CN111082108B - 一种燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法 - Google Patents

一种燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，包括燃料电池电堆、分别与燃料电池堆阳极气体进口连接的氢气进气管路和第一空气进气管路以及与燃料电池堆阴极气体进口连接的第二空气进气管路，所述的氢气进气管路上包括第一气体增湿器，所述的第一空气进气管路上包括第二气体增湿器，所述的第二空气进气管路上包括第三气体增湿器，该装置还包括分别与燃料电池电堆连接的电堆电压内阻监测器、气体含量监测器和电堆温度控制器，与现有技术相比，本发明具有匹配实际运行条件，满足启停优化策略开发等优点。

Description

一种燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其是涉及一种燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法。
背景技术
燃料电池能够将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的发展前景。其中质子交换膜燃料电池功率密度高、启动快、对负载变化响应快，成为交通运输领域能源重要发展方向。质子交换膜燃料电池作为车用动力必须要经受高电位、大电流、频变载、零下启动、空气杂质等复杂工况和严苛环境的考验，其中常温下的频繁开启而引起的性能衰减是燃料电池汽车在寿命提高的主要障碍之一。因此，需要一种能够快速对燃料电池进行启停测试的装置和方法。
中国专利CN201156078Y和CN101158711B分别公开了一种燃料电池加速启停的寿命试验装置和方法。装置是由空气电池阀、装有压缩空气的瓶体组成，其特征是压缩空气的瓶体通过空气电磁阀连接到燃料电池工作电池阀的阳极氢气进口处。试验的方法包括如下步骤：a)电池阀通电，分别将相应的空气或氧气和氢气分别燃料电池的阴极与阳极；b)给燃料电池加负载运行，负载大小为20mA/cm2,运行时间为5-10分钟后卸载的电池温度保持在60℃左右；c)关闭工作电磁阀，停止空气或氧气和氢气进入燃料电池，停止工作；空气电磁阀通电将压缩空气瓶体内的空气送到燃料电池的氢气腔，时间为10-30秒，关闭空气电磁阀，等待5-10分钟；d)重复a～c步骤。该专利的试验装置只通过电磁阀控制通入燃料电池电堆的氢气和空气，没有对通入气体做进一步处理，无法与实际运行的燃料电池开启状态相匹配，长时间进行多次的气体循环测试后，燃料电池内部环境会因吹扫而改变，验证的结果不能反应实际运行中燃料电池启动中衰减情况，无法准确完成对燃料电池加速启停的寿命试验。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种匹配实际运行条件的燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，包括燃料电池电堆、分别与燃料电池堆阳极气体进口连接的氢气进气管路和第一空气进气管路以及与燃料电池堆阴极气体进口连接的第二空气进气管路，所述的氢气进气管路上包括第一气体增湿器，所述的第一空气进气管路上包括第二气体增湿器，所述的第二空气进气管路上包括第三气体增湿器，该装置还包括分别与燃料电池电堆连接的电堆电压内阻监测器、气体含量监测器和电堆温度控制器。燃料电池开启过程中在阳极腔体内形成氢空界面，导致阴极催化层的碳与水反应，造成电池性能的衰减。因此，气体的湿度对燃料电池启停寿命测试有很大的影响碳，本发明通过引入气体增湿器，能够与实际运行的燃料电池开启状态相匹配，测试的结果能够较为真实的反映启停机造成的性能衰减情况，使测试结果更加准确。
进一步地，所述的气体含量监测器与燃料电池电堆的阴极气体出口连接，用于检测电堆阴极出口的CO2和CO的浓度，通过引入气体含量监测器，获取阴极气体出口的实时CO2和CO的含量变化，检测内部因碳载体发生腐蚀而产生的CO2和CO，分析出电堆内部的碳腐蚀情况，使计算出的衰减情况更加准确。
更进一步地，所述的氢气进气管路还包括依次连接的第一减压阀、第一电磁阀、第一流量计和第一单向阀，所述的第一减压阀与氢气罐连接，用于减压通入的氢气，所述的第一气体增湿器设置于第一流量计和第一单向阀之间，所述的第一空气进气管路还包括依次连接的第二减压阀、第二电磁阀、第二流量计和第二单向阀，所述的第二减压阀连接压缩空气，用于减压通入的空气，所述的第二气体增湿器设置于第二流量计和第二单向阀之间，所述的第一单向阀和第二单向阀分别通过三通阀与燃料电池电堆阳极气体进口连接。
