CN111141792A - 一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，尾气采样器：采集燃料电池汽车尾气；干燥器：对采集的尾气进行干燥；采样泵(4)：将干燥后的尾气导入热导池(5)中；热导池(5)：检测尾气中的氢气浓度；所述的尾气采样器依次通过干燥器和采样泵(4)连接至热导池(5)。与现有技术相比，本发明可宽范围检测氢气浓度，检测精度高。

Description

一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪

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汽车整车氢气排放浓度测试仪。

背景技术

燃料电池汽车采用易燃易爆的氢气作为燃料，阳极的氢气与阴极的空气被质子交换膜所阻隔，分别在阳极催化剂和阴极催化剂的作用下发生电化学反应，从而产生电流。然而，为了排除阴极渗透至阳极的氮气和反应产生的液态水，每隔一定的时间，阳极的氢气必须要排放一次。排气时，阳极排出的气体和水分跟阴极排出的空气和水分混合后，经尾排管排出电堆。

在清洁环保的同时，燃料电池汽车尾排气中的氢气浓度存在一定的危险性。氢气浓度一旦超过可燃极限，极有可能造成打火、爆鸣、燃烧，甚至密闭环境下的爆炸。目前市面上的燃料电池汽车阳极尾气排放方式都是间歇式的，以提升燃料的经济性。因此，氢气的尾排浓度是间歇式、不规律的，随着时间是波动变化的。有可能出现某个时刻氢气浓度超限的情况，给燃料电池汽车、乘员、车外人员和设施造成危险。

氢气排放浓度的准确监控，涉及整车、乘员、车外人员和设施的安全。目前通常采用手持式可燃气体报警器或氢气浓度传感器进行探测。此种方式存在采样点不固定、浓度不准、可测浓度范围不宽和数据不连续等缺点。因此，迫切需要一种可实时检测氢气浓度的仪器，监测燃料电池汽车在整个运行过程中的氢气尾排浓度，为整车尾排控制策略的开发、车辆行驶安全提供依据。

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燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，该测试仪包括：

尾气采样器：采集燃料电池汽车尾气；

干燥器：对采集的尾气进行干燥；

采样泵：将干燥后的尾气导入热导池中；

热导池：检测尾气中的氢气浓度；

所述的尾气采样器依次通过干燥器和采样泵连接至热导池。

优选地，所述的尾气采样器包括尾气采样口和采样管，所述的尾气采样口为软管采样口，所述的软管采样口通过采样管连通至干燥器。

优选地，所述的软管采样口的尾气进气端部设有滤芯。

优选地，所述的干燥器和采样泵之间设有用于控制导入热导池中的尾气流量的转子流量计。

优选地，所述的干燥器包括采用热导池排出的高温气体对采集的尾气进行干燥的干燥器。

优选地，所述的干燥器包括尾气进气腔和热导池排气腔，所述的尾气进气腔一端连接尾气采集器，尾气进气腔另一端通过采样泵连接至热导池的进气口，热导池的排气口连接热导池排气腔，热导池排气腔设有排气管，所述的尾气进气腔和热导池排气腔通过阻气透湿膜隔离。

优选地，所述的阻气透湿膜的形状包括板式、管式。

优选地，所述的阻气透湿膜包括中空纤维膜、纳滤膜和全氟磺酸膜。

优选地，该测试仪还包括用于热导池温度控制和压力监测的工控机，所述的工控机连接至热导池。

优选地，该测试仪还包括用于氢气浓度实时采集的通讯接口，所述的通讯接口连接所述的热导池。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用了热导池作为氢气浓度检测器，该检测器相较其它可燃气体报警器、电化学传感器，具有浓度与热敏元件电阻值线性响应好、线性范围宽和重现性好等优点，同时结合使用干燥器对进入热导池中的含湿汽车尾气进行干燥，保护热导池中的干燥度，以消除湿度对热导系统的影响，保证测量的准确性；

(2)本发明尾气采样器的软管采样口设有滤芯，以防吸入液态水、大颗粒物、树叶和花粉等固态杂质等，有效防止杂质吸入对整个测试仪稳定运行造成影响，保证其可靠性；

(3)本发明干燥器设置成采用热导池排出的高温气体对采集的尾气进行干燥的干燥器，其具体工作方式为：从热导池排出的高温(50℃)的干燥的含氢气体对湿润的甚至是含有液态水的含氢汽车尾气进行吸湿干燥，一方面实现了热导池排出的高温气体的再利用；另一方面，保证了进入热导池中的汽车尾气的干燥度，消除湿度对热导系统的影响；

