CN111834651B - 多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，包括：设置在电堆箱上的阳极气体输入机构、阳极尾气输出机构、阴极空气输入机构、阴极尾气输出机构、堆温调节机构、电能输出机构，阳极气体输入机构中阳极气体输送管的输入端设置有阳极混气装置，阴极空气输入机构中阴极气体输送管输入端设置有阴极混气装置。本发明的优点在于：一、阳极混气装置和阴极混气装置的设置，实现在实验室充分真实模拟供电堆发电使用的燃料气体与环境空气，从而能真实测试出电堆的性能，大大提高了电堆测试数据的准确性，同时自行配制燃料气体还能大大降低电堆测试试验成本。

Description

多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统

技术领域

本发明涉及固定式燃料电池电堆的测试设备技术领域。

背景技术

固定式燃料电池的性能测试研究是固定式燃料电池应用前必不可少的一步。目前，固定式燃料电池的性能测试研究主要采用电堆测试装置。传统的电堆测试装置主要包括：用于与电堆的阳极气体输入端连接的阳极气体输入装置、用于与电堆的阳极气体输出端连接的阳极气体排放管路；用于与电堆的阴极气体输入端连接的空气输入装置；用于与电堆的阴极气体输出端相连接的阴极气体排放管路；用于与电堆内部的温度调节通道连接的水循环管路；用于与电堆的电能输出端连接的电能输出管路。测试时，阳极气体输入装置向电堆阳极输入氢气，空气输入装置向电堆阴极输入空气，水循环管路与温度调节通道之间形成水循环，从而使得电堆内部的温度稳定在相适应的温度，氢气与空气中的氧气在电堆内部发生电化学反应，电堆产生的电能从电能输出管路向外输出，电堆阳极产生的废气从电堆阳极气体排放管路排出，电堆阴极产生的废气从阴极气体排放管路排出。记录电堆工作所时的各项性能指标，如电压，从而判断电堆性能。

目前的电堆测试装置存在以下问题：一、阳极气体输入装置向电堆内输送的阳极气体通常为纯氢，这使得电堆测试装置只适用于采用纯氢工作的电堆的测试，测试装置的适用范围十分狭窄。随着固定式燃料电池应用越来越广泛，电堆的种类越来越多，不同种类的电堆所使用的阳极气体不尽相同，有的采用纯氢，有的采用富氢的重整气，采用重整气的不同种类的电堆对重整气中氢气的含量也有不同，传统的只能采用纯氢进行测试的电堆测试装置显然不满足不同种类的电堆的测试需求。二、随着固定式燃料电池应用越来越广泛，其使用的工况环境也有较大差异，即不同环境下空气中的成分含量不尽相同，有的环境中氧含量偏高，有的环境中氧含量偏低，有的环境中含有微量氯化氢，有的环境中含有微量氨气等等，显然传统的电堆测试装置无法真实全面的模拟电堆的工况环境，从而无法获得真实环境下电堆工作的相关数据，实验数据的参考性大打折扣，从而为燃料电池应用留下隐患。

发明内容

本发明的目的是：提供一种多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其适用于多种电堆，并能模拟多种工况场景下的不同成分含量的阳极气体和阴极气体，为燃料电池提供更逼真的工况，从而大大提高测试实验的有效性，有效提高测试实验数据的可参考性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，包括：用于安装电堆的电堆箱，电堆箱上设置有阳极气体输入机构、阳极尾气输出机构、阴极空气输入机构、阴极尾气输出机构、堆温调节机构、电能输出机构，上述各功能机构均通过电堆箱上的接口与电堆上对应的端口连接；阳极气体输入机构包括：阳极气体输送管，阳极气体输送管的输入端设置有阳极混气装置，阳极混气装置与电堆箱之间的阳极气体输送管上依次设置阳极气体成分分析仪、阳极增湿器、阳极加热器，阳极气体成分分析仪与阳极增湿器之间的阳极气体输送管上设置有带阀的第一排放管；阴极空气输入机构包括：阴极气体输送管，阴极气体输送管的输入端设置有阴极混气装置，阴极混气装置与电堆箱之间的阴极气体输送管上依次设置阴极气体成分分析仪、阴极增湿器、阴极加热器，阴极气体成分分析仪与阴极增湿器之间的阴极气体输送管上设置有带阀的第二排放管；阳极混气装置和阴极混气装置的结构均包括：一级混气管道或一级以上混气管道；一级混气管道包括：混气管，混气管的内腔形成混气腔，混气管的两端分别连接有进气管和输送管，混气管的管壁上设置有与混气腔连通的进气接管，进气管和进气接管分别用于与气源相连接，进气管中的气体与进气接管中的气体在混气腔内混合后从输送管输出，进气管、进气接管与对应气源之间的管路上均设置有减压阀和流量控制阀，进气接管与对应气源之间的管路上还设置有止回阀，阳极混气装置的输送管的出口与阳极气体输送管连接，阴极混气装置的输送管的出口与阴极气体输送管连接；一级以上混气管道包括：依次连通的至少两级混气管道，每级混气管道均包括：混气管，混气管的内腔形成混气腔，混气管的两端分别连接有进气管和输送管；每相邻两级混气管道中，前一级的混气管道的输送管的出口均连接至后一级的混气管道的混气管的管体上、并与该混气管的混气腔连通，前一级的输送管与后一级混气管之间均设置止回阀，前一级混气管道的输入管、输送管、混气管的内径均小于后一级混气管道对应的管段内径，最前一级混气管道的混气管上设置有与混气腔相连通的进气接管，进气接管以及各级的进气管均用于与气源相连接，最前一级混气管上的气体接管、每一级的进气管与对应气源之间的管路上均设置有减压阀和流量控制阀，最前一级混气管上的气体接管与对应气源之间的管路上还设置有止回阀，阳极混气装置最后一级混气管道的输送管的出口与阳极气体输送管连接；阴极混气装置最后一级的混气管道的输送管的出口与阴极气体输送管连接。

