CN112068001A - 一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统，手动减压阀、过滤器、电动减压阀、质量流量控制器、电磁阀、混配罐、背压阀、汽水分离器和压力传感器等主要零部件组成的空气进气支路、氧气进气支路、氮气进气支路、氢气进气支路、杂质气体进气支路以及氧侧尾排支路和氢侧尾排支路，本发明通过混配罐可实现阴阳极不同气体成分的组合，如阴极氧气、空气和氮气不同比例的组合模拟高原缺氧环境或密闭空间富氧环境，阳极氢气和不同杂质气体的组合以模拟甲醇重整制氢、水解制氢等不同组分的氢源；本发明在阴阳极尾排管路上设置了一大一小两路尾排管，以保证尾排脉冲排放的精度和氮气大流量吹扫的有效性。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池测试台技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的先进发电装置，是当前最具潜力的氢能应用方式。该发电装置具有环境友好、振动与噪音小、能量密度高、能量转换效率高、功率组合灵活等诸多优点。
燃料电池测试台用于测试燃料电池电堆本体的电性能，以评价电堆的密封性能、热管理、电性能等，具体包括：通过对气体流量、气体湿度、气体压力、冷却水流量、电堆工作温度和冷却水温度等关键参数的精确控制，测量在不同条件下电压-电流曲线，功率-电流曲线和单片电压，也可进行恒电流、恒电压、恒功率、电流阶梯或斜坡、实时工况模拟等测试。其中燃料电池测试台进气系统一般用于精准控制进入燃料电池电堆反应气和吹扫气的压力、流量等参数，燃料电池测试台尾排系统一般用于实现燃料电池电堆尾排死端脉冲排放和敞口连续排放。
目前质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统的主要问题有：进气系统单一，没有成分调配功能；尾排系统无法同时满足死端脉冲排放的精度要求和大流量吹扫功能。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统，包括进气支路和尾排支路，所述的进气支路由空气进气支路、氧气进气支路、氮气进气支路、氢气进气支路以及杂质气体进气支路组成，所述的尾排支路由氧侧尾排支路和氢侧尾排支路组成；所述的空气进气支路包括手动减压阀，所述的手动减压阀进口端通过连接管与外部空气管道相连，出口端依次连接压力传感器、过滤器、质量流量控制器、电磁阀和第一混配罐，其中过滤器后侧还并联小流量质量流量控制器和电磁阀到第一混配罐，以满足空气全量程范围内流量控制精度的要求；所述的氧气进气支路包括手动减压阀，所述的手动减压阀进口端通过连接管与外部氧气管道相连，出口端依次连接压力传感器、过滤器、电动减压阀、质量流量控制器、电磁阀和第一混配罐，其中过滤器之后还并联小流量质量流量控制器和电磁阀到第一混配罐，以满足氧气全量程范围内流量控制精度的要求；所述的氮气进气支路包括手动减压阀，所述的手动减压阀进口端通过连接管与外部氮气管道相连，出口端依次连接压力传感器、过滤器、质量流量控制器、电磁阀和第一混配罐，其中过滤器之后还并联质量流量控制器和电磁阀到第二混配罐，以满足阳极侧氮气吹扫和混合成分的需要；所述的氢气进气支路包括手动减压阀，所述的手动减压阀进口端通过连接管与外部氢气管道相连，出口端依次连接压力传感器、过滤器、电动减压阀、质量流量控制器、电磁阀和第二混配罐，其中过滤器之后还并联小流量质量流量控制器和电磁阀到第二混配罐，以满足氢气全量程范围内流量控制精度的要求；所述的杂质气体进气支路包括手动减压阀，所述的手动减压阀进口端通过连接管与外部杂质气管道相连，出口端依次连接压力传感器、过滤器、质量流量控制器、电磁阀和第二混配罐，其中过滤器之后还并联小流量质量流量控制器和电磁阀到第二混配罐，以满足杂质气全量程范围内流量控制精度的要求；所述进气支路中的第一混配罐将空气、氧气和氮气根据需求混配后通过电磁阀连接阴极增湿模块直到燃料电池电堆，并通过电磁阀连接阴极的尾排支路；所述进气支路中的第二混配罐将氢气、杂质气和氮气根据需求混配后通过电磁阀连接阳极增湿模块直到燃料电池电堆，并通过电磁阀连接阳极的尾排支路；所述的氧侧尾排支路包括小口径电磁阀，