CN111446471A - 气体控制设备和燃料电池测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体控制设备和燃料电池测试系统，每种测试气体均设置两路进气管。同温罐处设置有加热器和制冷器，对同温罐内导热介质的温度进行调节，导热介质再与盘管内的测试气体进行充分的热交换，实现了测试气体温度的控制。测试气体从盘管输出后，一路作为加湿管路设置加湿器，另一路作为干燥管路设置第一干燥器，一路干燥一路湿润分别进行调节，湿度更容易控制。两路分别进行加湿和干燥处理后汇聚，通过出气管送至被测燃料电池的进气口，以进行试验。采用本发明的技术方案，通过导热介质间接对测试气体进行加热和制冷，温度调整效率高且安全性高，能够将原有设备体积大幅压缩，实现了相同功能的情况下性能更优。

Description

气体控制设备和燃料电池测试系统
技术领域
本发明涉及气体控制技术领域，具体涉及一种气体控制设备和燃料电池测试系统。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。为了保证燃料电池安全工作，在出厂前，需要对燃料电池进行测试。进行测试时需要通入测试气体，还需要对测试气体的温湿度、压力和流量进行控制，以保证测试能够正常进行。
传统的燃料电池检测装置多使用管路中缠绕加热带的方式，或者将气体通入具有加热装置的容器中加热后输出，这两种加热方式效率低且存在一定危险，此外，目前只能使用自然冷却的形式降温，降温效率也不高。而且，受到加热加湿方法的限制导致检测设备的体积大，结构冗余，使用不便。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气体控制设备和燃料电池测试系统，以克服目前温控效率不高，温控设备体积大，结构冗余，使用不便的问题。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种气体控制设备，包括温度控制组件、第一干燥器和加湿器；
所述温度控制组件包括同温罐、加热器和制冷器；
所述加热器设置在所述同温罐内，所述制冷器设置在所述同温罐外且与所述同温罐连通；其中，所述加热器和所述制冷器用于控制所述同温罐内导热介质的温度；
每种测试气体均设置两路进气管，所述进气管在所述同温罐内形成盘管，所述测试气体通过所述盘管时与所述导热介质进行充分热交换；
所述进气管经过所述同温罐后，一路作为加湿管路设置所述加湿器，对所述测试气体进行加湿处理；另一路作为干燥管路设置所述第一干燥器，对所述测试气体进行干燥处理；
经过加湿处理的所述测试气体和经过干燥处理的所述测试气体汇聚为一路，通过出气管送至被测燃料电池的进气口，以进行试验。
进一步地，以上所述的气体控制设备，所述制冷器包括一级风冷散热器和二级半导体制冷器。
进一步地，以上所述的气体控制设备，所述一级风冷散热器和所述二级半导体制冷器通过循环冷却管路与所述同温罐连通，形成整体循环密封结构。
进一步地，以上所述的气体控制设备，所述循环冷却管路采用不锈钢波纹管结构。
进一步地，以上所述的气体控制设备，还包括PID控制器、流量控制器和湿度检测器；
每路所述进气管的进气口处均设置所述流量控制器，所述出气管处设置所述湿度检测器；
所述流量控制器和所述湿度检测器分别与所述PID控制器相连；
所述湿度检测器用于检测所述出气管内所述测试气体的第一湿度值；
所述PID控制器用于根据所述第一湿度值和用户预先输入的第二湿度值，对两路所述进气管上的所述流量控制器的开关比例进行PID调节。
进一步地，以上所述的气体控制设备，所述流量控制器为电磁截止阀。
进一步地，以上所述的气体控制设备，所述同温罐处还设置有温度传感器；
所述温度传感器、所述加热器和所述制冷器分别与所述PID控制器相连；
所述温度传感器用于检测所述盘管内所述测试气体的第一温度值；
所述PID控制器用于根据所述第一温度值和所述用户预先输入的第二温度值，对所述加热器和/或所述制冷器进行PID调节。
进一步地，以上所述的气体控制设备，还包括背压组件；
所述背压组件包括压力传感器和压力控制阀；
所述压力控制阀和所述压力传感器均设置在所述被测燃料电池的出气口；
所述压力传感器和所述压力控制阀分别与所述PID控制器相连；
所述压力传感器用于获取所述被测燃料电池的第一压力值；
所述PID控制器用于根据所述第一压力值和所述用户预先输入的第二压力值，对所述压力控制阀进行PID调节。
进一步地，以上所述的气体控制设备，所述背压组件和所述被测燃料电池之间设置有第二干燥器；