更进一步地，所述的第二空气进气管路还包括依次连接的第三减压阀、第三电磁阀和第三流量计，所述的第三减压阀连接压缩空气，用于减压通入的空气，所述的第三气体增湿器设置于燃料电池电堆阴极气体进口和第三流量计之间。
一种利用如所述的燃料电池启停加速寿命测试装置的测试方法，包括以下步骤：
S1)打开氢气进气管路和第二空气进气管路，分别向燃料电池堆的阳极和阴极通入氢气和空气；
S2)打开第一气体增湿器、第二气体增湿器和第三气体增湿器，分别设定各增湿器出口处的气体温度和湿度；
S3)打开电堆温度控制器，设定燃料电池电堆的运行温度T；
S4)打开电堆电压内阻监测器和气体含量监测器，监测电堆的输出电压、电堆内阻和电堆阴极出口的CO2和CO的浓度；
S5)打开第三电磁阀；
S6)打开第一电磁阀，保持运行第一设定时间t1；
S7)关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀，保持运行第二设定时间t2；
S8)重复步骤S6)和S7)，直至达到设定循环次数；
S9)根据循环前后燃料电池极化性能的变化，计算得到性能衰减速率，并根据性能衰减速率反应的电堆寿命，实现对不同控制方法的对比或优化选择。
步骤S4)中监测的内阻和电压用于监控启停循环是否异常，衰减速率通过运行启停循环测试后，比较燃料电池前后发电性能变化来计算。
进一步地，所述的性能衰减速率为启停循环测试后燃料电池极化性能与未进行启停测试的燃料电池极化性能的比值，即性能衰减速率＝(启停循环测试后的燃料电池极化性能/未进行启停测试的燃料电池极化性能)*100％。
进一步地，所述的步骤S1)中，通入燃料电池堆的氢气和空气的压力均低于200kPag，流量范围均为0-100L/min。考虑到实际运行的综合效率，压力的优选范围为50-170kPag。
进一步地，所述的第一气体增湿器、第二气体增湿器和第三气体增湿器设定出口处气体的温度范围均为0-90℃，优选地，该温度范围为20-85℃，湿度范围均为0-120％，所述的电堆温度控制器设定燃料电池电堆的运行温度T的范围为0-90℃，优选地，运行温度T的范围为20-80℃，各设定温度范围可以更贴近实际运行条件，得到更准确的测试结果。
进一步地，所述的第一设定时间t1的范围为1-100s，该设定时间结合实际系统的有效控制范围，优选地，第一设定时间t1的范围为1-50s，所述的第二设定时间t2的范围为1-500s，优选地，第二设定时间t2的范围为10-200s。
进一步地，所述的设定循环次数的范围为1-5000次，优选为1500-5000次。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过引入气体增湿器，能够与实际启停过程中，燃料电池阳极腔体内形成氢空界面，导致阴极催化层的碳与水反应，造成电池性能衰减的状态相匹配，测试的结果能够较为真实的反映启停机造成的性能衰减情况，使测试结果更加准确；
2)本发明通过引入气体含量监测器，获取阴极气体出口的实时CO2和CO的含量变化，分析出电堆内部的碳腐蚀情况，使计算出的衰减情况更加准确；
3)本发明通过引入气体增湿器，对气体进行增湿，避免利用长时间的干气体循环测试后，导致燃料电池内部因吹扫变干，而影响测试结果的准确性；
4)利用本装置对各参数(温度、压力、湿度等)进行优化，可以方便找出合适的控制策略降低燃料电池的启停引起的衰减，还能对各种不同的控制方法进行验证对比，实用性高；
5)本装置灵活性高，可用针对不同的目的，选配相关的组件，使用部件容易得到，与传统的测试台设备相比成本低、易维护。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明方法的流程示意图。
其中，1、燃料电池电堆，2、氢气罐，3、压缩空气，4、第一气体增湿器，5、第二气体增湿器，6、第三气体证实其，7、电堆电压内阻监测器，8、气体含量监测器，9、计算机，10、电堆温度控制器，11、第一电磁阀，12、第二电磁阀，13、第三电磁阀，14、第一排气阀，15、第二排气阀，16、第三排气阀，17、第一流量计，18、第二流量计，19、第三流量计，20、第一单向阀，21、第二单向阀，22、三通阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供一种用于燃料电池启停加速寿命测试的装置，包括燃料电池电堆1、提供气源的氢气罐2和压缩空气3、电堆电压内阻监测器7、与燃料电池电堆1的阴极气体出口连接的的气体含量监测器8、数据采集和储存使用的计算机9、电堆温度控制器10以及氢气进气管路、第一空气进气管路和第二空气进气管路。
