CN112038672A - 一种燃料电池废气排放测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池废气排放测试装置及测试方法，该装置包括测试箱体，燃料电池，燃料罐，进气装置，电子负载，排气装置，采样装置，风速检测装置，循环风机及温度检测装置。这样在测试箱体内运行燃料电池，产生的废气从测试箱体排出，通过风速检测装置可以得到燃料电池系统排出测试箱体的总空气流动量，同时对采样装置内的废气试样进行气体浓度检测，从而实现对燃料电池系统产生的废气进行监控，测试其废气排放率，检验其是否符合废气排放标准，保证燃料电池的使用安全性能。此外还设有循环风机，令测试箱体内的气体均匀混合，保证各处排出的气体浓度一致，同时还具有温度检测装置，监控测试箱体内的温度，及时查看是否有异常状况出现。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池废气排放测试装置及测试方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，如甲醇燃料电池、乙醇燃料电池。燃料在进行电化学反应时会产生挥发性物质，如产生甲醛、甲酸甲酯、甲酸等，而排出的这些挥发性物质会对人体产生一定的危害，因此亟需提供一种燃料电池废气排放的检测装置，对其进行监控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池废气排放测试装置及测试方法，从而对燃料电池发电系统的废气排放率进行测试，具有积极的研究意义。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供的一种燃料电池废气排放测试装置，包括：
测试箱体；
燃料电池，设置在所述测试箱体内；
燃料罐，设置在所述测试箱体外，用于向所述燃料电池提供燃料；
进气装置，设置在所述测试箱体上，用于向所述燃料电池提供气体；
电子负载，设置在所述测试箱体外，且与所述燃料电池相连接；
排气装置，设置在所述测试箱体上，用于排出所述燃料电池产生的废气；
采样装置，设置在所述测试箱体上，用于抽取所述燃料电池排放的废气、以对废气的气体浓度进行测试；
风速检测装置，用于测量所述排气装置和所述采样装置内的气体流动速率；
循环风机，用于将所述测试箱体内的气体混合均匀；
温度检测装置，用于测量所述测试箱体内的温度。
优选地，所述排气装置包括设置在所述测试箱体上的第一排气口、设置在所述第一排气口处的排气风扇和与所述第一排气口相连接的排气通道；所述采样装置包括设置在所述测试箱体上的第二排气口、与所述第二排气口相连接的采样通道和设置在所述采样通道靠近所述测试箱体的一侧的采样口。
优选地，所述风速检测装置包括与所述排气通道相连接、用于测量所述排气通道内气体流动速率的第一风速传感器和与所述采样通道相连接、用于测量所述采样通道内气体流动速率的第二风速传感器。
优选地，所述排气通道设有用于安装所述第一风速传感器的第一通孔，所述第一通孔的中心与所述测试箱体之间的距离为所述排气通道的内径的5至7倍；所述采样通道设有用于安装所述第二风速传感器的第二通孔，所述第二通孔的中心与所述测试箱体之间的距离为所述采样通道的内径的5至7倍。
优选地，所述进气装置包括设置在所述测试箱体上的进气口和设置在所述进气口处的进气风扇。
优选地，还包括与所述进气风扇和所述排气风扇电连接、用于控制所述进气风扇和所述排气风扇的转速的控制器。
优选地，所述测试箱体的上端设有与所述测试箱体可开合连接的的箱盖。
本发明还提供了一种燃料电池废气排放测试方法，基于如上任一项所述的燃料电池废气排放测试装置，包括：
将燃料电池、循环风机和温度检测装置安装在测试箱体中，然后将所述燃料电池与燃料罐、电子负载相联通，并将所述循环风机、所述温度检测装置与外部电源相联通；
开启进气装置，以向所述测试箱体中通入清洁空气；
