对湿度进行检测，将检测的数据发送到电控单元ECU17。

阴极尾气通过背压阀门a 12排出。当阴极尾气排出时，阴极尾气分析仪13对收集到的阴极排出的水进行分析。

高压氢气源24提供的氢气通过三通阀门b 32,由压力传感器b 33检测压力，流量控制器b 34控制氢气流量，经过加湿器b 36加湿进入燃料电池电堆11。或不经过加湿器b36加湿，通过旁通管道b 37进入燃料电池电堆11。

背压阀门b 19此时关闭，氢气尾气通过单向阀门20，通过旋转式气水分离器21初步将水分离，过滤器b 22再将氢气尾气中的水完全过滤掉，经由电子氢气循环泵23输送到三通阀门b 32,完成氢气尾气的回收再利用。

在本发明实施例中，冷却水从冷却水储存箱30，经过电子水泵31输送到燃料电池电堆11，排出的冷却水通过散热器27和冷却风扇28散热回到冷却水储存箱30。其中当冷却水排出的时候，电导率测量仪26对冷却水进行测量，温度传感器29对散热后的水的温度进行测量，将信息传送给主控制电路ECU，所述主控制电路ECU搭载在电控单元ECU17上。

当耐久性测试需要消除启停时氢氧界面形成高电势电位对燃料电池电堆11造成的影响，此时可以通氮气将氢气排出。

氮气经过储存罐25提供的氮气通过三通阀门b 32输送到阳极管道，压力传感器b33检测压力，流量控制器b 34控制流量进入旁通阀门b 35；以及过三通阀门a 3、流量控制器a 5、旁通阀门a 6输送到阴极管道；

此时不需要经过加湿器b 36和加湿器a 7加湿，分别从旁通管道b 37、旁和旁通管道a 8进入燃料电池电堆11。湿度传感器b 38对湿度进行检测，将检测的数据发送到电控单元ECU 17。

在本发明实施例中，单向阀门20关闭，背压阀门b 19打开,在阳极排气管道设置氢气传感器18，当氢气传感器18监测不到氢气时或者相对而言只有较少数氢气存在，此时可视为氮气吹扫完毕，停止输送氮气，氢气和空气开始供应，10S过后，背压阀门b 19关闭，下一循环开始。

在本发明实施例中，数据采集器14能够检测电堆的输出电压，并且能够测量出每一片单电池的电压和电堆平均电压，将测量数据发送到电控单元ECU 17；数据采集器14可以设置一个最低电压，最低电压的数值可以设置如为平均电压的s％(根据个人需要可调节，如可以设置为60％),如果有电池的电压比最低电压低，说明电池的衰退较为严重并且可能引发事故，此时由主控制电路发出信号，切断电堆气体供应并断掉电子负载15同时发出警报。

在本发明实施例中，在实验开始时对电堆进行一次电化学表征，然后每经过N次循环对电堆进行一次表征。表征的内容有：

(1)在本发明实施例中，对燃料电池电堆11阴极排出的水进行采集，采集的水由阴极尾气分析仪13检测，测量水中含有的成分(例如氟离子和碳酸根离子的浓度测量)，如果氟离子浓度较高说明质子交换膜的化学降解较为严重，如果碳酸根离子浓度较高说明碳载体的腐蚀较为严重。

(2)在本发明实施例中，对冷却水的电导率通过电导率测量仪26进行检测，如果电导率较高，说明双极板的腐蚀较为严重，并且可一定程度上表明对膜电极组件的衰减造成了影响。

(3)在本发明实施例中，电化学工作站16可以对燃料电池电堆11进行极化曲线、CV曲线(循环伏安曲线)、LSV曲线(渗氢电流检测曲线)、EIS(电化学阻抗谱)的测量。

当进行极化曲线的测量时，电压从1V扫描到0.4V，电流密度每间隔100mA/cm²停顿一段时间等到电堆稳定之后进行下一段的测量，可以设置在一定时间内测完极化曲线(例如10分钟)，测完之后在每一段内取一个平均值绘制极化曲线。极化曲线可以有效地表征燃料电池的性能。

进行CV曲线的测量时，氮气通过阴极，高压氢气源24的氢气通过阳极。当开路电压降到100mV或者更低时，电压以20mV/s的速度从50mV扫描到1100mV。CV曲线可以有效地表征ESA(电化学活性表面积)。进行LSV曲线的测量时，阴极通氮气，阳极通氢气，电压以5mV/s的速度从0.05V扫描到0.5V。

(4)如果渗氢电流非常高，说明膜的衰退已经非常严重。进行EIS测量时，工况应和电堆正常运行时大致相同，施加一个0.1A/cm²的电流密度，频率范围从0.1HZ到10KHZ。根据EIS可以探究MEA组件内部的性能，包括欧姆阻抗、活化阻抗和传质阻抗。

如果氢气发生泄漏，安装于燃料电池电堆11上方的氢气泄漏检测仪10会将信号传送至电控单元ECU，自动报警，停止实验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池电堆耐久性测试系统，其特征在于，所述氢燃料电池电堆耐久性测试系统采用氮气吹扫法，所述测试系统包括：

冷却管路上设置有电导率测量仪，氢气尾气排放管道上设置有氢气回收回路，阴极尾气排放管道设置有尾气分析仪，电堆上连接有实现耐久性测试过程中电堆电化学性能的检测的电化学工作站。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆耐久性测试系统，其特征在于，所述氢燃料电池电堆耐久性测试系统具体包括：