进一步地，前述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其中，每个混气管与对应进气管和输送管之间的连接结构均包括：进气管的出口管段为向进气管出口方向内径逐渐变小的锥形管段，进气管出口从混气管的一端伸入至混气管内，进气管的外壁与混气管密封，输送管的入口与混气管另一端密封固定连通，输送管的入口管段为向远离输送管入口方向内径逐渐变大的锥形管段；进气管出口的气体能形成负压，从而与混气腔中的气体混合，混合后的气体进入输送管中。

更进一步地，前述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其中，所有进气管的进口均位于同一侧，除最后一级混气管道的输送管外，其余输送管均先向远离对应的混气管方向延伸，然后弯折回转延伸至靠近对相邻的后一级的混气管道的混气管处后、弯折连接至该混气管上。

进一步地，前述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其中，电能输出机构包括：含有直流变压器和逆变器的电能输出模块、以及含有蓄电池和电容的储能冲击测试模块，储能冲击测试模块电连接在逆变器的输出端，电堆产生的电能由直流变压器升压、逆变器直流变交流后并网输出和或储存在蓄电池中，蓄电池能给电容充电，电容能对逆变器输出端放电形成冲击。

进一步地，前述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其中，电堆箱上设置有对电堆箱进行加热的加热器和对电堆箱进行降温的冷却器。

进一步地，前述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其中，堆温调节机构包括：出水管，出水管上设置有第一电加热器、第一水泵，出水管的输出端设置有第一流量调节三通阀，第一流量调节三通阀上连接有第一连接管和第一调温管路，第一连接管连接至缓冲罐，缓冲罐连接有缓冲罐输出管，缓冲罐输出管连接至电堆箱；调温管路上设置有第一冷却器和第二冷却器，经第一冷却器和第二冷却器冷却后的水进入至缓冲罐中。

进一步地，前述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其中，阳极尾气输出机构包括：阳极尾气输出管，阳极尾气输出管上设置有阳极尾气成分分析仪、阳极尾气输出泵，阳极尾气输出管的输出端连接有带阀的阳极尾气排放管。

更进一步地，前述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其中，阳极气体成分分析仪与第一排放管之间设置有第一文丘里管，第一文丘里管的进口和出口均连接在阳极气体输送管上；阳极尾气输出管的输出端还连接有阳极尾气回用接管，阳极尾气回用接管与第一文丘里管的管壁上的连接口的相连接，由第一文丘里管进口进入的气体在第一文丘里管内形成负压，从而与由第一文丘里管连接口进入的气体混合后从第一文丘里管的出口输出。

再进一步地，前述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其中，阳极增湿器与第一排放管之间的阳极气体输送管上还连接有气体调节管路，阳极增湿器与阳极加热器之间设置有第二文丘里管，第二文丘里管的进口和出口均连接在阳极气体输送管上，气体调节管路的输出端连接至第二文丘里管的管壁上的连接口，气体调节管路上设置有流量调节阀；由第二文丘里管进口进入的气体在第二文丘里管内形成负压，从而与由第二文丘里连接口进入的气体混合后从第二文丘里管的出口输出。

进一步地，前述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其中，所述的第二冷却器的被冷却介质管路的两端设置在阳极气体输送管上的阳极增湿器与第二文丘里管之间。