所述第二干燥器用于干燥所述被测燃料电池排出的气体，以避免所述背压组件被腐蚀。
本发明还提供了一种燃料电池测试系统，其特征在于，包括检测设备和以上任一项所述的气体控制设备；
所述气体控制设备和所述检测设备分别与被测燃料电池相连接。
本发明的气体控制设备和燃料电池测试系统，每种测试气体均设置两路进气管，进气管在同温罐内形成盘管。同温罐处设置有加热器和制冷器，对同温罐内导热介质的温度进行调节，导热介质再与盘管内的测试气体进行充分的热交换，实现了测试气体温度的控制。测试气体从盘管输出后，一路作为加湿管路设置加湿器，另一路作为干燥管路设置第一干燥器，一路干燥一路湿润分别进行调节，湿度更容易控制。两路分别进行加湿和干燥处理后汇聚，通过出气管送至被测燃料电池的进气口，以进行试验。采用本发明的技术方案，通过导热介质间接对测试气体进行加热和制冷，温度调整效率高且安全性高，能够将原有设备体积大幅压缩，实现了相同功能的情况下性能更优。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明气体控制设备一种实施例提供的结构图；
图2是图1中温度控制组件的结构图；
图3是图1中同温罐内部的俯视图；
图4是图1中同温罐内部的加热器的结构图；
图5是图1中同温罐内部的盘管的结构图；
图6是图1中二级半导体制冷器的结构图；
图7是本发明气体控制设备一种实施例提供的工艺流程图；
图8是本发明燃料电池测试系统一种实施例提供的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
图1是本发明气体控制设备一种实施例提供的结构图，图2是图1中温度控制组件的结构图，图3是图1中同温罐内部的俯视图。请参阅图1、图2和图3，本实施例的气体控制设备，包括温度控制组件100、第一干燥器101和加湿器102，还包括支架120，温度控制组件100、第一干燥器101和加湿器102均设置在支架120内。
温度控制组件100包括同温罐1001、加热器1002和制冷器1003。加热器1002如图3所示，设置在同温罐1001内，制冷器1003设置在同温罐1001外的一侧且与同温罐1001连通；其中，加热器1002和制冷器1003用于控制同温罐1001内导热介质的温度。本实施例中，导热介质优选为液体介质。图4是图1中同温罐内部的加热器的结构图，请参阅图4，本实施例中加热器1002采用螺旋状加热电阻丝。
目前PEM燃料电池中，应用最广的是使用氢气作为燃料的电池，在进行测试时，常用的测试气体为氢气、氧气、氮气和空气。本实施例中，每种测试气体均优选设置两路进气管103，对测试气体进行处理。
进气管103在同温罐1001内的部分形成盘管1031，盘管1031的部分可以使用双层不锈钢材料。图5是图1中同温罐内部的盘管的结构图，请参阅图5，测试气体通过盘管1031时与导热介质进行充分热交换，从而达到统一温度。本实施例中，根据需要温度的不同，可以使用不同的导热介质，例如，当用户需要的温度在常温至90摄氏度左右时，可以使用水作为导热介质，当用户需要的温度在零下20摄氏度至110摄氏度左右时，可以使用防冻液作为导热介质，当用户需要的温度在常温至200摄氏度左右时，可以使用硅油作为导热介质。
进气管103经过同温罐1001以后，一路作为加湿管路1032设置加湿器102，对测试气体进行加湿处理；另一路作为干燥管路1033设置第一干燥器101，对测试气体进行干燥处理。经过加湿处理的测试气体和经过干燥处理的测试气体汇聚为一路，通过出气管1034送至被测燃料电池的进气口，以进行试验。
进一步地，请参阅图2，本实施例的制冷器1003包括一级风冷散热器10031和二级半导体制冷器10032，一级风冷散热器10031、二级半导体制冷器10032通过循环冷却管路104与同温罐1001连通，形成一个整体循环密封结构。为了适应热膨胀，其中循环冷却管路104采用不锈钢波纹管结构，耐压优选1.6MPa。
其中，一级风冷散热器10031是汽车或摩托车中常用的散热设备，气体流经散热管道利用风扇进行散热。图6是图1中二级半导体制冷器的结构图，请参阅图6，二级半导体制冷器10032则是将半导体制冷片通过热导胶与热端散热器A和冷端液体流道B相连进行热交换。本实施例冷却形式采用风冷+半导体制冷的双重方式，提高降温速度，扩大可调节的温度上下限。