设置有过滤器a、三通阀门b、氮气储存罐；高压空气源经过滤器a将对燃料电池有害的物质进行清除；清除后的高压空气源经旁通阀门a、加湿器a加湿进入燃料电池电堆；燃料电池电堆产生的阴极尾气通过背压阀门a排出；

高压氢气源提供的氢气通过三通阀门b，经过加湿器b加湿进入燃料电池电堆；

经氮气储存罐提供的氮气通过三通阀门b输送到阳极管道，进入旁通阀门b、旁通管道b进入燃料电池电堆；

以及所述氮气过三通阀门a、旁通阀门a、旁通管道a进入燃料电池电堆；

燃料电池电堆上安装的数据采集器检测燃料电池电堆的输出电压，将测量数据发送到电控单元ECU。

3.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆耐久性测试系统，其特征在于，高压空气源由压力传感器a进行检测压力，由流量控制器a控制空气流量，湿度传感器a对加湿器a加湿的空气湿度进行检测，将检测的数据发送到电控单元ECU。

4.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆耐久性测试系统，其特征在于，阴极尾气排出时，阴极尾气分析仪针对关注的尾气成分对其进行收集，并对收集到的阴极排出的尾气进行分析，将分析后的数据发送到电控单元ECU。

5.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆耐久性测试系统，其特征在于，高压氢气源由压力传感器b检测压力，流量控制器b控制氢气流量；

在耐久性测试时，氮气不经加湿器b加湿，通过旁通管道b进入燃料电池电堆；

与燃料电池电堆通过阳极排气管道连接的背压阀门b关闭，氢气尾气通过单向阀门，通过旋转式气水分离器将水分离，过滤器b再将氢气尾气中的水完全过滤掉，经由电子氢气循环泵输送到三通阀门b。

6.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆耐久性测试系统，其特征在于，氮气由压力传感器b检测压力，流量控制器b控制流量进入旁通阀门b，将检测的数据发送到电控单元ECU。

7.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆耐久性测试系统，其特征在于，与燃料电池电堆通过阳极排气管道连通的单向阀门关闭，背压阀门b打开,在阳极排气管道上安装的氢气传感器监测不到氢气时或者只有少数氢气存在，氮气吹扫完毕，停止输送氮气，氢气和空气开始供应，10S过后，背压阀门b关闭，氢气开始回收，下一循环开始；冷却水从冷却水储存箱经过电子水泵输送到燃料电池电堆，排出的冷却水通过散热器和冷却风扇散热回到冷却水储存箱；

电导率测量仪对冷却水进行测量，温度传感器对散热后的水的温度进行测量，将信息传送给电控单元ECU。

8.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆耐久性测试系统，其特征在于，氮气经过储存罐提供的氮气通过三通阀门b输送到阳极管道，压力传感器b检测压力，流量控制器b控制流量进入旁通阀门b；同时氮气通过三通阀门a、流量控制器a、旁通阀门a输送到阴极管道；

数据采集器检测电堆的输出电压低于最低电压，电脑发出信号，切断燃料电池电堆气体供应并断掉电子负载同时发出警报；

与燃料电池电堆通过导线连接的电化学工作站，经过多次的循环对燃料电池电堆进行极化曲线、CV曲线、LSV曲线、EIS的测量；

氢气发生泄漏，安装于燃料电池电堆上方的氢气泄漏检测仪将信号传送至电脑，自动报警。

9.一种如权利要求1～8任意一项所述氢燃料电池电堆耐久性测试系统的氢燃料电池电堆耐久性测试方法，其特征在于，所述氢燃料电池电堆耐久性测试方法包括：

当燃料电池电堆运行时，高压空气源经由过滤器a将对燃料电池有害的物质如CO₂、CO等清除；经过加湿器a加湿进入燃料电池电堆；将检测的数据发送到电控单元ECU17；

阴极尾气通过背压阀门a排出；阴极尾气排出时，阴极尾气分析仪对收集到的阴极排出的尾气进行分析；

高压氢气源提供的氢气通过三通阀门b,经过加湿器b加湿进入燃料电池电堆；

氮气经过储存罐提供的氮气通过三通阀门b输送到阳极管道，进入旁通阀门b；以及过三通阀门a、流量控制器a、旁通阀门a输送到阴极管道；

数据采集器检测电堆的输出电压，最低电压的数值低于平均电压，由电脑发出信号，切断电堆气体供应并断掉电子负载同时发出警报。

10.如权利要求9所述的氢燃料电池电堆耐久性测试方法，其特征在于，

背压阀门b关闭，氢气尾气通过单向阀门，通过旋转式气水分离器初步将水分离，过滤器b再将氢气尾气中的水完全过滤掉，经由电子氢气循环泵输送到三通阀门b,完成氢气尾气的回收再利用；

单向阀门关闭，背压阀门b打开,在阳极排气管道设置的氢气传感器监测不到氢气时或者较少数氢气，氮气吹扫完毕，停止输送氮气，氢气和空气开始供应，10S过后，背压阀门b关闭，下一循环开始；

电化学工作站每经过设定时间对燃料电池电堆进行一次极化曲线、CV曲线、LSV曲线、EIS的测量；

氢气发生泄漏，安装于燃料电池电堆上方的氢气泄漏检测仪将信号传送至电脑，自动报警。

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