开启所述循环风机，以将所述测试箱体内的气体混合均匀；
开启排气装置，并以预设功率运行所述燃料电池，运行时间为30分钟；
通过风速检测装置测量并记录采样装置内的气体流动速率Fa和所述排气装置内的气体流动速率Fp；
从所述采样装置中抽取所述燃料电池排放的废气，并对废气的气体浓度进行测试和记录；
计算废气的排放速率ER，所述排放速率ER等于所述采样装置内的气体流动速率Fa与所述排气装置内的气体流动速率Fp之和乘以所述气体浓度。
优选地，所述预设功率包括第一预设功率和第二预设功率，所述第一预设功率为所述燃料电池额定功率的50％，所述第二预设功率为所述燃料电池额定功率的100％；以预设功率运行所述燃料电池，包括：依次以所述第一预设功率和所述第二预设功率运行所述燃料电池各循环一次，每次运行时间均为30分钟。
优选地，所述燃料电池产生的废气包括有机挥发性物质，一氧化碳或二氧化碳；对废气的气体浓度进行测试，包括：通过带火焰离子化检测器的气相色谱仪或气相色谱质谱联用仪或高效液相色谱系统测试有机挥发性物质的气体浓度，通过非色散红外吸附分析仪测试一氧化碳或二氧化碳的气体浓度。
本发明提供的技术方案中，一种燃料电池废气排放测试装置包括测试箱体；燃料电池，设置在测试箱体内；燃料罐，设置在测试箱体外，用于向燃料电池提供燃料；进气装置，设置在测试箱体上，用于向燃料电池提供气体；电子负载，设置在测试箱体外，且与燃料电池相连接；排气装置，设置在测试箱体上，用于排出燃料电池产生的废气；采样装置，设置在测试箱体上，用于抽取燃料电池排放的废气、以对废气的气体浓度进行测试；风速检测装置，用于测量排气装置和采样装置内的气体流动速率；循环风机，用于将测试箱体内的气体混合均匀；以及温度检测装置，用于测量测试箱体内的温度。如此设置，在测试箱体内运行燃料电池，产生的废气从测试箱体排出，通过风速检测装置可以得到燃料电池系统排出测试箱体的总空气流动量，同时对采样装置内的废气试样进行气体浓度检测，从而实现对燃料电池系统产生的废气进行监控，测试其废气排放率，检验其是否符合废气排放标准，保证燃料电池的使用安全性能。此外为了保证实验的准确性，还设置了循环风机，令测试箱体内的气体均匀混合，保证各处排出的气体浓度相一致，同时还具有温度检测装置，监控测试箱体内的温度，及时查看是否有异常状况出现。
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为本发明实施例中燃料电池废气排放测试装置的功能图；
图2为本发明实施例中测试箱体的立体图；
图3为本发明实施例中测试箱体的主视图；
图4为本发明实施例中测试箱体的俯视图；
图5为本发明实施例中测试箱体的左视图；
图6为本发明实施例中测试箱体的右视图。
图1-图6中：
1-测试箱体；2-燃料电池；3-燃料罐；4-电子负载；5-循环风机；6-温度检测装置；7-排气通道；8-采样通道；9-采样口；10-第一风速传感器；11-第二风速传感器；12-第一通孔；13-第二通孔；14-进气口；15-箱盖；16-外部电源；17-预留孔。
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。
以下，结合附图对实施例作详细说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明的内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。
请参考附图1-6，本实施例提供的燃料电池废气排放测试装置包括：
测试箱体1，如图2所示，可设计为正方体结构，采用铝合金板焊接而成，板厚2毫米，焊接时注意连接密封性，保证整体不会漏水等；
燃料电池2，设置在测试箱体1内，如实验对象为直接甲醇燃料电池，将其放入箱体内，以备实验用；
燃料罐3，设置在测试箱体1外，用于向燃料电池2提供燃料，燃料罐3一般通过输送管路与燃料电池2上的进料口连通，同时注意燃料输送管路与测试箱体1连接位置处的密闭性；