所述的小口径电磁阀进口端通过连接管与燃料电池电堆阴极测尾排出口端相连以实现精准的死端脉冲排放，出口端连接汽水分离器，其中小口径电磁阀进口管路上还设有压力传感器，小口径电磁阀并联的管路上还设有背压阀以实现敞口连续排放，汽水分离器出口管路上还设有电磁阀用来排水；所述的氢侧尾排支路包括小口径电磁阀，所述的小口径电磁阀进口端通过连接管与燃料电池电堆阳极测尾排出口端相连以实现精准的死端脉冲排放，出口端连接汽水分离器，其中小口径电磁阀进口管路上还设有压力传感器，小口径电磁阀并联的管路上还设有背压阀以实现敞口连续排放，汽水分离器出口管路上还设有电磁阀用来排水。
所述的一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统，尾排支路中的小口径电磁阀并联的管路上还设有大口径电磁阀以满足阴极侧和阳极侧大流量氮气吹扫需要。
所述的一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统，其小口径电磁阀进口管路上还设有压力传感器，小口径电磁阀并联的管路上还设有背压阀以实现敞口连续排放，汽水分离器出口管路上还设有电磁阀用来排水。
本发明的有益效果是：
1，通过混配罐可实现阴阳极不同气体成分的组合，如阴极氧气、空气和氮气不同比例的组合模拟高原缺氧环境或密闭空间富氧环境，阳极氢气和不同杂质气体的组合以模拟甲醇重整制氢、水解制氢等不同氢源；
2，在阴阳极尾排管路上设置了一大一小两路死端脉冲排放管路，以保证其脉冲排放的精度和大流量吹扫的有效性。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图中标记说明：1～5—手动减压阀，6～10—过滤器，11/12—电动减压阀，13/15/17/18/19/21—质量流量控制器，14/16/20/22—小流量质量流量控制器，23～32/35～38/47/48—电磁阀， 39/42—小口径电磁阀，40/41—大口径电磁阀，33—第一混配罐，34—第二混配罐，43/44—背压阀，45/46—汽水分离器，49～55—压力传感器。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明如下：
如图1所示，本发明公开了一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统，包括进气支路和尾排支路；其中所述的进气支路由空气进气支路、氧气进气支路、氮气进气支路、氢气进气支路以及杂质气体进气支路组成，所述的尾排支路由氧侧尾排支路和氢侧尾排支路组成。
所述的质子交换膜燃料电池测试台进气支路包括手动减压阀1、手动减压阀2、手动减压阀3、手动减压阀4、手动减压阀5，过滤器6、过滤器7、过滤器8、过滤器9、过滤器10，电动减压阀11、电动减压阀12，质量流量控制器13、小流量质量流量控制器14、质量流量控制器15、小流量质量流量控制器16、质量流量控制器17、质量流量控制器18、质量流量控制器19、小流量质量流量控制器20、质量流量控制器21、小流量质量流量控制器22，电磁阀23、电磁阀24、电磁阀25、电磁阀26、电磁阀27、电磁阀28、电磁阀29、电磁阀30、电磁阀31、电磁阀32、电磁阀35、电磁阀36、电磁阀37、电磁阀38，第一混配罐33、第二混配罐34，压力传感器49、压力传感器50、压力传感器51、压力传感器52、压力传感器53。
所述的手动减压阀1进口端通过连接管与外部空气管道相连，出口端依次连接压力传感器49、过滤器6、质量流量控制器13、电磁阀23和第一混配罐33，其中过滤器6后侧还并联小流量质量流量控制器14和电磁阀24到第一混配罐33，用以满足空气全量程范围内流量控制精度的要求。
所述的手动减压阀2进口端通过连接管与外部氧气管道相连，出口端依次连接压力传感器50、过滤器7、电动减压阀11、质量流量控制器15、电磁阀25和第一混配罐33，其中过滤器7之后还并联小流量质量流量控制器16和电磁阀26到第一混配罐33，用以满足氧气全量程范围内流量控制精度的要求。
所述的手动减压阀3进口端通过连接管与外部氮气管道相连，出口端依次连接压力传感器51、过滤器8、质量流量控制器17、电磁阀27和第一混配罐33，其中过滤器8之后还并联质量流量控制器18和电磁阀28到第二混配罐34，用以满足阳极侧氮气吹扫和混合成分的需要。
