CN112113752A - 一种燃料电池气液分离器测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池性能测试技术领域，具体涉及一种燃料电池气液分离器测试系统和方法。该系统包括：氢气瓶、通气阀、喷雾加湿器、加热箱、气液分离器、散热器、泄压阀、循环泵、第一集水器和第二集水器；喷雾加湿器包括箱体；箱体上设有进气口、出气口和循环口；进气口和出气口在竖直方向上均高于循环口；箱体中设有雾化喷头；氢气瓶通过通气阀连通进气口；出气口依次通过加热箱、气液分离器、散热器、泄压阀和循环泵连通循环口；第一集水器的集水口连通加热箱的出气端；第二集水器的集水口连接气液分离器的排水口。本发明能够模拟出燃料电池的不同输出功率下气液分离器的实际工作环境，实现了对燃料电池气液分离器的分离效率的测试。

Description

一种燃料电池气液分离器测试系统和方法

技术领域

本发明涉及燃料电池性能测试技术领域，具体涉及一种燃料电池气液分离器测试系统和方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种通过催化剂作用将氢气的化学能转换为外部电能的发电装置，具有零排放、效率高、噪声低等优点，在交通运输领域尤其是重载、长途运输具有广阔的应用前景和绝对优势。由于燃料电池反应生成水，因此电堆反应后排出的氢气将携带一定量的液态水和水蒸气，如果氢气携带水分持续参与循环，将导致电堆阳极水淹使输出功率下降，同时在低温环境下电堆内部极易因结冰造成膜不可逆的损伤。因此，需要在电堆阳极出口增加气液分离器装置来分离出反应后气体中过量的水。

目前现有气液分离器测试系统主要是针对传统的油气分离器，还没有专门针对燃料电池汽车用气液分离器的测试方案。

因此，如何实现对燃料电池气液分离器的分离效率的测试，是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池气液分离器测试系统和方法，以实现对燃料电池气液分离器的分离效率的测试。

为实现上述目的，本发明实施例提供了以下方案：

第一方面，本发明实施例提供一种燃料电池气液分离器测试系统，包括：

氢气瓶、通气阀、喷雾加湿器、加热箱、气液分离器、散热器、泄压阀、循环泵、第一集水器和第二集水器；

所述喷雾加湿器包括箱体；所述箱体上设有进气口、出气口和循环口；所述进气口和所述出气口在竖直方向上均高于所述循环口；所述箱体中设有雾化喷头；

所述氢气瓶通过所述通气阀连通所述进气口；所述出气口依次通过所述加热箱、所述气液分离器、所述散热器、所述泄压阀和所述循环泵连通所述循环口；

所述第一集水器的集水口连通所述加热箱的出气端；所述第二集水器的集水口连接所述气液分离器的排水口。

在一种可能的实施例中，所述加热箱中设有螺旋管路和加热电阻丝；所述螺旋管路连通所述加热箱的进气端和出气端。

在一种可能的实施例中，所述箱体中还设有液位传感器，以测量所述箱体内的液位高度。

在一种可能的实施例中，所述散热器包括气体管路和冷却水管路；所述气体管路连通所述散热器的进气端和出气端；所述冷却水管路的一端依次通过水泵和储水箱连接所述冷却水管路相对的另一端。

在一种可能的实施例中，所述散热器还包括用于散热的风扇。

在一种可能的实施例中，所述第一集水器为第一计量杯；所述第一计量杯的外壁上设有第一半导体制冷片；所述第一计量杯包括密封设置的第一杯体和第一杯盖；所述第一集水器的集水口设置在所述第一杯盖上；

所述第二集水器为第二计量杯；所述第二计量杯的外壁上设有第二半导体制冷片；所述第二计量杯包括密封设置的第二杯体和第二杯盖；所述第二集水器的集水口设置在所述第二杯盖上。

在一种可能的实施例中，所述第一集水器的集水口与所述加热箱的出气端之间的管路的内壁上设有第一疏水材料涂层；所述第二集水器的集水口与所述气液分离器的排水口之间的管路的内壁上设有第二疏水材料涂层。

在一种可能的实施例中，还包括：第三集水器；

所述第三集水器的集水口连通所述散热器的出气端。

在一种可能的实施例中，还包括：调压阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第三温度传感器和流量计；

