CN111490271A - 燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，包括氢气预冷系统(3)和空气预冷系统(4)，所述氢气预冷系统(3)和空气预冷系统(4)均设有密闭环境舱(7)以及设于所述密闭环境舱(7)内的翅片管式蒸发器(8)和制冷装置，所述翅片管式蒸发器(8)设有进气口(10)和出气口(11)，相应气体从进气口(10)进入翅片管式蒸发器(8)，完成预冷降温后从出气口(11)排出。与现有技术相比，本发明具有有效减少气体管路的长度、稳定实现气体降温、适用于不同气体温度需求的测试、满足大跨度范围流量的需求等优点。

Description

燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统及方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应将氢能转化为电能的装置，具有高效、高功率密度、零排放和较低的工作温度等优点，可应用于车辆、移动电源等领域。由于质子交换膜燃料电池在运行时，氢氧发生电化学反应产生大量的水，当环境温度低于零度时会在膜内结冰，严重时甚至会导致膜电极(MEA)穿孔或损伤；以及0℃以下反复的水和冰相变对电池材料与结构带来破坏影响。
质子交换膜燃料电池在低于零度下的启动，被称为低温启动或冷启动。制定合理的停机吹扫与低温启动控制策略，可以有效提高PEMFC在零度环境中运行的寿命，增大PEMFC可使用的地域。现有的低温启动控制策略中大部分采用在环境箱中增长热传导系数较高的管路的方法来对气体进行降温处理，但这会有以下几点缺陷：(1)将热的气体降至所需的低温启动的环境温度，需较长的管路才有可能实现，且随着气体通入的时间增长，后期气体温度无法降至所需温度甚至会增大高低温环境箱的制冷负荷，导致低温启动过程中电堆或系统的温度偏高于启动温度，影响操作人员对反应电堆或系统的低温启动能力的判断；(2)气体管路较长时，可能会对电堆或系统的停机吹扫产生影响。
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降温管路较长导致后期气体温度无法降至所需温度同时增大高低温环境箱的制冷负荷、影响电堆或系统的停机吹扫的缺陷而提供一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，包括氢气预冷系统和空气预冷系统，所述氢气预冷系统和空气预冷系统均设有密闭环境舱以及设于所述密闭环境舱内的翅片管式蒸发器和制冷装置，所述翅片管式蒸发器设有进气口和出气口，相应气体从进气口进入翅片管式蒸发器，完成预冷降温后从出气口排出。
所述氢气预冷系统中翅片管式蒸发器的进气口通过连接管路连接至氢气供应端，出气口通过连接管路连接至燃料电池电堆。
所述空气预冷系统中翅片管式蒸发器的进气口通过连接管路连接至空气供应端，出气口通过连接管路连接至燃料电池电堆。
优选的，所述氢气预冷系统和空气预冷系统上均设有温度传感器。
所述进气口和出气口均延伸出所述密闭环境舱。
优选的，所述氢气预冷系统内设有氢气浓度探测报警器。
优选的，所述翅片管式蒸发器的气体管路涂装有耐腐蚀性涂层。
所述翅片管式蒸发器根据制冷装置的制冷量设置相应长度的气体管路。
一种使用所述燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：氢气供应端输送氢气至氢气预冷系统，制冷装置控制所述氢气预冷系统将氢气降温至试验所需氢气启动温度，空气供应端输送空气至空气预冷系统，制冷装置控制所述空气预冷系统将空气降温至试验所需空气启动温度；
步骤S2：所述氢气预冷系统打开翅片管式蒸发器的出气口，将达到试验所需氢气启动温度的氢气供应至燃料电池电堆，所述空气预冷系统打开翅片管式蒸发器的出气口，将达到试验所需空气启动温度的空气供应至燃料电池电堆，所述燃料电池电堆进行低温启动试验；
步骤S3：所述燃料电池电堆结束低温启动试验，氢气预冷系统和空气预冷系统关闭进气口和出气口，停止向燃料电池电堆供应相应气体，制冷装置关闭，所述翅片管式蒸发器恢复至常温。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用翅片管式蒸发器替代传统盘管，扩展了原有的传热面积，增大了换热器的外表面积，在明显提高对其中流通气体的降温效果的同时可有效减少气体管路的长度。
2.本发明通过制冷量计算所需长度的氢气管路和空气管路，可实现大功率电堆或系统的低温启动测试中对于气体温度的要求，在气体降温上具有较高的稳定性。
3.本发明降温效果快速有效，通过控制制冷装置与相应的翅片管式蒸发器，可灵活调整控制气体温度，适用于不同气体温度需求的测试，同时可满足大跨度范围流量的需求。
4.本发明通过进气口和出气口连接至气体供应端和燃料电池电堆，可独立于设备原有管路来搭建，不影响电堆或系统的停机吹扫及正常测试需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明预冷系统的结构示意图。
附图标记：
1-氢气供应端；2-空气供应端；3-氢气预冷系统；4-空气预冷系统；5-燃料电池电堆；6-高低温环境箱；7-密闭环境舱；8-翅片管式蒸发器；9-连接管路；10-进气口；11-出气口。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，包括氢气预冷系统3和空气预冷系统4，如图2所示，氢气预冷系统3和空气预冷系统4均设有密闭环境舱7以及设于密闭环境舱7内的翅片管式蒸发器8和制冷装置，翅片管式蒸发器8设有进气口10和出气口11，相应气体从进气口10进入翅片管式蒸发器8，完成预冷降温后从出气口11排出。
氢气预冷系统3中翅片管式蒸发器8的进气口10通过连接管路9连接至氢气供应端1，出气口11通过连接管路9连接至燃料电池电堆5。