本发明的优点是：一、在阳极气体输送管的输入端设置阳极混气装置、阴极气体输送管的阴极混气装置，这能在实验室充分真实模拟供电堆发电使用的燃料气体，并充分真实模拟电堆工作环境的空气状况，从而能真实测试出电堆的性能，并能大大降低电堆测试成本。二、阴极混气装置与阴极混气装置的结构简单，实用，混合后的气体的均匀性好，从而能进一步真实模拟电堆工况。三、阳极混气装置和阴极混气装置中上一级混气管道的输送管与下一级的混气管之间均设置止回阀，单独一级或相邻两级混气管道使用时，气体不会窜至其它混气管道中，因此可以根据测试时的实际需要在主含量气体中混入或不混入其他气体，因此燃料电池电堆测试系统的功能和适用性大大提高。四、将富含氢气的阳极尾气引入第一文丘里管，实现阳极尾气的再次利用，能有效节约电堆测试成本。

附图说明

图1是本发明所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统的工作原理示意图。

图2是阳极混气装置的结构示意图。

图3是阴极混气装置的结构示意图。

图4是图2中A-A剖视方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，包括：用于安装电堆1的电堆箱2，电堆箱2上设置有阳极气体输入机构、阳极尾气输出机构、阴极空气输入机构、阴极尾气输出机构、堆温调节机构、电能输出机构。上述各功能机构均通过电堆箱2上的接口与电堆1上对应的端口连接。电堆1中设置有能实时监测电堆1电压数据的电压巡检仪11。电堆箱2带有加热器和冷却器，加热器和冷却器能分别对电堆箱2内部进行加热或冷却，从而能模拟电堆1工作的环境温度。电堆箱2上的加热器可采用电加热结构，电堆箱2上的冷却器可采用换热管冷却介质循环冷却结构。

阳极气体输入机构包括：阳极气体输送管3，阳极气体输送管3的输入端设置有阳极混气装置30，阳极混气装置30与电堆箱2之间的阳极气体输送管3上依次设置阳极气体成分分析仪31、阳极增湿器32、阳极加热器33，阳极气体成分分析仪31与阳极增湿器32之间的阳极气体输送管3上设置有带阀的第一排放管34。阳极气体成分分析仪31采用气相色谱仪。为了便于了解阳极加热器33中气体的状态，阳极加热器33上设置有温度传感器331、压力传感器332、露点仪333。所述的阳极加热器33采用电加热器。

阴极空气输入机构包括：阴极气体输送管5，阴极气体输送管5的输入端设置有阴极混气装置50，阴极混气装置50与电堆箱2之间的阴极气体输送管5上依次设置阴极气体成分分析仪51、阴极增湿器52、阴极加热器53，阴极气体成分分析仪51与阴极增湿器52之间的阴极气体输送管5上设置有带阀的第二排放管56。阴极气体成分分析仪51采用气相色谱仪。所述的阴极加热器53采用电加热器。为了便于了解阴极加热器中气体的状态，阴极加热器53上设置有温度传感器531、压力传感器532、露点仪533。

阳极混气装置30和阴极混气装置50的结构均包括：一级混气管道或一级以上混气管道。本实施例中以阳极混气装置30为三级混气管道为例、阴极混气装置50为一级混气管道为例分别进行说明。

如图2、图4所示，阳极混气装置30包括：依次连通的三级混气管道——第一级混气管道301、第二级混气管道302、第三级混气管道303。第一级混气管道301包括：第一混气管3011，第一混气管3011的内腔形成第一混气腔3012，第一混气管3011的两端分别连接有第一进气管3013和第一输送管3014，第一混气管3011的管壁上连接有与第一混气腔3012相连通的进气接管3015。第二级混气管道302包括：第二混气管3021，第二混气管3021的内腔形成第二混气腔3022，第二混气管3021的两端分别连接有第二进气管3023和第二输送管3024。第三级混气管道303包括：第三混气管3031，第三混气管3031的内腔形成第三混气腔3032，第三混气管3031的两端分别连接有第三进气管3033和第三输送管3034。

第一级、第二级混气管道中，第一输送管3014的出口连接至第二混气管3021的管体、并与第二混气腔3022连通。第一输送管3014与第二混气管3021之间设置有防止第二混气腔3022内的气体向第一输送管3014内运动的止回阀。并且，第一输送管3014先向远离第一混气管3011方向延伸，然后弯折回转延伸至靠近相邻第二混气管3021处后、弯折连接至该第二混气管3021上。第二级、第三级混气管道中，第二输送管3024的出口连接至第三混气管3031管体、并与第三混气腔3032连通，第二输送管3024与第三混气管3031之间设置有防止第三混气腔3032内的气体向第二输送管3024内运动的止回阀。并且，第二输送管3024先向远离第二混气管3021方向延伸，然后弯折回转延伸至靠近第三混气管3031处后、弯折连接至第三混气管3031上。第三输送管3034的出口与阳极气体输送管3连接。