(4)本发明阻气透湿膜形状包括板式、管式，对应地，尾气进气腔和热导池排气腔将会适应性做出变化，结构简单，制造成本低；

(5)本发明采用工控机进行热导池温度控制与压力监测，以保证氢气浓度测量的准确、稳定。

附图说明

图1为本发明实施例1中燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1中燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪的内部结构示意图；

图3为本发明实施例1中燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪的干燥器组件的结构示意图；

图4为本发明实施例1中燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪的实际测试结果；

图5为本发明实施例2中燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪的内部结构示意图；

图6为本发明实施例2中燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪的干燥器组件的结构示意图。

图中，1为尾气采样口，2为采样管，3为管式干燥器，4为采样泵，5为热导池，6为工控机，7为通讯接口，8为交直流转换器，9为数据处理和直流电供应模块，10为转子流量计，11为排气口，12为尾气进气接头，13为外管，14为内管，15为热导池排气管，16为热导池进气管，17为板式干燥器，18为隔膜，19为上腔体，20为下腔体，21为紧固螺丝。

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。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例1

如图1～3所示，一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，该测试仪包括：

尾气采样器：采集燃料电池汽车尾气；

干燥器：对采集的尾气进行干燥；

采样泵4：将干燥后的尾气导入热导池5中；

热导池5：检测尾气中的氢气浓度，本实施例中热导池5采用市面购买的模块，其氢气测量浓度的测量范围须达0.01～100％VOL，精度：±1％FS；

尾气采样器依次通过干燥器和采样泵4连接至热导池5，干燥器和采样泵4之间设有用于控制导入热导池5中的尾气流量的转子流量计10。

另外，该测试仪还包括用于热导池5温度控制和压力监测的工控机6、用于氢气浓度实时采集的通讯接口7以及用于供电和数据处理的组件，工控机6和通讯接口7均连接至热导池5，供电和数据处理组件包括交直流转换器8、数据处理和直流电供应模块9，交直流转换器8用于产生直流电，数据处理和直流电供应模块9连接采样泵4、热导池5、工控机6和通讯接口7并分别对其进行供电。采用工控机6进行热导池5开关机、温度控制与压力监测，以保证氢气浓度测量的准确、稳定。通讯接口7可以是RS232、RS485、RS422或RJ45等接口，通过通讯接口7与电脑或打印机相连，可实现氢气浓度的实时采集与记录。

尾气采样器包括尾气采样口1和采样管2，尾气采样口1为软管采样口，软管采样口通过采样管2连通至干燥器，软管采样口的尾气进气端部设有具有一定孔隙度的滤芯。

本发明中干燥器采用热导池5排出的高温气体对采集的尾气进行干燥。具体地，干燥器包括尾气进气腔和热导池排气腔，尾气进气腔一端连接尾气采集器，尾气进气腔另一端通过采样泵4连接至热导池5的进气口，热导池5的排气口连接热导池排气腔，热导池排气腔设有排气管，尾气进气腔和热导池排气腔通过阻气透湿膜隔离。阻气透湿膜的形状包括板式或管式，对应地，尾气进气腔和热导池排气腔的具体形式会发生适应性变化，本实施例中阻气透湿膜设置为管式，对应的尾气进气腔和热导池排气腔也设计成管状腔体，具体如图2和3所示，本实施例设置两个互相嵌套设置的外管13和内管14，内管14内部腔体构成尾气进气腔，内管14和外管13之间的腔体构成热导池排气腔，此时内管14即为管式的阻气透湿膜，由此形成管式干燥器3。阻气透湿膜包括中空纤维膜、纳滤膜和全氟磺酸膜，可以根据需要进行选择。再此基础上内管14一端设有尾气进气接头12，该尾气进气接头12用于连接尾气采样器的采样管2，内管14另一端设有热导池进气管16，该热导池进气管16依次通过转子流量计10和采样泵4连接至热导池5；外管13一端设有热导池排气管15，该热导池排气管15连接热导池5的排气口，外管13另一端设有排气口11，热导池5排出的热气经热导池排气管15排出，热气经过外管13流通至排气口11进行彻底排出。

本实施例燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪的具体工作原理为：在采样泵4的抽吸作用力下，并通过转子流量计10控制流量，一定体积流量的燃料电池汽车尾气经过尾气采样口1采样后，经过干燥器干燥后引入热导池5。热导池5通过电加热保持在恒定的50℃，以消除温度对热导系统的影响。导入至热导池5的汽车尾气进行干燥的具体过程为：具有较高水蒸汽含量的燃料电池汽车尾气经过尾气进气接头12通入内管14，从热导池5出来的干热空气则经过热导池排气管15进入外管13，在水蒸汽浓度差的驱动下，含水的汽车尾气中的水分会透过内管14壁面进入外管13，从而达到除湿的作用。由此，有效保证热导池5中的干燥度，不致影响其电阻值。本发明所述的氢气排放浓度测试仪采用了一个热导池5作为氢气浓度检测器。该检测器相较其它可燃气体报警器、电化学传感器，具有浓度与热敏元件电阻值线性响应好、线性范围宽和重现性好等优点。能实时监测燃料电池汽车在整个启动、怠速、正常行驶和停机过程中尾排氢气浓度。