氢气进气管路包括依次连接的第一减压阀14、第一电磁阀11、第一流量计17、第一气体增湿器4和第一单向阀20，第一减压阀14与氢气罐2连接，用于减压通入的氢气；第一空气进气管路包括依次连接的第二减压阀15、第二电磁阀12、第二流量计18、第二气体增湿器5和第二单向阀21，第二减压阀15连接压缩空气3，用于减压通入的空气，第一单向阀20和第二单向阀21分别通过三通阀22与燃料电池电堆1阳极气体进口连接；第二空气进气管路包括依次连接的第三减压阀16、第三电磁阀13、第三流量计19和第三气体增湿器6，第三减压阀16连接压缩空气3，用于减压通入的空气，第三气体增湿器6与燃料电池电堆1阴极气体进口连接。
三个减压阀均满足将气体出口的压力控制在不高于200kPag，其可以是一级或是多级减压设计，第一电磁阀11需满足氢气使用的要求，材质可选不锈钢316、316L、SUS316和SUS316L，从成本的角度考虑，优选316不锈钢，电堆温度控制器10是通过介质流经电堆内部调控，介质可以是水或水-乙二醇混合液，气体含量检测器8能够连续测试气体中的CO2和CO的浓度，第一气体增湿器4、第二气体增湿器5和第三气体增湿器6均能够满足控制气体的相对湿度范围0-120％，气体的温度范围0-90℃，各流量计可选转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计，从成本方面考虑优先转子流量计。该装置还有组件控制器，其功能包括能够自动控制电磁阀开启和关闭，对压力、温度和氢气的泄露监控和报警。
如图2所示，本发明提供一种燃料电池启停加速寿命的测试方法，包括以下步骤：
S1)打开氢气进气管路和第二空气进气管路，分别向燃料电池堆1的阳极和阴极通入氢气和空气；
S2)打开第一气体增湿器4、第二气体增湿器5和第三气体增湿器6，分别设定各增湿器出口处的气体温度和湿度；
S3)打开电堆温度控制器10，设定燃料电池电堆的运行温度T；
S4)打开电堆电压内阻监测器7和气体含量监测器8，监测电堆的输出电压、电堆内阻和电堆阴极出口的CO2和CO的浓度；
S5)打开第三电磁阀13；
S6)打开第一电磁阀11，保持运行第一设定时间t1；
S7)关闭第一电磁阀11，打开第二电磁阀12，保持运行第二设定时间t2；
S8)重复步骤S6)和S7)，直至达到设定循环次数；
S9)根据循环前后燃料电池极化性能的变化，计算得到性能衰减速率，并根据性能衰减速率反应的电堆寿命，实现对不同控制方法的对比或优化选择。
电堆电压内阻监测器7和气体含量监测器8分别与计算机9连接，其分别采集电堆的输出电压、电堆内阻和以及电堆阴极出口的CO2和CO的浓度，并通过计算机9监控启停循环是否异常，衰减速率通过运行启停循环测试后，燃料电池前后发电性能变化来计算。性能衰减速率为启停循环测试后燃料电池极化性能与未进行启停测试的燃料电池极化性能的比值，即性能衰减速率＝(启停循环测试后的燃料电池极化性能/未进行启停测试的燃料电池极化性能)*100％。
测试过程的主要思路为：将一定压力、流量和湿度的氢气和空气分别通入燃料电池电堆1的阳极和阴极，燃料电池电堆1产生开路电压及对应内阻；运行第一设定时间t1后，关闭氢气，向燃料电池电堆1的阳极进口通入一定压力、流量、湿度、温度的空气，置换原先残留的氢气，此时电堆电压内阻监测器7可监测到电池堆单片电压小于0.1V，运行第二设定时间t2后，关闭第二电池阀12，打开第一电磁阀11，在此运行第一设定时间t1，通过控制器设定第一电磁阀11和第二电池阀12交替切换，一次切换为一轮启停寿命测试。
具体操作步骤和参数设置如下：
步骤1：调整各减压阀，控制从氢气和空气的压力不高于200kPag(表压)，减压后的氢气和空气的流量均可以在0-100L/min范围之间；
步骤2：开启第一气体增湿器4、第二气体增湿器5和第三气体增湿器6，控制出口处的气体温度范围为0-90℃，优先温度范围为20-85℃；相对湿度控制范围为0-120％；
步骤3：开启电堆温度控制器10，设定运行温度T的范围为0-90℃，优选范围为20-80℃；
步骤4：电堆电压内阻监测器7和气体含量监测器8，监测并输出电堆的输出电压、电堆内阻以及CO2浓度和CO的浓度变化数据到计算机9；
步骤5：开启第三电磁阀13并保持常开；
步骤6：开启第一电磁阀11，设定其运行第一设定时间t1范围为1-100s，优选范围为1-50s；
步骤7：关闭第一电磁阀11和打开第二电磁阀12，设定其运行第二设定时间t2范围为1-500s，优选范围为10-200s；
步骤8：循环步骤6和步骤7的操作，进行启停加速寿命测试；
步骤9：达到预定循环次数，关闭所有电磁阀，计算得到测试结果，完成测试。
本实施例中，采用本发明的装置和方法，对不同控制方案进行优化选择时进行的加速寿命测试结果如下表所示，其中循环次数为1500次，通过对各参数进行优化，可以找出合适的控制方案，并对各控制方案进行比较。