第一混气管3011、第二混气管3021、第三混气管3031的管径依次增大，进气接管3015、第一进气管3013、第二进气管3023、第三进气管3033的管径依次增大，第一输送管3014、第二输送管3024、第三输送管3034的管径依次增大。为了便于制作生产，第一进气管3013、第二进气管3023、第三进气管3033的进口均位于同一侧。进气接管3015、第一进气管3013、第二进气管3023、第三进气管3033分别用于与不同的气源相连通。第一进气管3013、第二进气管3023、第三进气管3033与对应的气源之间的管路上均设置减压阀和流量控制阀。进气接管3015与对应的气源之间的管路上设置减压阀、流量控制阀和止回阀。具体的如图1所示，进气接管3015与对应的气源之间的第四管路307上设置有第四减压阀3071、第四流量控制阀3072和止回阀3073。

第一进气管3013与对应的气源之间的第一管路304上设置第一减压阀3041和第一流量控制阀3042。第二进气管3023与对应的气源之间的第二管路305上设置有第二减压阀3051和第二流量控制阀3052。第三进气管3033与对应的气源之间的第三管路306上设置有第三减压阀3061和第三流量控制阀3062。

为了能够配制不同气体成分含量的燃料气体供电堆1测试使用。阳极气体输入机构采用三级混气管道，主含量气体——氢气从管径最大的一级进气管、即第三进气管3033输入，其余气体按照含量由低到高分别从进气接管3015、第一进气管3013、第二进气管3023进入。含量最低的气体从进气接管3015进入至第一混气腔3012中，含量第二低的气体从第一进气管3013进入，第一进气管3013中的气体在第一混气腔3012中的第一进气管3013的出口处形成负压，从而与第一混气腔3012中含量最低气体混合。混合后的气体经第一输送管3014进入至第二混气腔3022中。含量第三低的气体从第二进气管3023进入，第二进气管3023中的气体在第二混气腔3022中的第二进气管3023的出口处形成负压，从而与第二混气腔3022中的气体混合。混合后的气体经第二输送管3024进入至第三混气腔3032中，氢气从第三进气管3033中进入，第三进气管3033中的氢气在第三混气腔3032中的第三进气管3033的出口处形成负压，从而与第三混气腔3032中的气体混合后从第三输送管3034的出口进入至阳极气体输送管3中。一级一级混合，其目的在于：含量低的气体向含量接近、且含量较高的气体中混入，以此依次将不同含量的气体均匀混入至主含量气体中，从而实现燃料气体的配制，该配制的燃料气体的均匀性好，从而能大大提高电堆1测试的效果。

上述过程实现了四种气体的混合，实际测试过程中，如在主含量气体中只加入一种气体的燃料气体，具体如在氢气中加甲烷气，则只需在第二进气管3023、第三进气管3033中分别通入甲烷和氢气，由于每一级输送管与混气管之间均设置了止回阀，这样第二级混气管道302与第三级混气管道303工作时，气体不会窜至第一级混气管道301中。

如图3所示，阴极混气装置50的结构包括：阴极混气管501，阴极混气管501的内腔形成阴极混气腔502，阴极混气管501的两端分别连接有阴极第一进气管503和阴极第一输送管504，阴极混气管501的管壁上设置有与阴极混气腔502连通的阴极进气接管505，阴极进气接管505的管径小于阴极第一进气管503的管径，阴极第一进气管503和阴极进气接管505分别用于与气源相连接，从阴极第一进气管503进入的气体与从阴极进气接管505中进入的气体在阴极混气腔502内混合后从阴极第一输送管504输出。阴极第一进气管503与对应气源之间的阴极第一管路54上设置有阴极第一进气减压阀541和阴极第一进气流量控制阀542，阴极进气接管505与对应气源之间的阴极第二管路55上均设置有阴极第二进气减压阀551、阴极第二进气流量控制阀552和阴极进气止回阀553。阴极第一输送管504的出口与阴极气体输送管5连接。

采用上述结构的阴极混气装置50，其目的在于：在空气中均匀地混入电堆实际工作环境空气中的微量气体，从而更逼真地模拟电堆的工作环境。测试试验时，空气从阴极第一进气管503进入，需要混入空气中的微量气体，如氨气或氯化氢气体则从阴极进气接管505进入阴极混气腔502，阴极第一进气管503出口处的空气在阴极混气腔502中形成负压，从而与阴极进气接管505进入阴极混气腔502中的气体混合后，从阴极第一输送管504输送至阴极气体输送管5中。

阳极混气装置30和阴极混气装置50中的每一级混气管道中混气管与本级进气管和输送管之间的连接结构均包括：进气管的出口管段为向靠近进气管出口方向内径逐渐变小的锥形管段，进气管的出口从混气管的一端伸入至混气管内，进气管的外壁与混气管密封，输送管的入口与混气管另一端密封固定连通，输送管的入口管段为向靠近输送管入口方向内径逐渐变大的锥形管段；进气管出口处的气体能在混气腔内形成负压，从而与混气腔中的气体混合后进入输送管中。