进气装置，设置在测试箱体1上，用于向燃料电池2提供气体，直接甲醇燃料电池一般设有开放的进气口，当向箱体内不断补入清洁空气时即可进入电池内，为其提供所需的氧气；
电子负载4，设置在测试箱体1外，且与燃料电池2相连接，当运行燃料电池2，电子负载4分别与电池的正负极相连，通过电子负载消耗其产生的电能，从而对工作状态下产生的废气进行检测，燃料电池2上设有废气排放口，其产生的废气由此排入箱体内，同时电子负载4的连接导线与测试箱体1的接缝处进行密封处理，保持良好的密封性；
排气装置，设置在测试箱体1上，用于排出燃料电池2产生的废气；
采样装置，设置在测试箱体1上，用于抽取燃料电池2排放的废气，进行抽样检测，以便对废气试样的气体浓度进行测试；
风速检测装置，用于测量排气装置和采样装置内的气体流动速率，单位为升每小时(L/h)，从而计算出排出箱体外的空气流动量；
循环风机5，用于将测试箱体1内的气体混合均匀，从而保证排气装置和采样装置内的废气浓度保持一致，提高实验准确性；
温度检测装置6，用于测量测试箱体1内的温度，一般燃料电池运行时温度较高，如其废气排放口温度可达400℃，因此需对测试箱体内温度进行监控，防止异常状况发生。温度检测装置6可采用温度传感器，其为成熟的现有产品，故具体结构在此不再赘述。使用时，循环风机5和温度传感器与外部电源16相连接。如此设置，在测试箱体内运行燃料电池，产生的废气从测试箱体排出，通过风速检测装置可以得到燃料电池系统排出测试箱体的总空气流动量，同时对采样装置内的废气试样进行气体浓度检测，从而实现对燃料电池系统产生的废气进行监控，测试其废气排放率，检验其是否符合废气排放标准，保证燃料电池的使用安全性能。此外为了保证实验的准确性，还设置了循环风机，令测试箱体内的气体均匀混合，保证各处排出的气体浓度相一致，同时还具有温度检测装置，监控测试箱体内的温度，及时查看是否有异常状况出现。
在本实施例中，测试箱体1的上端设有与测试箱体1可开合连接的箱盖15。需要说明的是，文中提到的方位“上”“下”是指如图2所示的燃料电池废气排放测试装置的摆放状态时之所指。具体地，箱盖15为圆形，与箱体密封连接，测试箱体1的上端设有与之相配合的圆形安装孔，足以供电池通过，箱盖15卡接在圆形安装孔中，能够打开和闭合箱体。箱盖15上还可安装把手，便于拿取。
如图2所示，排气装置包括设置在测试箱体1上的第一排气口、设置在第一排气口处的排气风扇和与第一排气口相连接的排气通道7。采样装置包括设置在测试箱体1上的第二排气口、与第二排气口相连接的采样通道8和设置在采样通道8靠近测试箱体1的一侧的采样口9。如图3所示，在箱体右侧连接两根与内部空腔相连通的铝管，分别形成排气通道7、采样通道8。打开排气风扇，带动箱体内的气体分别从两个排气口排出。气流稳定后，从采样口9抽取样品，以备后续对废气试样进行浓度检测。
在本实施例中，风速检测装置包括与排气通道7相连接、用于测量排气通道7内气体流动速率的第一风速传感器10和与采样通道8相连接、用于测量采样通道8内气体流动速率的第二风速传感器11。第一风速传感器10和第二风速传感器11可采用分体式管道风速传感器，其为成熟的现有产品，主要针对管道风速测量，安装简便，使用方便。
具体地，排气通道7设有用于安装第一风速传感器10的第一通孔12，第一通孔12的中心与测试箱体1之间的距离L2为排气通道7的内径的5至7倍，优选为6倍。采样通道8设有用于安装第二风速传感器11的第二通孔13，第二通孔13的中心与测试箱体1之间的距离L1为采样通道8的内径的5至7倍，优选为6倍。这样设置风速传感器的安装位置，测量更加准确，从而保证实验的准确度。
在本实施例中，进气装置包括设置在测试箱体1上的进气口14和设置在进气口14处的进气风扇。如图5所示，在箱体左侧设有进气口14，进气口14处安装进气风扇。打开进气风扇，向箱体内提供一定流速的空气。此外，箱体上还设有预留孔17，可作为燃料输送管路入口、电源线等的进线口使用，其大小数量根据实际使用需求而定。