空气预冷系统4中翅片管式蒸发器8的进气口10通过连接管路9连接至空气供应端2，出气口11通过连接管路9连接至燃料电池电堆5。
燃料电池电堆5设于高低温环境箱6内。
氢气预冷系统3和空气预冷系统4上均设有温度传感器，作为气体预冷系统的温度控制反馈点，实现气体温度的控制。
翅片管式蒸发器8和制冷装置设有相应的监测保护器进行压缩机超压保护、过流保护和过温保护。
进气口10和出气口11均延伸出密闭环境舱7。
氢气预冷系统3内设有氢气浓度探测报警器，防止气体管路发生泄漏时带来的安全隐患。
翅片管式蒸发器8的气体管路涂装有耐腐蚀性涂层。
翅片管式蒸发器8根据制冷装置的制冷量设置相应长度的气体管路。
一种使用燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统的方法，操作之前需要进行气密性检查，工作时具体包括以下步骤：
步骤S1：氢气供应端1输送氢气至氢气预冷系统3，制冷装置控制氢气预冷系统3将氢气降温至试验所需氢气启动温度，空气供应端2输送空气至空气预冷系统4，制冷装置控制空气预冷系统4将空气降温至试验所需空气启动温度；
步骤S2：氢气预冷系统3打开翅片管式蒸发器8的出气口11，将达到试验所需氢气启动温度的氢气供应至燃料电池电堆5，空气预冷系统4打开翅片管式蒸发器8的出气口11，将达到试验所需空气启动温度的空气供应至燃料电池电堆5，燃料电池电堆5进行低温启动试验；
步骤S3：燃料电池电堆5结束低温启动试验，氢气预冷系统3和空气预冷系统4关闭进气口10和出气口11，停止向燃料电池电堆5供应相应气体，制冷装置关闭，翅片管式蒸发器8恢复至常温。
实施例一
功率为2kW的燃料电池电堆进行-20℃的低温启动测试测试，测试中所需氢气/空气流量为20nlpm/80nlpm，要求气体温度在进入电堆前需达到-20℃。通过本发明的氢气预冷系统3和空气预冷系统4进行降温，实际入堆的气体温度均为-20℃。
实施例二
功率为20kW的燃料电池电堆进行-20℃的低温启动测试测试，测试中所需氢气/空气流量为300nlpm/1200nlpm，要求气体温度在进入电堆前需达到-30℃。通过本发明的氢气预冷系统3和空气预冷系统4进行降温，实际入堆的气体温度均为-30℃。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等小变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，其特征在于，包括氢气预冷系统(3)和空气预冷系统(4)，所述氢气预冷系统(3)和空气预冷系统(4)均设有密闭环境舱(7)以及设于所述密闭环境舱(7)内的翅片管式蒸发器(8)和制冷装置，所述翅片管式蒸发器(8)设有进气口(10)和出气口(11)，相应气体从进气口(10)进入翅片管式蒸发器(8)，完成预冷降温后从出气口(11)排出。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，其特征在于，所述氢气预冷系统(3)中翅片管式蒸发器(8)的进气口(10)通过连接管路(9)连接至氢气供应端(1)，出气口(11)通过连接管路(9)连接至燃料电池电堆(5)。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，其特征在于，所述空气预冷系统(4)中翅片管式蒸发器(8)的进气口(10)通过连接管路(9)连接至空气供应端(2)，出气口(11)通过连接管路(9)连接至燃料电池电堆(5)。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，其特征在于，所述氢气预冷系统(3)和空气预冷系统(4)上均设有温度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，其特征在于，所述进气口(10)和出气口(11)均延伸出所述密闭环境舱(7)。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，其特征在于，所述氢气预冷系统(3)内设有氢气浓度探测报警器。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，其特征在于，所述翅片管式蒸发器(8)的气体管路涂装有耐腐蚀性涂层。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统，其特征在于，所述翅片管式蒸发器(8)根据制冷装置的制冷量设置相应长度的气体管路。
9.一种使用如权利要求1-8任一所述的燃料电池低温启动测试中进行气体预冷降温的系统的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1：氢气供应端(1)输送氢气至氢气预冷系统(3)，制冷装置控制所述氢气预冷系统(3)将氢气降温至试验所需氢气启动温度，空气供应端(2)输送空气至空气预冷系统(4)，制冷装置控制所述空气预冷系统(4)将空气降温至试验所需空气启动温度；
步骤S2：所述氢气预冷系统(3)打开翅片管式蒸发器(8)的出气口(11)，将达到试验所需氢气启动温度的氢气供应至燃料电池电堆(5)，所述空气预冷系统(4)打开翅片管式蒸发器(8)的出气口(11)，将达到试验所需空气启动温度的空气供应至燃料电池电堆(5)，所述燃料电池电堆(5)进行低温启动试验；
步骤S3：所述燃料电池电堆(5)结束低温启动试验，氢气预冷系统(3)和空气预冷系统(4)关闭进气口(10)和出气口(11)，停止向燃料电池电堆(5)供应相应气体，制冷装置关闭，所述翅片管式蒸发器(8)恢复至常温。
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