本实施例中，电能输出机构包括：含有直流变压器811和逆变器812的电能输出模块81、以及含有蓄电池821和电容822的储能冲击测试模块82，储能冲击测试模块82电连接在逆变器812的输出端，电堆1产生的电能由直流变压器811升压、逆变器812直流变交流后并网输出和或储存在蓄电池821中，蓄电池821能给电容822充电，电容822能对逆变器812的输出端放电形成冲击。

通过电容822对逆变器812的输出端放电形成冲击模拟电网波动，来观察电网波动时电堆的工作情况，从而了解电堆1性能。

本实施例中，堆温调节机构包括：出水管7，出水管7上设置有第一加热器71、第一水泵72，出水管7的输出端设置有第一流量调节三通阀73，第一流量调节三通阀73上连接有第一连接管74和第一调温管路75，第一连接管74连接至缓冲罐76，缓冲罐76上连接有缓冲罐输出管761，缓冲罐输出管761连接至电堆箱2。第一调温管路75上设置有第一冷却器751和第二冷却器752，经第一冷却器751和第二冷却器752冷却后的水进入至缓冲罐76中。所述的第二冷却器752的被冷却介质的两端设置在阳极气体输送管3上的阳极增湿器32与第二文丘里管37之间。采用两级冷却，其目的在于：不仅能准确控制进入电堆1内的水温，还能将第二冷却器752热量传递至阳极气体输送管3上的燃料气体中，从而对其进行预热而充分利用热能。为了更好的了解管路内的水温，电堆箱2与第一加热器71之间的出水管7上设置有压力传感器701和出水温度传感器702，缓冲罐76与电堆箱2之间的缓冲罐输出管761上设置有压力传感器704和进水温度传感器705。

阳极尾气输出机构包括：阳极尾气输出管4，阳极尾气输出管4上设置有阳极尾气成分分析仪41、阳极尾气输出泵42，阳极尾气输出管4的输出端连接有带阀的阳极尾气排放管43。阳极尾气成分分析仪41采用气相色谱仪。

阳极气体成分分析仪31与阳极混气装置30之间设置有第一文丘里管35，第一文丘里管35的进口和出口均连接在阳极气体输送管3上；阳极尾气输出管4的输出端还连接有阳极尾气回用接管44，阳极尾气回用接管44与第一文丘里管35的管壁上的连接口的相连接，由第一文丘里管35进口进入的气体在第一文丘里管35内形成负压，从而与从第一文丘里管35连接口进入的气体混合后从第一文丘里管35的出口输出。设置第一文丘里管35、并将阳极尾气通过阳极尾气回用接管44引入至第一文丘里管35，其目的在于：经阳极尾气成分分析仪41检测后的阳极尾气中富含氢气，将富含氢气的阳极尾气通过第一文丘里管35与经阳极混气装置30输出的燃料气体气充分混合后送至电堆1，从而节约电堆1测试试验的成本。

阳极增湿器32与第一排放管34之间的阳极气体输送管3上还连接有气体调节管路36，阳极增湿器32与阳极加热器33之间设置有第二文丘里管37，第二文丘里管37的进口和出口均连接在阳极气体输送管3上，气体调节管路36的输出端连接至第二文丘里管37管壁上的连接口，气体调节管路36上设置有流量调节阀361；由第二文丘里管37进口进入的气体在第二文丘里管37内形成负压，从而与从第二文丘里管37连接口进入的气体混合后从第二文丘里管37的出口输出。设置气体调节管路36的目的在于：将供电堆1测试用的燃料气体分成两部分，一部分进入阳极加湿器32中加湿，一部分不经阳极加湿器32，没有进行加湿的干燥气体通过第二文丘里管37与经过加湿的气体进行混合，这能更精确地控制燃料气体的湿度。

阴极尾气输出机构包括：阴极尾气输出管9，阴极尾气输出管9上设置有阴极尾气成分分析仪91，阴极尾气成分分析仪91采用气相色谱仪。所述的阴极尾气输出管9连接至阴极加湿器52，阴极加湿器52上的阴极尾气排出管521连接至第二排放管56。电堆1发电产生的阴极尾气经阴极尾气成分分析仪81成分检测分析后，进入至阴极加湿器52中将水分留在阴极加湿器52中，然后从阴极尾气排出管521、第二排放管56向外排出。