本实施例用空气作为载气，采用标准气体对测试仪的实际测试效果进行考察，实验结果如图4所示。图4中，仪器开机80秒完成预热；采样泵4开始启动，此时常规空气进入热导池5作为载气，以此时热导池5的电信息作为零点；10分钟后，通入100ppm(体积比)的标气，该标气以空气作为背景气；标气通入后，仪器几乎是瞬时即产生响应，并在10sec后达到稳定值；在1020sec时，再通入远高于着火浓度的20％的氢气标气，该标气以氮气作为背景气。同样地可见仪器产生了快速响应，在120sec后基本达到稳定读数。

由图4可知，本发明的仪器能对含氢气体产生快速响应。从100ppm至20％的浓度范围的差别已达到4个数量级之大；这样大的测量范围，已超出现有的，也是最常用的基于电化学传感器的氢浓度测试仪的量程。此外，不论是采用空气作载气还是采用氮气作载气，设备的影响都非常快，足以反映燃料电池在变工况工作过程中氢气浓度无规律、波动的变化特征。

实施例2

本实施例一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪与实施例1的不同之处在于：本实施例中阻气透湿膜设置为板式，对应的尾气进气腔和热导池排气腔为方形腔体。具体如图5和6所示，本实施例设置密封连接的上腔体19和下腔体20，上腔体19和下腔体20通过紧固螺丝21密封连接，在上腔体19和下腔体20之间设置一个板式的隔膜18，由此形成板式干燥器17，该实施例中上腔体19即为热导池排气腔，下腔体20为尾气进气腔，其中的隔膜18为阻气透湿膜。再此基础上下腔体20一端设有尾气进气接头12，该尾气进气接头12用于连接尾气采样器的采样管2，下腔体20另一端设有热导池进气管16，该热导池进气管16依次通过转子流量计10和采样泵4连接至热导池5；上腔体19一端设有热导池排气管15，该热导池排气管15连接热导池5的排气口，上腔体19另一端设有排气口11，热导池5排出的热气经热导池排气管15排出，热气经过上腔体19流通至排气口11进行彻底排出。与实施例1不同之处在于：实施例1中干燥器为管式干燥器3，而本实施例中干燥器为板式干燥器17，其余均与实施例1相同。采用本实施例的测试仪进行实际测试考察，其测试效果与实施例1基本相同，仪器能对含氢气体产生快速响应，且测量范围大。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，该测试仪包括：

尾气采样器：采集燃料电池汽车尾气；

干燥器：对采集的尾气进行干燥；

采样泵(4)：将干燥后的尾气导入热导池(5)中；

热导池(5)：检测尾气中的氢气浓度；

所述的尾气采样器依次通过干燥器和采样泵(4)连接至热导池(5)。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，所述的尾气采样器包括尾气采样口(1)和采样管(2)，所述的尾气采样口(1)为软管采样口，所述的软管采样口通过采样管(2)连通至干燥器。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，所述的软管采样口的尾气进气端部设有滤芯。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，所述的干燥器和采样泵(4)之间设有用于控制导入热导池(5)中的尾气流量的转子流量计(10)。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，所述的干燥器包括采用热导池(5)排出的高温气体对采集的尾气进行干燥的干燥器。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，所述的干燥器包括尾气进气腔和热导池排气腔，所述的尾气进气腔一端连接尾气采集器，尾气进气腔另一端通过采样泵(4)连接至热导池(5)的进气口，热导池(5)的排气口连接热导池排气腔，热导池排气腔设有排气管，所述的尾气进气腔和热导池排气腔通过阻气透湿膜隔离。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，所述的阻气透湿膜的形状包括板式、管式。

8.根据权利要求6所述的一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，所述的阻气透湿膜包括中空纤维膜、纳滤膜和全氟磺酸膜。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，该测试仪还包括用于热导池(5)温度控制和压力监测的工控机(6)，所述的工控机(6)连接至热导池(5)。

10.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车整车氢气排放浓度测试仪，其特征在于，该测试仪还包括用于氢气浓度实时采集的通讯接口(7)，所述的通讯接口(7)连接所述的热导池(5)。

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