所述调压阀、所述第一压力传感器和所述第一温度传感器依次设置在所述通气阀与所述喷雾加湿器的进气口之间的管路上；

所述第二温度传感器和所述第二压力传感器依次设置在所述加热箱的出气端和所述气液分离器的进气端之间的管路上；

所述第三温度传感器设置在所述散热器的出气端和所述泄压阀之间的管路上；

所述流量计设置在所述泄压阀与所述循环泵之间的管路上。

第二方面，本发明实施例提供一种燃料电池气液分离器测试方法，所述方法应用在如第一方面任一所述的燃料电池气液分离器测试系统中；

所述方法包括：

打开通气阀，将泄压阀的泄压值调整为第一压力值，利用循环泵排出燃料电池气液分离器测试系统中的空气；

将所述泄压阀的泄压值调整为第二压力值，并将所述循环泵的转速调整为第一转速；

开启加热箱，将所述加热箱的出气端的温度加热至设定温度；

记录喷雾加湿器的箱体内的第一储水量；

开启所述喷雾加湿器的雾化喷头，开始对气液分离器进行测试；

经设定时间的测试后，记录所述喷雾加湿器的箱体内的第二储水量、第一集水器中的第三储水量和第二集水器中的第四储水量；

根据所述第一储水量Q₁、所述第二储水量Q₂、所述第三储水量Q₃和所述第四储水量Q₄，计算所述气液分离器的分离效率η，具体的计算公式为：

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明中，氢气瓶用以模拟燃料电池中的氢气，喷雾加湿器为氢气中加入水分，加热箱能够提高氢气和水分的温度，同时还能进一步减小氢气中的水分的粒径，再配合通过改变循环泵的转速，本发明能够模拟出燃料电池的不同输出功率下气液分离器的实际工作环境，实现了对燃料电池气液分离器的分离效率的测试。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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说明书的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种燃料电池气液分离器测试系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种较优的燃料电池气液分离器测试系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种燃料电池气液分离器测试方法的流程图。

附图标记说明：1为氢气瓶，2为通气阀，3为调压阀，4为第一压力传感器，5为第一温度传感器，6为喷雾加湿器，6-1为箱体，6-2为雾化喷头，6-3为液位传感器，7为加热箱，8为第二温度传感器，9为第二压力传感器，10为气液分离器，11为第三压力传感器，12为散热器，13为风扇，14为储水箱，15为水泵，16为第三温度传感器，17为泄压阀，18-1为第一集水器，18-2为第二集水器，18-3为第三集水器，19为流量计，20为循环泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

本实施例提供一种燃料电池气液分离器测试系统，请参阅图1，图1为该系统实施例的结构示意图，具体包括：

氢气瓶(1)、通气阀(2)、喷雾加湿器(6)、加热箱(7)、气液分离器(10)、散热器(12)、泄压阀(17)、循环泵(10)、第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)。

喷雾加湿器(6)包括箱体(6-1)，箱体(6-1)上设有进气口、出气口和循环口，箱体(6-1)中设有雾化喷头(6-2)，雾化喷头(6-2)能够利用超声波将所述箱体(6-1)中储存的水打碎呈小水珠，从而实现雾化的效果。进气口和出气口在竖直方向上均高于循环口。在进行测试前，需要在箱体(6-1)中注入一定量的水，将循环口液封在箱体(6-1)中，使得从散热器(12)处降温后的气体能够重新回到箱体(6-1)中，并从箱体(6-1)上的出气口重新进入到加热箱(7)中，再次参与气液分离器(10)的测试。

氢气瓶(1)通过通气阀(2)连通进气口，出气口依次通过加热箱(7)、气液分离器(10)、散热器(12)、泄压阀(17)和循环泵(10)连通循环口。

第一集水器(18-1)的集水口连通加热箱(7)的出气端，用来收集从加热箱(7)出口端流出的液态水分；第二集水器(18-2)的集水口连接气液分离器(10)的排水口，用来收集气液分离器(10)分离出的液态水分；第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)的材料均为透明材料，其外壁上设有集水器内的储水量刻度线，通过读取刻度，即可获知第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)的储水量。当然还可以在第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)中设置液位传感器(6-3)，从而直接测量第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)的储水高度，再通过第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)的外形尺寸，计算出第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)的储水量。