下面通过具体的实施例进一步介绍本发明所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统。

实施例1：配制阳极燃料气体：以体积比计，氢气70.000%，二氧化碳20.000%，甲烷9.997%，一氧化碳30ppm。

一氧化碳气体经第四管路307上第四减压阀3071、第四流量控制阀3072、止回阀3073、进气接管3015进入至第一混气腔3012中；甲烷气体经第一管路304的第一减压阀3041、第一流量控制阀3042、第一进气管3013进入第一混气腔3012，一氧化碳与甲烷混合后经第一输送管3014、止回阀进入至第二混气腔3022。二氧化碳经第二管路305上的第二减压阀3051和第二流量控制阀3052进入第二进气管3023，二氧化碳与第二混气腔3022中的气体混合后经第二输送管3024、止回阀进入至第三混气腔3032。主含量气体氢气经第三管路306上的第三减压阀3061、第三流量控制阀3062、第三进气管3033进入第三混气腔3032，氢气与第三混气腔3032内的气体混合后经第三输送管3034的出口进入至阳极气体输送管3中。第四流量控制阀3072、第一流量控制阀3042、第二流量控制阀3052、第三流量控制阀3062根据目标气体成分比例进行开度调节。

阳极气体输送管3内的气体经第一文丘里管35、经阳极气体成分分析仪31检测，如成分配比未达到目标气体成分值则阳极气体输送管3内的气体从第一排放管34排出，如成分配比达到目标气体成分值则阳极气体输送管3内的气体一部分进入阳极加湿器32，一部分进入气体调节管路36。经阳极加湿器32后的气体湿度增加，阳极加湿器32输出的气体进入第二冷却器752热交换后进入第二文丘里管37，气体调节管路36内的气体为干气，两路气体在第二文丘里管37中混合达到目标湿度后进入阳极加热器33中。经温度传感器331测温、经压力传感器332测定压力、经露点仪333测定露点进入电堆1内做为燃料。

电堆1阳极排出的废气经阳极尾气输出管4，由阳极尾气成分分析仪41分析检测，经阳极尾气成分分析仪41测定气体成分以体积比计：氢气30.000%，二氧化碳50.000%，甲烷20.000%，一氧化碳0ppm。阳极尾气成分分析仪41将检测的信息发送至PLC控制器，PLC控制器控制第四流量控制阀3072、第一流量控制阀3042、第二流量控制阀3052、第三流量控制阀3062相应动作。在阳极尾气输出泵42的作用下，阳极尾气经阳极尾气回用接管44进入至第一文丘里管35，根据阳极尾气成分调整后的、经阳极混气装置30输出的气体也进入第一文丘里管35，第一文丘里管35中混合后的气体经阳极气体成分分析仪31检测成分为成分以体积比计：氢气70.000%，二氧化碳20.000%，甲烷9.997%，一氧化碳30ppm，成分配比达到目标气体成分值则重复上述输送过程。

从实施例1可以得到：阳极燃料气体可以根据测试要求相应配制，这大大方便了电堆测试试验，通过设置阳极气体成分分析仪31实时监测阳极尾气成分，从而及时调节阳极混气装置30中各成分的进气量，这样就实现了充分利用阳极尾气的目的，从而大大节约了测试成本。如混入的气体种类较少，可只使用第三级混气管道303或只使用与第三级混气管道303与其相邻的第二级混气管道302等等，根据实际需要选择混气管道，上一级的输送管与下一级混气管之间的止回阀则有效防止气体乱窜，从而确保第三级混气管道单独使用，或第三极混气管道与其相邻的前一级混气管道或前两级混气管道使用等等。

实施例2：在阴极空气中添加氨气，目标阴极空气成分：以体积比计，空气99.900%，氨气1000ppm。

氨气经阴极第二进气减压阀551、阴极第二进气流量控制阀552、阴极进气接管505、进入阴极混气腔502；空气从阴极第一进气管503进入，阴极第一进气管503出口处形成负压，空气与氨气混合后从阴极第一输送管504输送至阴极气体输送管5。经阴极气体成分分析仪51检测分析气体成分值与目标值一致，则符合要求，符合要求的阴极气体进入至阴极加湿器52。在阴极加湿器52中加湿后的阴极气体进入阴极加热器53中加热，阴极加热器53上的温度传感器531测温、压力传感器532侧压力、露点仪533测露点，阴极加热器53中的阴极气体进入至电堆1中供发电测试使用。

由实施例2得到：阴极混气装置50的设置实现了在空气中均匀混入微量气体的目的，这使得实验室测试能更真实地模拟实际工作环境，大大提高了测试系统的测试效果，从而能更有效反映电堆1的工作性能。上述测试过程中，仅以加入氨气为例。测试过程中，可根据实际需要混入其他气体如氯化氢，也可不混入任何气体。阴极混气装置50只通入空气时，空气从阴极第一进气管503中进入，从阴极第一输送管504输送至阴极气体输送管5，阴极进气止回阀553则确保空气不会窜入其它管道。