进一步地，图7是本发明气体控制设备一种实施例提供的工艺流程图。请参阅图1和图7，本实施例的气体控制设备，还包括PID控制器105、流量控制器106和湿度检测器107。每路进气管103的进气口处均设置流量控制器106，出气管1034处设置湿度检测器107，出气管1034处还可以设置检测出气管1034处温度的出气管温度传感器108，检测出气管1034处压力的出气管压力传感器109。PID控制器105优选为ARM7内核的ADUC7026为核心控制电路板，辅助外围电路，可以采集多路模拟量信号，并输出模拟量电压进行设备控制。PID控制器105还与上位机V相连，上位机的人机交互部分可以采用触摸屏。PID控制器105的部分引脚和接线图可以参照图7，此处不做赘述。
流量控制器106和湿度检测器107分别与PID控制器105相连。进行湿度控制时，湿度检测器107用于进行湿度反馈，检测出气管1034内测试气体的第一湿度值。本实施例将第一湿度值和用户通过触摸屏预先输入的第二湿度值作为PID输入，PID输出为两个流量控制器106的开关比例，进而通过PID控制器对两路进气管103上的流量控制器106的开关比例进行PID调节，最终达到最佳的湿度控制效果。若输出两个流量控制器106的开关比例为C，控制加湿管路1032的流量控制器106开度为X，控制干燥管路1033的流量控制器106开度为Y，那么C可以为X与Y的比值。例如，输入的第一湿度值大于第二湿度值，即出现湿度过大的情况，PID控制器可以降低C的值，即减小X的开度，以使与加湿管路1032中的气体流量减少，或者增大Y的开度，以使干燥管路1033中的气体流量增加，还可以同时调整X和Y的开度。
本实施例中，流量控制器106优选为电磁截止阀。
进一步地，同温罐1001处还设置有温度传感器110；温度传感器110、加热器1002和制冷器1003分别与PID控制器105相连。
进行温度控制时，温度传感器110用于检测盘管1031内测试气体的第一温度值。本实施例将第一温度值和用户预先输入的第二温度值之间的差值作为PID输入，输出为双向开关量输出，加温时输出控制打开加热器1002的开关开始工作，降温时打开一级风冷散热器10031和二级半导体制冷器10032的开关进行工作，此处可以使用成熟的温控器产品(比如716温控仪表)进行中间连接，这样只需要PID控制器105通过485信号输出温度设定值给温控器，即可实现温度控制。
背压组件111属于配件设备，进行某类测试时，被测燃料电池V需要处于常压状态，此时系统不需要背压组件111，而是直接将试验气体控制温度湿度后输出给被测燃料电池V，经过测试后通过被测燃料电池V直接排出。如果在用户需要使被测燃料电池V测试过程中气体处于一定的压力环境下(一般为0.1-0.5MPa微正压)，就需要使用背压组件111对测试气体进行压力控制。本实施例中，还包括背压组件111，当需要使用背压组件111时，将背压组件111接入被测燃料电池V的出气口即可。
具体地，由于被测燃料电池V中基本没有气阻，被测燃料电池V的进气口和出气口处的压力值相等，因此，可以采集出气管压力传感器109反馈的进气口压力值，或者在背压组件111中设置压力检测设备，采集压力检测设备反馈出气口的压力值。本实施例中，优选在背压组件111中设置压力检测设备。
具体地，背压组件111包括压力传感器1111和压力控制阀1112。压力控制阀1112和压力传感器1111均设置在被测燃料电池V的出气口，其中，阴极出气口和阳极出气口均设置背压组件111。压力传感器1111和压力控制阀1112分别与PID控制器105相连。
在进行压力控制时，压力传感器1111用于进行压力反馈，获取被测燃料电池V的第一压力值；本实施例将第一压力值和用户预先输入的第二压力值之间的差值作为PID输入，PID输出为压力控制阀1112的开度，进而通过对压力控制阀1112进行PID调节，实现对被测燃料电池V气压的控制。
需要注意的是，使用PID控制器105进行PID调节，是非常成熟的现有技术，在工程实际中有着非常广泛的应用，此处不做具体赘述。
进一步地，背压组件111和被测燃料电池V之间设置有第二干燥器112，第二干燥器112用于干燥被测燃料电池V排出的气体，以避免背压组件111被腐蚀。