Figure BDA0002348126880000071
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，包括燃料电池电堆(1)、分别与燃料电池堆(1)阳极气体进口连接的氢气进气管路和第一空气进气管路以及与燃料电池堆(1)阴极气体进口连接的第二空气进气管路，其特征在于，所述的氢气进气管路上包括第一气体增湿器(4)，所述的第一空气进气管路上包括第二气体增湿器(5)，所述的第二空气进气管路上包括第三气体增湿器(6)，所述第一气体增湿器(4)、第二气体增湿器(5)和第三气体增湿器(6)用于使燃料电池阳极腔体内形成氢空界面、导致阴极催化层的碳与水反应，从而与燃料电池实际启停过程中造成电池性能衰减的状态相匹配；
该装置还包括分别与燃料电池电堆(1)连接的电堆电压内阻监测器(7)、气体含量监测器(8)和电堆温度控制器(10)，所述的气体含量监测器(8)与燃料电池电堆(1)的阴极气体出口连接，用于检测电堆阴极出口的CO2和CO的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，其特征在于，所述的氢气进气管路还包括依次连接的第一减压阀(14)、第一电磁阀(11)、第一流量计(17)和第一单向阀(20)，所述的第一减压阀(14)与氢气罐(2)连接，用于减压通入的氢气，所述的第一气体增湿器(4)设置于第一流量计(17)和第一单向阀(20)之间，所述的第一空气进气管路还包括依次连接的第二减压阀(15)、第二电磁阀(12)、第二流量计(18)和第二单向阀(21)，所述的第二减压阀(15)连接压缩空气(3)，用于减压通入的空气，所述的第二气体增湿器(5)设置于第二流量计(18)和第二单向阀(21)之间，所述的第一单向阀(20)和第二单向阀(21)分别通过三通阀(22)与燃料电池电堆(1)阳极气体进口连接。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，其特征在于，所述的第二空气进气管路还包括依次连接的第三减压阀(16)、第三电磁阀(13)和第三流量计(19)，所述的第三减压阀(16)连接压缩空气(3)，用于减压通入的空气，所述的第三气体增湿器(6)设置于燃料电池电堆(1)阴极气体进口和第三流量计(19)之间。
4.一种利用如权利要求3所述的燃料电池启停加速寿命测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)打开氢气进气管路和第二空气进气管路，分别向燃料电池堆(1)的阳极和阴极通入氢气和空气；
S2)打开第一气体增湿器(4)、第二气体增湿器(5)和第三气体增湿器(6)，分别设定各增湿器出口处的气体温度和湿度；
S3)打开电堆温度控制器(10)，设定燃料电池电堆(1)的运行温度T；
S4)打开电堆电压内阻监测器(7)和气体含量监测器(8)，监测电堆的输出电压、电堆内阻和电堆阴极出口的CO2和CO的浓度；
S5)打开第三电磁阀(13)；
S6)打开第一电磁阀(11)，保持运行第一设定时间t1；
S7)关闭第一电磁阀(11)，打开第二电磁阀(12)，保持运行第二设定时间t2；
S8)重复步骤S6)和S7)，直至达到设定循环次数；
S9)根据循环前后燃料电池极化性能的变化，计算得到性能衰减速率，并根据性能衰减速率实现对不同控制方法的对比或优化选择。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池启停加速寿命的测试方法，其特征在于，所述的性能衰减速率为启停循环测试后燃料电池极化性能与未进行启停测试的燃料电池极化性能的比值。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池启停加速寿命的测试方法，其特征在于，所述的步骤S1)中，通入燃料电池堆(1)的氢气和空气的压力均低于200kPag，流量范围均为0-100L/min。
7.根据权利要求4所述的一种燃料电池启停加速寿命的测试方法，其特征在于，所述的第一气体增湿器(4)、第二气体增湿器(5)和第三气体增湿器(6)设定出口处气体的温度范围均为0-90℃，湿度范围均为0-120％，所述的电堆温度控制器(10)设定燃料电池电堆(1)的运行温度T的范围为0-90℃。
8.根据权利要求4所述的一种燃料电池启停加速寿命的测试方法，其特征在于，所述的第一设定时间t1的范围为1-100s，所述的第二设定时间t2的范围为1-500s。
9.根据权利要求4所述的一种燃料电池启停加速寿命的测试方法，其特征在于，所述的设定循环次数的范围为1-5000次。
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