实施例3：对电堆1内部进行75℃高温测试。

电堆1启动阶段，第一加热器71进行加热工作，出水管7内水温升高。经第一加热器71加热后的水全部经第一连接管74连接至缓冲罐76。当出水温度传感器702测得的温度大于70℃，进水温度传感器705测得的温度与出水温度传感器702测得温度差异＜0.5℃，则第一加热器71停止加热。

电堆1发电阶段，电堆1出水温度传感器702测定水温75℃，水压强2bar，水经过第一加热器71，加热器出水温度传感器706，测定温度75℃，经过第一水泵72泵送，一部分经第一流量调节三通阀73、第一连接管74进入至缓冲罐76，一部分经第一流量调节三通阀73、第一调温管路75、第一冷却器751和第二冷却器752进入至缓冲罐76中。缓冲罐76中混和后的水经过进水温度传感器705测定水温74.5℃，压力传感器704测定压强2bar，进入电堆1，此状态下电堆的堆温维持在75℃。

由实施例3得到：电堆发电阶段，电堆1的堆温能够稳定在设定的温度，从而便于观察在设定温度下，电堆的各项工作性能。

实施例4：电网波动模拟测试。

储能冲击测试模块82中的电容822对逆变器812的输出端、即向电网，投电30kVar电量冲击电网，模拟电网波动，记录电堆1工作电压波动数据。当电容822放电完成后，蓄电池821给电容822充电，进行下一轮测试。

实施例4可以得到：电容822能对逆变器812的输出端放电形成冲击模拟电网波动，通过观察电网波动时电堆的工作情况，从而了解电堆1相应的性能。

实施例5：环境温度测试。

低温环境测试：电堆箱2的冷却器将电堆箱2的温度冷却至-10℃，电堆在该环境下温度放置24h。24h后，电堆尝试冷启动，启动后。电堆1在-10℃条件稳定工作8h，测定电堆工作数据。

高温环境测试：电堆箱2的加热器将电堆箱2的温度升高至40℃，电堆在该环境下温度放置24h。24h后，电堆1启动，启动后。电堆在40℃条件稳定工作8h，测定电堆工作数据。

由实施例5可以得到：设置带冷却器和加热器的电堆箱2，通过加热或制冷从而模拟电堆1工作时的环境温度，这能更好地对电堆1的工作性能进行测试。

本发明的优点在于：一、在阳极气体输送管3的输入端设置阳极混气装置30、在阴极气体输送管5的输入端设置阴极混气装置50，实现在实验室充分真实模拟供电堆发电使用的燃料气体和电堆工作环境空气，从而能真实测试出电堆的性能，大大提高了电堆测试数据的准确性，同时自行配制燃料气体还能大大降低电堆测试试验成本。二、阳极混气装置30与阴极混气装置50的结构简单，实用，混合后的气体的均匀性好，从而能进一步真实模拟电堆工况。三、阳极混气装置30和阴极混气装置50中上一级混气管道的输送管与下一级的混气管之间均设置止回阀，单独一级或相邻两级混气管道工作时，气体不会窜至其它混气管道中，因此可以根据测试时的实际需要在主含量气体中混入或不混入其他气体、或混入一种或一种以上气体，因此阳极混气装置和阴极混气装置的适用性大大提高，因此本发明所述的测试系统能用于一种电堆的多个工况下的测试或用于多种不同燃料类型的电堆的测试。更换不同气体含量的燃料气体或空气前，氮气吹扫管路。四、充分利用阳极尾气，大大降低了测试成本。

Claims (9)