在本实施例的优选方案中，燃料电池废气排放测试装置还包括与进气风扇和排气风扇电连接、用于控制进气风扇和排气风扇的转速的控制器。这样可根据需要调节进气速率和排气速率，为箱内提供充足的氧气，并带动箱内气流向外排出。控制器可采用变压器来改变风扇的转速，根据进气风扇和排气风扇的规格大小匹配不同的变压器，如ZJXED变压器MS-250-24、MS-250-12，其具体结构和连接设置请参考使用说明书。
本实施例还提供了一种燃料电池废气排放测试方法，基于如上描述的燃料电池废气排放测试装置，如图1所示，包括：
将燃料电池2、循环风机5和温度检测装置6安装在测试箱体1中，然后将燃料电池2与燃料罐3、电子负载4相联通，并将循环风机5、温度检测装置6与外部电源相联通；具体地，温度检测装置6为温度传感器，安装时注意燃料管路、连接导线与测试箱体1接缝处的密封性；
开启进气装置，即打开进气风扇，空气从进气口进入测试箱体1中，以向箱内通入清洁空气，提供充足的氧气；
开启循环风机5，以将测试箱体1内的气体混合均匀；
开启排气装置，即打开排气风扇，在风扇带动下箱内气体从排气口排出箱外，注意应在进气风扇、排气风扇等稳定运行后再进行测试实验；并且在测试箱体1中，以预设功率运行燃料电池2，运行时间为30分钟；
在燃料电池2运行过程中，通过风速检测装置测量并记录采样装置内的气体流动速率Fa和排气装置内的气体流动速率Fp；
从采样装置中抽取燃料电池2排放的废气，并对废气的气体浓度进行测试和记录，具体地，在采样口9中抽取燃料电池发电系统中的气体排放试样；
计算废气的排放速率ER，排放速率ER等于采样装置内的气体流动速率Fa与排气装置内的气体流动速率Fp之和乘以气体浓度。这样通过上述方法可计算出燃料电池系统的排放率，将该测量值平均到电池系统的运行持续时间内，则可推断出正常工作时废气排放量，有效监控燃料电池的运行状况，查验其是否符合相应的排放标准，从而及时做出防护改善措施，避免因系统的废气排放对用户和环境产生的危害。
在本实施例中，预设功率包括第一预设功率和第二预设功率，第一预设功率为燃料电池2额定功率的50％，第二预设功率为燃料电池2额定功率的100％；以预设功率运行燃料电池2，包括：依次以第一预设功率和第二预设功率运行燃料电池2各循环一次，每次运行时间均为30分钟。这样在不同功率下运行燃料电池，可以得到不同工况下废气排放量，充分对电池运行进行实验研究，提高实验数据的可靠性。
在运行燃料电池后，系统排放的废气中含有多种成分，则需要算出每种成分的排放率，一般地，燃料电池2产生的废气包括有机挥发性物质如甲醛、甲酸甲酯、甲酸等，一氧化碳或者二氧化碳。为了测出不同成分的浓度，对废气的气体浓度进行测试，包括：通过带火焰离子化检测器的气相色谱仪或气相色谱质谱联用仪或高效液相色谱系统测试有机挥发性物质的气体浓度，通过非色散红外吸附分析仪测试一氧化碳或二氧化碳的气体浓度。当然也可以采用其他性能相当的测试设备进行测量。测试时可以在采样口采集气体试样，也可以将采样口直接连接至测试设备处。其中每种气体成分的浓度为C，单位为克每升(g/L)；采样通道内气体流动速率为Fa，排气通道内气体流动速率为Fp，单位为升每小时(L/h)；则排放速率ER＝(Fa+Fp)×C，单位为克每小时(g/h)。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池废气排放测试装置，其特征在于，包括：
测试箱体(1)；
燃料电池(2)，设置在所述测试箱体(1)内；
燃料罐(3)，设置在所述测试箱体(1)外，用于向所述燃料电池(2)提供燃料；
进气装置，设置在所述测试箱体(1)上，用于向所述燃料电池(2)提供气体；
电子负载(4)，设置在所述测试箱体(1)外，且与所述燃料电池(2)相连接；
排气装置，设置在所述测试箱体(1)上，用于排出所述燃料电池(2)产生的废气；