在一种可能的实施例中，加热箱(7)中设有螺旋管路和加热电阻丝。螺旋管路连通加热箱(7)的进气端和出气端。

其中，加热电阻丝为PTC加热电阻丝，其设置在螺旋管路的周围，以迅速提高螺旋管路内部的气体温度。

在一种可能的实施例中，所述散热器(12)还包括用于散热的风扇(13)。

在一种可能的实施例中，为了减少第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)在收集水分时的损耗，本发明还提供了以下方案：

第一集水器(18-1)为第一计量杯；第一计量杯的外壁上设有第一半导体制冷片；第一计量杯包括密封设置的第一杯体和第一杯盖；第一集水器(18-1)的集水口设置在第一杯盖上。

第二集水器(18-2)为第二计量杯；第二计量杯的外壁上设有第二半导体制冷片；第二计量杯包括密封设置的第二杯体和第二杯盖；第二集水器(18-2)的集水口设置在第二杯盖上。

本实施例在使用第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)收集水分时，利用半导体制冷片降低第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)内的温度，使从加热箱(7)出气端以及气液分离器(10)排水口排出的水分均转化为液态水，提高最后的测试精度。

在一种可能的实施例中，第一集水器(18-1)的集水口与加热箱(7)的出气端之间的管路的内壁上设有第一疏水材料涂层；第二集水器(18-2)的集水口与气液分离器(10)的排水口之间的管路的内壁上设有第二疏水材料涂层。

具体的，疏水材料可以选用含氟的非极性材料，以更好地使从加热箱(7)出气端以及气液分离器(10)排水口排出的水分均收集到第一集水器(18-1)和第二集水器(18-2)中。

这里，本发明还提供了一种较优的燃料电池气液分离器(10)测试系统，如图2所述为该较优的系统实施例的结构示意图，其在上述燃料电池气液分离器(10)测试系统结构下，还增加了以下结构：

该系统还包括：第三集水器(18-3)、调压阀(3)、第一压力传感器(4)、第一温度传感器(5)、第二温度传感器(8)、第二压力传感器(9)、第三压力传感器(11)、第三温度传感器(16)和流量计(19)；第三集水器(18-3)的集水口连通散热器(12)的出气端；调压阀(3)、第一压力传感器(4)和第一温度传感器(5)依次设置在通气阀(2)与喷雾加湿器(6)的进气口之间的管路上；第二温度传感器(8)和第二压力传感器(9)依次设置在加热箱(7)的出气端和气液分离器(10)的进气端之间的管路上；第三温度传感器(16)设置在散热器(12)的出气端和泄压阀(17)之间的管路上；流量计(19)设置在泄压阀(17)与循环泵(10)之间的管路上；箱体(6-1)中还设有液位传感器(6-3)，以测量箱体(6-1)内的液位高度；散热器(12)包括气体管路、冷却水管路和用于散热的风扇(13)；气体管路连通散热器(12)的进气端和出气端；冷却水管路的一端依次通过水泵(15)和储水箱(14)连接冷却水管路相对的另一端。

该较优的系统实施例中，将测试系统分为了如下几个系统：

供气系统：包含氢气瓶(1)、通气阀(2)、调压阀(3)和第一压力传感器(4)、第一温度传感器(5)，气瓶中储存的是高压纯氢气，一般压力为15MPa，通气阀(2)控制气源的通断，由调压阀(3)将氢气压力调节至燃料电池系统中气液分离器的入口压力，一般为2.7bara，第一压力传感器(4)和第一温度传感器(5)分别检测氢气初始压力P1和温度T1。

加热加湿系统：包含喷雾加湿器(6)和加热箱(7)，其中喷雾加湿器(6)由(6-1)箱体、(6-2)喷嘴和(6-3)液位传感器组成，通过喷嘴喷出微雾加湿氢气形成燃料电池气液分离器入口氢气、水蒸气和液态小水滴的工作环境，由液位传感器记录测试前后水箱液位变化，从而推断出总注水量。加热箱(7)内含两组PTC加热电阻丝来加热通过的湿氢气，通过调节加热功率实现气液分离器入口介质的不同温度,考虑管道壁面与外界环境的热交换，在介质进入气液分离器前管道内冷凝的水量将收集在(18-1)计量杯中。