所述的手动减压阀4进口端通过连接管与外部氢气管道相连，出口端依次连接压力传感器52、过滤器9、电动减压阀12、质量流量控制器19、电磁阀29和第二混配罐34，其中过滤器9之后还并联小流量质量流量控制器20和电磁阀30到第二混配罐34，用以满足氢气全量程范围内流量控制精度的要求。
所述的手动减压阀5进口端通过连接管与外部杂质气管道相连，出口端依次连接压力传感器53、过滤器10、质量流量控制器21、电磁阀31和第二混配罐34，其中过滤器10之后还并联小流量质量流量控制器22和电磁阀32到第二混配罐34，用以满足杂质气全量程范围内流量控制精度的要求。
所述进气支路中的第一混配罐33将空气、氧气和氮气根据需求混配后通过电磁阀36连接阴极增湿模块直到燃料电池电堆，并通过电磁阀35连接阴极的尾排支路；所述进气支路中的第二混配罐34将氢气、杂质气和氮气根据需求混配后通过电磁阀37连接阳极增湿模块直到燃料电池电堆，并通过电磁阀38连接阳极的尾排支路。
在测试前，根据测试需要确定阴阳极反应气的成分。
如为常规氢空测试，则阴极启用手动减压阀1之后的空气支路，阳极启用手动减压阀4之后的氢气支路。
如为氢氧测试，则阴极启用手动减压阀2之后的氧气支路，阳极启用手动减压阀4之后的氢气支路。
如为非常规反应气测试，则阴极启用手动减压阀1之后的空气支路、手动减压阀2之后的氧气支路、手动减压阀3之后的氮气支路，并通过调节质量流量控制器13、小流量质量流量控制器14、质量流量控制器15、小流量质量流量控制器16、质量流量控制器17来实现具体的阴极氧化剂组分；阳极启用手动减压阀4之后的氢气支路、手动减压阀5之后的杂质气支路、手动减压阀3之后的氮气支路，并通过调节质量流量控制器18、质量流量控制器19、小流量质量流量控制器20、质量流量控制器21、小流量质量流量控制器22来实现具体的阳极燃料组分。
所述的质子交换膜燃料电池测试台尾排支路包括小口径电磁阀39、大口径电磁阀40、大口径电磁阀41、小口径电磁阀42、电磁阀47、电磁阀48，背压阀43、背压阀44，汽水分离器45、汽水分离器46，压力传感器54、压力传感器55。
所述的小口径电磁阀39进口端通过连接管与燃料电池电堆阴极测尾排出口端相连以实现精准的死端脉冲排放，出口端连接汽水分离器45，其中小口径电电磁阀39进口管路上还设有压力传感器54，小口径电电磁阀39并联的管路上还设有背压阀43以实现敞口连续排放，汽水分离器45出口管路上还设有电磁阀47用来排水。
所述的小口径电磁阀42进口端通过连接管与燃料电池电堆阳极测尾排出口端相连以实现精准的死端脉冲排放，出口端连接汽水分离器46，其中小口径电磁阀42进口管路上还设有压力传感器55，小口径电磁阀42并联的管路上还设有背压阀44以实现敞口连续排放，汽水分离器46出口管路上还设有电磁阀48用来排水。
所述的小口径电电磁阀39并联的管路上还设有大口径电磁阀40以满足阴极侧大流量氮气吹扫需要，小口径电磁阀42并联的管路上还设有大口径电磁阀41以满足阳极侧大流量氮气吹扫需要。
所述的小口径电磁阀39进口管路上还设有压力传感器54，小口径电磁阀39并联的管路上还设有背压阀43以实现敞口连续排放，汽水分离器45出口管路上还设有电磁阀47用来排水。
在测试过程中根据需要切换不同的尾排模式。
如为死端脉冲排放模式，启用小口径电磁阀39和小口径电磁阀42之后的尾排支路，通过调节小口径电磁阀39和小口径电磁阀42的开闭时间和间隔精准控制尾排量。
如为敞口连续排放模式，启用背压阀43和背压阀44之后的尾排支路，通过调节背压阀43和背压阀44控制尾排敞口压力，通过上游对应的进气系统中的质量流量控制器控制反应气流量。
如为吹扫模式，启用大口径电磁阀40和大口径电磁阀41之后的尾排支路，通过控制大口径电磁阀40和大口径电磁阀41实现大流量氮气吹扫。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统，其特征在于：包括空气进气支路、氧气进气支路、氮气进气支路、氢气进气支路、杂质气体进气支路以及氧侧尾排支路和氢侧尾排支路；