本实施例的气体控制设备，每种测试气体均设置两路进气管103，进气管103在同温罐1001内形成盘管1031。同温罐1001处设置有加热器1002和制冷器1003，对同温罐1001内导热介质的温度进行调节，导热介质再与盘管1031内的测试气体进行充分的热交换，实现了测试气体温度的控制。测试气体从盘管1031输出后，一路作为加湿管路1032设置加湿器102，另一路作为干燥管路1033设置第一干燥器101，一路干燥一路湿润分别进行调节，湿度更容易控制。两路分别进行加湿和干燥处理后汇聚，通过出气管1034送至被测燃料电池V的进气口，以进行试验。采用本实施例的技术方案，通过导热介质间接对测试气体进行加热和制冷，温度调整效率高且安全性高，能够将原有设备体积大幅压缩，实现了相同功能的情况下性能更优。
图8是本发明燃料电池测试系统一种实施例提供的结构图。请参阅图8，本发明还提供了一种燃料电池测试系统，包括检测设备21和以上实施例任一项所述的气体控制设备22。
气体控制设备22和检测设备21相连，气体控制设备22和检测设备21还分别与被测燃料电池V相连接。
检测模块21以及负载可选用众多厂商的成熟产品，其物理上与气体控制设备22可拆卸连接。检测模块21以及负载可以放置于气体控制设备22顶部平台上，给被测燃料电池V提供外接负载，并检测被测燃料电池V的电特性指标，其中检测模块21与气体控制设备22采用485通讯形式进行数据交换，进而实现数据存储记录，以及对负载模式的设定的功能。
此外，可以将被测燃料电池V的排气口设置于侧面，将上位机的触摸屏设置在另一侧，便于坐姿操作设备；还可以将触屏使用活动支架置于气体控制设备22上端。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种气体控制设备，其特征在于，包括温度控制组件、第一干燥器和加湿器；
所述温度控制组件包括同温罐、加热器和制冷器；
所述加热器设置在所述同温罐内，所述制冷器设置在所述同温罐外且与所述同温罐连通；其中，所述加热器和所述制冷器用于控制所述同温罐内导热介质的温度；
每种测试气体均设置两路进气管，所述进气管在所述同温罐内形成盘管，所述测试气体通过所述盘管时与所述导热介质进行充分热交换；
所述进气管经过所述同温罐后，一路作为加湿管路设置所述加湿器，对所述测试气体进行加湿处理；另一路作为干燥管路设置所述第一干燥器，对所述测试气体进行干燥处理；
经过加湿处理的所述测试气体和经过干燥处理的所述测试气体汇聚为一路，通过出气管送至被测燃料电池的进气口，以进行试验。
2.根据权利要求1所述的气体控制设备，其特征在于，所述制冷器包括一级风冷散热器和二级半导体制冷器。
3.根据权利要求2所述的气体控制设备，其特征在于，所述一级风冷散热器和所述二级半导体制冷器通过循环冷却管路与所述同温罐连通，形成整体循环密封结构。
4.根据权利要求3所述的气体控制设备，其特征在于，所述循环冷却管路采用不锈钢波纹管结构。
5.根据权利要求1所述的气体控制设备，其特征在于，还包括PID控制器、流量控制器和湿度检测器；
每路所述进气管的进气口处均设置所述流量控制器，所述出气管处设置所述湿度检测器；
所述流量控制器和所述湿度检测器分别与所述PID控制器相连；
所述湿度检测器用于检测所述出气管内所述测试气体的第一湿度值；
所述PID控制器用于根据所述第一湿度值和用户预先输入的第二湿度值，对两路所述进气管上的所述流量控制器的开关比例进行PID调节。
6.根据权利要求5所述的气体控制设备，其特征在于，所述流量控制器为电磁截止阀。
7.根据权利要求5所述的气体控制设备，其特征在于，所述同温罐处还设置有温度传感器；
所述温度传感器、所述加热器和所述制冷器分别与所述PID控制器相连；
所述温度传感器用于检测所述盘管内所述测试气体的第一温度值；
所述PID控制器用于根据所述第一温度值和所述用户预先输入的第二温度值，对所述加热器和/或所述制冷器进行PID调节。
8.根据权利要求5所述的气体控制设备，其特征在于，还包括背压组件；
所述背压组件包括压力传感器和压力控制阀；
所述压力控制阀和所述压力传感器均设置在所述被测燃料电池的出气口；
所述压力传感器和所述压力控制阀分别与所述PID控制器相连；
所述压力传感器用于获取所述被测燃料电池的第一压力值；
所述PID控制器用于根据所述第一压力值和所述用户预先输入的第二压力值，对所述压力控制阀进行PID调节。
9.根据权利要求8所述的气体控制设备，其特征在于，所述背压组件和所述被测燃料电池之间设置有第二干燥器；
所述第二干燥器用于干燥所述被测燃料电池排出的气体，以避免所述背压组件被腐蚀。
10.一种燃料电池测试系统，其特征在于，包括检测设备和权利要求1-9任一项所述的气体控制设备；
所述气体控制设备和所述检测设备分别与被测燃料电池相连接。
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