分离系统：包含第二温度传感器(8)、第二压力传感器(9)、气液分离器(10)和第三压力传感器(11)，其中第二温度传感器(8)和第二压力传感器(9)主要监控经过加湿和加热后介质的温度T2和压力P2，第三压力传感器(11)监控经过气液分离器分离后介质的压力P3，对比气液分离器进/出口压力P2/P3得到分离器的压降ΔP，分离出的液态水存储在(18-2)计量杯中得到分离水量。

冷凝系统：包含散热器(12)风扇(13)、储水箱(14)、水泵(15)和第三温度传感器(16)，经过气液分离器(10)后的介质通过散热器(12)和风扇(13)与环境对流换热实现充分冷却，调节风扇和水泵转速使第三温度传感器(16)温度T3与第一温度传感器(5)温度T1相同，从而保持循环介质在循环前后湿度条件保持一致，气液分离器未完全分离的液态水量收集在计量杯(18-3)中。

循环系统：包含泄压阀(17)、流量计(19)和循环泵(20)，在管路中安装泄压阀(17)防止管路超压，设定泄放压力为3bara(依据气液分离器工作压力可调)，经过冷却后的氢气通过循环泵(19)进入喷雾加湿器(6)继续参与循环提高测试装置的经济性和可靠性，在循环管路上安装流量计(19)来读取经过气液分离器的氢气流量q，通过调节循环泵的转速测试不同氢气流量下气液分离器分离效果。

利用以上测试系统可以实现以下优点：

1、通过对氢气进行加热和加湿，可以实现气液分离器在实际燃料电池系统中的相似工作条件，更准确的测试气液分离器的分离效率和压降；

2、通过调节循环泵转速，可以测试不同流量下分离器的压降和分离水量，从而为燃料电池系统排水阀开启时间和频率提供标定数据；

3、氢气循环利用，降低测试装置的测试成本，同时防止氢气排放造成安全隐患；

4、调节水泵(15)和风扇(13)转速，使第三温度传感器(16)温度T3与第二温度传感器(8)温度T2保持一致，从而保证了循环前后氢气湿度条件一致。

如图3所示为本发明实施例提供的一种燃料电池气液分离器测试方法的流程图，该方法包括：

步骤1，打开通气阀，将泄压阀的泄压值调整为第一压力值，利用循环泵排出燃料电池气液分离器测试系统中的空气。

在进行排空气操作之前，需要检查各零部件本体及连接处气密性。第一压力值的取值较小，使得循环泵能够利用氢气将管路中的空气吹扫出去。

步骤2，将所述泄压阀的泄压值调整为第二压力值，并将所述循环泵的转速调整为第一转速。

第二压力值大于第一压力值，本实施例中将第二压力值设为3bara，当泄压阀处的的气压大于3bara时，泄压阀将打开，降低管路内的压力，保证测试的安全进行。

通过改变第一转速的值，重复步骤1至步骤7，即可获得多个流速下气液分离器的分离效率，从而测试出燃料电池在不同输出功率下气液分离器的分离效率。

步骤3，开启加热箱，将所述加热箱的出气端的温度加热至设定温度。

步骤4，记录喷雾加湿器的箱体内的第一储水量。

步骤5，开启所述喷雾加湿器的雾化喷头，开始对气液分离器进行测试。

步骤6，经设定时间的测试后，记录所述喷雾加湿器的箱体内的第二储水量、第一集水器中的第三储水量和第二集水器中的第四储水量。

步骤7，根据所述第一储水量Q₁、所述第二储水量Q₂、所述第三储水量Q₃和所述第四储水量Q₄，计算所述气液分离器的分离效率η，具体的计算公式为：

本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例中，氢气瓶用以模拟燃料电池中的氢气，喷雾加湿器为氢气中加入水分，加热箱能够提高氢气和水分的温度，同时还能进一步减小氢气中的水分的粒径，再配合通过改变循环泵的转速，本发明实施例能够模拟出燃料电池的不同输出功率下气液分离器的实际工作环境，实现了对燃料电池气液分离器的分离效率的测试。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃料电池气液分离器测试系统，其特征在于，包括：