所述的空气进气支路包括手动减压阀（1），所述的手动减压阀（1）进口端通过连接管与外部空气管道相连，出口端依次连接压力传感器（49）、过滤器（6）、质量流量控制器（13）、电磁阀（23）和第一混配罐（33），其中过滤器（6）后侧还并联小流量质量流量控制器（14）和电磁阀（24）到第一混配罐（33），以满足空气全量程范围内流量控制精度的要求；
所述的氧气进气支路包括手动减压阀（2），所述的手动减压阀（2）进口端通过连接管与外部氧气管道相连，出口端依次连接压力传感器（50）、过滤器（7）、电动减压阀（11）、质量流量控制器（15）、电磁阀（25）和第一混配罐（33），其中过滤器（7）之后还并联小流量质量流量控制器（16）和电磁阀（26）到第一混配罐（33），以满足氧气全量程范围内流量控制精度的要求；
所述的氮气进气支路包括手动减压阀（3），所述的手动减压阀（3）进口端通过连接管与外部氮气管道相连，出口端依次连接压力传感器（51）、过滤器（8）、质量流量控制器（17）、电磁阀（27）和第一混配罐（33），其中过滤器（8）之后还并联质量流量控制器（18）和电磁阀（28）到第二混配罐（34），以满足阳极侧氮气吹扫和混合成分的需要；
所述的氢气进气支路包括手动减压阀（4），所述的手动减压阀（4）进口端通过连接管与外部氢气管道相连，出口端依次连接压力传感器（52）、过滤器（9）、电动减压阀（12）、质量流量控制器（19）、电磁阀（29）和第二混配罐（34），其中过滤器（9）之后还并联小流量质量流量控制器（20）和电磁阀（30）到第二混配罐（34），以满足氢气全量程范围内流量控制精度的要求；
所述的杂质气体进气支路包括手动减压阀（5），所述的手动减压阀（5）进口端通过连接管与外部杂质气管道相连，出口端依次连接压力传感器（53）、过滤器（10）、质量流量控制器（21）、电磁阀（31）和第二混配罐（34），其中过滤器（10）之后还并联小流量质量流量控制器（22）和电磁阀（32）到第二混配罐（34），以满足杂质气全量程范围内流量控制精度的要求；
所述的第一混配罐（33）将空气、氧气和氮气根据需求混配后通过电磁阀（36）连接阴极增湿模块直到燃料电池电堆，并通过电磁阀（35）连接阴极的尾排支路；所述进的第二混配罐（34）将氢气、杂质气和氮气根据需求混配后通过电磁阀（37）连接阳极增湿模块直到燃料电池电堆，并通过电磁阀（38）连接阳极的尾排支路；
所述的氧侧尾排支路包括小口径电磁阀（39），所述的小口径电磁阀（39）进口端通过连接管与燃料电池电堆阴极测尾排出口端相连以实现精准的死端脉冲排放，出口端连接汽水分离器（45），其中小口径电磁阀（39）进口管路上还设有压力传感器（54），小口径电磁阀（39）并联的管路上还设有背压阀（43）以实现敞口连续排放，汽水分离器（45）出口管路上还设有电磁阀（47）用来排水；
所述的氢侧尾排支路包括小口径电磁阀（42），所述的小口径电磁阀（42）进口端通过连接管与燃料电池电堆阳极测尾排出口端相连以实现精准的死端脉冲排放，出口端连接汽水分离器（46），其中小口径电磁阀（42）进口管路上还设有压力传感器（55），小口径电磁阀（42）并联的管路上还设有背压阀（44）以实现敞口连续排放，汽水分离器（46）出口管路上还设有电磁阀（48）用来排水。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统，其特征在于，所述的小口径电磁阀（39）并联的管路上还设有大口径电磁阀（40）以满足阴极侧大流量氮气吹扫需要。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统，其特征在于，所述的电磁阀（42）并联的管路上还设有大口径电磁阀（41）以满足阳极侧大流量氮气吹扫需要。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池测试台进气和尾排系统，其特征在于，所述的小口径电磁阀（39）进口管路上还设有压力传感器（54），小口径电磁阀（39）并联的管路上还设有背压阀（43）以实现敞口连续排放，汽水分离器（45）出口管路上还设有电磁阀（47）用来排水。
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