采样装置，设置在所述测试箱体(1)上，用于抽取所述燃料电池(2)排放的废气、以对废气的气体浓度进行测试；
风速检测装置，用于测量所述排气装置和所述采样装置内的气体流动速率；
循环风机(5)，用于将所述测试箱体(1)内的气体混合均匀；
温度检测装置(6)，用于测量所述测试箱体(1)内的温度。
2.如权利要求1所述的燃料电池废气排放测试装置，其特征在于，所述排气装置包括设置在所述测试箱体(1)上的第一排气口、设置在所述第一排气口处的排气风扇和与所述第一排气口相连接的排气通道(7)；所述采样装置包括设置在所述测试箱体(1)上的第二排气口、与所述第二排气口相连接的采样通道(8)和设置在所述采样通道(8)靠近所述测试箱体(1)的一侧的采样口(9)。
3.如权利要求2所述的燃料电池废气排放测试装置，其特征在于，所述风速检测装置包括与所述排气通道(7)相连接、用于测量所述排气通道(7)内气体流动速率的第一风速传感器(10)和与所述采样通道(8)相连接、用于测量所述采样通道(8)内气体流动速率的第二风速传感器(11)。
4.如权利要求3所述的燃料电池废气排放测试装置，其特征在于，所述排气通道(7)设有用于安装所述第一风速传感器(10)的第一通孔(12)，所述第一通孔(12)的中心与所述测试箱体(1)之间的距离为所述排气通道(7)的内径的5至7倍；所述采样通道(8)设有用于安装所述第二风速传感器(11)的第二通孔(13)，所述第二通孔(13)的中心与所述测试箱体(1)之间的距离为所述采样通道(8)的内径的5至7倍。
5.如权利要求2所述的燃料电池废气排放测试装置，其特征在于，所述进气装置包括设置在所述测试箱体(1)上的进气口(14)和设置在所述进气口(14)处的进气风扇。
6.如权利要求5所述的燃料电池废气排放测试装置，其特征在于，还包括与所述进气风扇和所述排气风扇电连接、用于控制所述进气风扇和所述排气风扇的转速的控制器。
7.如权利要求1所述的燃料电池废气排放测试装置，其特征在于，所述测试箱体(1)的上端设有与所述测试箱体(1)可开合连接的箱盖(15)。
8.一种燃料电池废气排放测试方法，基于如权利要求1-7任一项所述的燃料电池废气排放测试装置，其特征在于，包括：
将燃料电池(2)、循环风机(5)和温度检测装置(6)安装在测试箱体(1)中，然后将所述燃料电池(2)与燃料罐(3)、电子负载(4)相联通，并将所述循环风机(5)、所述温度检测装置(6)与外部电源相联通；
开启进气装置，以向所述测试箱体(1)中通入清洁空气；
开启所述循环风机(5)，以将所述测试箱体(1)内的气体混合均匀；
开启排气装置，并以预设功率运行所述燃料电池(2)，运行时间为30分钟；
通过风速检测装置测量并记录采样装置内的气体流动速率Fa和所述排气装置内的气体流动速率Fp；
从所述采样装置中抽取所述燃料电池(2)排放的废气，并对废气的气体浓度进行测试和记录；
计算废气的排放速率ER，所述排放速率ER等于所述采样装置内的气体流动速率Fa与所述排气装置内的气体流动速率Fp之和乘以所述气体浓度。
9.如权利要求8所述的燃料电池废气排放测试方法，其特征在于，所述预设功率包括第一预设功率和第二预设功率，所述第一预设功率为所述燃料电池(2)额定功率的50％，所述第二预设功率为所述燃料电池(2)额定功率的100％；以预设功率运行所述燃料电池(2)，包括：依次以所述第一预设功率和所述第二预设功率运行所述燃料电池(2)各循环一次，每次运行时间均为30分钟。
10.如权利要求8所述的燃料电池废气排放测试方法，其特征在于，所述燃料电池(2)产生的废气包括有机挥发性物质，一氧化碳或二氧化碳；对废气的气体浓度进行测试，包括：通过带火焰离子化检测器的气相色谱仪或气相色谱质谱联用仪或高效液相色谱系统测试有机挥发性物质的气体浓度，通过非色散红外吸附分析仪测试一氧化碳或二氧化碳的气体浓度。
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