氢气瓶、通气阀、喷雾加湿器、加热箱、气液分离器、散热器、泄压阀、循环泵、第一集水器和第二集水器；

所述喷雾加湿器包括箱体；所述箱体上设有进气口、出气口和循环口；所述进气口和所述出气口在竖直方向上均高于所述循环口；所述箱体中设有雾化喷头；

所述氢气瓶通过所述通气阀连通所述进气口；所述出气口依次通过所述加热箱、所述气液分离器、所述散热器、所述泄压阀和所述循环泵连通所述循环口；

所述第一集水器的集水口连通所述加热箱的出气端；所述第二集水器的集水口连接所述气液分离器的排水口。

2.根据权利要求1所述的燃料电池气液分离器测试系统，其特征在于，所述加热箱中设有螺旋管路和加热电阻丝；所述螺旋管路连通所述加热箱的进气端和出气端。

3.根据权利要求1所述的燃料电池气液分离器测试系统，其特征在于，所述箱体中还设有液位传感器，以测量所述箱体内的液位高度。

4.根据权利要求1所述的燃料电池气液分离器测试系统，其特征在于，所述散热器包括气体管路和冷却水管路；所述气体管路连通所述散热器的进气端和出气端；所述冷却水管路的一端依次通过水泵和储水箱连接所述冷却水管路相对的另一端。

5.根据权利要求4所述的燃料电池气液分离器测试系统，其特征在于，所述散热器还包括用于散热的风扇。

6.根据权利要求1所述的燃料电池气液分离器测试系统，其特征在于，所述第一集水器为第一计量杯；所述第一计量杯的外壁上设有第一半导体制冷片；所述第一计量杯包括密封设置的第一杯体和第一杯盖；所述第一集水器的集水口设置在所述第一杯盖上；

所述第二集水器为第二计量杯；所述第二计量杯的外壁上设有第二半导体制冷片；所述第二计量杯包括密封设置的第二杯体和第二杯盖；所述第二集水器的集水口设置在所述第二杯盖上。

7.根据权利要求6所述的燃料电池气液分离器测试系统，其特征在于，所述第一集水器的集水口与所述加热箱的出气端之间的管路的内壁上设有第一疏水材料涂层；所述第二集水器的集水口与所述气液分离器的排水口之间的管路的内壁上设有第二疏水材料涂层。

8.根据权利要求1所述的燃料电池气液分离器测试系统，其特征在于，还包括：第三集水器；

所述第三集水器的集水口连通所述散热器的出气端。

9.根据权利要求1所述的燃料电池气液分离器测试系统，其特征在于，还包括：调压阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第三温度传感器和流量计；

所述调压阀、所述第一压力传感器和所述第一温度传感器依次设置在所述通气阀与所述喷雾加湿器的进气口之间的管路上；

所述第二温度传感器和所述第二压力传感器依次设置在所述加热箱的出气端和所述气液分离器的进气端之间的管路上；

所述第三温度传感器设置在所述散热器的出气端和所述泄压阀之间的管路上；

所述流量计设置在所述泄压阀与所述循环泵之间的管路上。

10.一种燃料电池气液分离器测试方法，其特征在于，所述方法应用在如权利要求1至9任一所述的燃料电池气液分离器测试系统中；

所述方法包括：

打开通气阀，将泄压阀的泄压值调整为第一压力值，利用循环泵排出燃料电池气液分离器测试系统中的空气；

将所述泄压阀的泄压值调整为第二压力值，并将所述循环泵的转速调整为第一转速；

开启加热箱，将所述加热箱的出气端的温度加热至设定温度；

记录喷雾加湿器的箱体内的第一储水量；

开启所述喷雾加湿器的雾化喷头，开始对气液分离器进行测试；

经设定时间的测试后，记录所述喷雾加湿器的箱体内的第二储水量、第一集水器中的第三储水量和第二集水器中的第四储水量；

根据所述第一储水量Q₁、所述第二储水量Q₂、所述第三储水量Q₃和所述第四储水量Q₄，计算所述气液分离器的分离效率η，具体的计算公式为：

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