1.多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，包括：用于安装电堆的电堆箱，电堆箱上设置有阳极气体输入机构、阳极尾气输出机构、阴极空气输入机构、阴极尾气输出机构、堆温调节机构、电能输出机构，上述各功能机构均通过电堆箱上的接口与电堆上对应的端口连接；其特征在于：阳极气体输入机构包括：阳极气体输送管，阳极气体输送管的输入端设置有阳极混气装置，阳极混气装置与电堆箱之间的阳极气体输送管上依次设置阳极气体成分分析仪、阳极增湿器、阳极加热器，阳极气体成分分析仪与阳极增湿器之间的阳极气体输送管上设置有带阀的第一排放管；阴极空气输入机构包括：阴极气体输送管，阴极气体输送管的输入端设置有阴极混气装置，阴极混气装置与电堆箱之间的阴极气体输送管上依次设置阴极气体成分分析仪、阴极增湿器、阴极加热器，阴极气体成分分析仪与阴极增湿器之间的阴极气体输送管上设置有带阀的第二排放管；阳极混气装置和阴极混气装置的结构均包括：一级混气管道或一级以上混气管道；一级混气管道包括：混气管，混气管的内腔形成混气腔，混气管的两端分别连接有进气管和输送管，混气管的管壁上设置有与混气腔连通的进气接管，进气管和进气接管分别用于与气源相连接，进气管中的气体与进气接管中的气体在混气腔内混合后从输送管输出，进气管、进气接管与对应气源之间的管路上均设置有减压阀和流量控制阀，进气接管与对应气源之间的管路上还设置有止回阀，阳极混气装置的输送管的出口与阳极气体输送管连接，阴极混气装置的输送管的出口与阴极气体输送管连接；一级以上混气管道包括：依次连通的至少两级混气管道，每级混气管道均包括：混气管，混气管的内腔形成混气腔，混气管的两端分别连接有进气管和输送管；每相邻两级混气管道中，前一级的混气管道的输送管的出口均连接至后一级的混气管道的混气管的管体上、并与该混气管的混气腔连通，前一级的输送管与后一级的混气管之间均设置止回阀，前一级混气管道的输入管、输送管、混气管的内径均小于后一级混气管道对应的管段内径，最前一级混气管道的混气管上设置有与混气腔相连通的进气接管，进气接管以及各级的进气管均用于与气源相连接，最前一级混气管上的气体接管、每一级的进气管与对应气源之间的管路上均设置有减压阀和流量控制阀，最前一级混气管上的气体接管与对应气源之间的管路上还设置有止回阀，阳极混气装置最后一级混气管道的输送管的出口与阳极气体输送管连接；阴极混气装置最后一级的混气管道的输送管的出口与阴极气体输送管连接；每个混气管与对应进气管和输送管之间的连接结构均包括：进气管的出口管段为向进气管出口方向内径逐渐变小的锥形管段，进气管出口从混气管的一端伸入至混气管内，进气管的外壁与混气管密封，输送管的入口与混气管另一端密封固定连通，输送管的入口管段为向远离输送管入口方向内径逐渐变大的锥形管段；进气管出口的气体能形成负压，从而与混气腔中的气体混合，混合后的气体进入输送管中。

2.根据权利要求1所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其特征在于：所有进气管的进口均位于同一侧，除最后一级混气管道的输送管外，其余输送管均先向远离对应的混气管方向延伸，然后弯折回转延伸至靠近对相邻的后一级的混气管道的混气管处后、弯折连接至该混气管上。

3.根据权利要求1或2所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其特征在于：电能输出机构包括：含有直流变压器和逆变器的电能输出模块、以及含有蓄电池和电容的储能冲击测试模块，储能冲击测试模块电连接在逆变器的输出端，电堆产生的电能由直流变压器升压、逆变器直流变交流后并网输出和或储存在蓄电池中，蓄电池能给电容充电，电容能对逆变器输出端放电形成冲击。

4.根据权利要求1或2所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其特征在于：电堆箱上设置有对电堆箱进行加热的加热器和对电堆箱进行降温的冷却器。

5.根据权利要求1或2所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其特征在于：堆温调节机构包括：出水管，出水管上设置有第一电加热器、第一水泵，出水管的输出端设置有第一流量调节三通阀，第一流量调节三通阀上连接有第一连接管和第一调温管路，第一连接管连接至缓冲罐，缓冲罐连接有缓冲罐输出管，缓冲罐输出管连接至电堆箱；调温管路上设置有第一冷却器和第二冷却器，经第一冷却器和第二冷却器冷却后的水进入至缓冲罐中。

6.根据权利要求1或2所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其特征在于：阳极尾气输出机构包括：阳极尾气输出管，阳极尾气输出管上设置有阳极尾气成分分析仪、阳极尾气输出泵，阳极尾气输出管的输出端连接有带阀的阳极尾气排放管。

7.根据权利要求6所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其特征在于：阳极气体成分分析仪与第一排放管之间设置有第一文丘里管，第一文丘里管的进口和出口均连接在阳极气体输送管上；阳极尾气输出管的输出端还连接有阳极尾气回用接管，阳极尾气回用接管与第一文丘里管的管壁上的连接口的相连接，由第一文丘里管进口进入的气体在第一文丘里管内形成负压，从而与由第一文丘里管连接口进入的气体混合后从第一文丘里管的出口输出。

8.根据权利要求5所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其特征在于：阳极增湿器与第一排放管之间的阳极气体输送管上还连接有气体调节管路，阳极增湿器与阳极加热器之间设置有第二文丘里管，第二文丘里管的进口和出口均连接在阳极气体输送管上，气体调节管路的输出端连接至第二文丘里管的管壁上的连接口，气体调节管路上设置有流量调节阀；由第二文丘里管进口进入的气体在第二文丘里管内形成负压，从而能与由第二文丘里连接口进入的气体混合后从第二文丘里管的出口输出。

9.根据权利要求8所述的多功能型的固定式燃料电池电堆测试系统，其特征在于：所述的第二冷却器的被冷却介质管路的两端设置在阳极气体输送管上的阳极增湿器与第二文丘里管之间。

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