CN112761937B - 一种氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置及测试方法，包括电堆模拟单元、氢气供应单元、气体排放单元、测试单元进气支路、测试单元出气支路、控制装置及供电装置；该装置可以模拟氢泵在燃料电池发动机系统中的真实工作环境，通过改变压力控制器的设定值，模拟氢泵在燃料电池发动机系统中所处的真实工作压力环境；通过增湿装置可以模拟经电堆后氢气的湿度变化，测试氢泵的介质为气液二相时对氢泵性能的影响；通过改变氢泵出口的背压阀，调节氢泵的出口压力，模拟同一转速下，氢泵在不同进出口压差下的流量变化。

Description

一种氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于氢燃料电池测试领域，尤其是涉及一种氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置及测试方法。

背景技术

供氢系统作为燃料电池的核心子系统之一，不仅为燃料电池提供稳定、高纯度的氢气流量，还起着燃料电池内部阳极侧水管理的功能。在燃料电池系统运行过程中，阴极侧产生的水会一直反渗透到阳极侧，因此，燃料电池阳极侧的水管理对燃料电池的性能起着至关重要的作用。燃料电池氢泵作为燃料电池供氢系统的核心部件，其作用是将电堆出口的过饱和氢气循环输送至电堆入口为电堆入口的干燥氢气进行加湿，具有响应迅速，调节范围广的特点。通过氢泵的使用，实现了燃料电池内部氢气的循环利用，有利于燃料电池内部水平衡管理，提高了氢气利用率。

氢泵在燃料电池发动机系统中实际应用中，随着电堆工况的变化，氢泵的转速、入口压力、进出口压差以及氢气介质的相对湿度也会发生变化。因此，单纯的进行氢泵转速流量测试，不能够真实地反映氢泵在发动机系统上的工作性能。因此，系统集成商及主机厂在进行氢泵的选型匹配时，往往需要在实际的发动机系统上进行反复的验证测试，既加重了企业负担，又增加了系统开发周期。而且在实际的发动机系统中进行循环泵的匹配测试，入口压力波动和干湿循环极易造成电堆寿命和性能的衰减。因此，进行能够贴近氢泵真实工作环境的氢泵匹配测试装置及测试方法的开发研究对于氢燃料电池行业的发展具有十分重大的研究意义。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提出了一种氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置及测试方法，可以通过模拟氢泵在发动机中真实的工作环境，安全可靠地进行氢泵性能的测试。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，包括电堆模拟单元、氢气供应单元、气体排放单元、测试单元进气支路、测试单元出气支路、控制装置及供电装置；

所述电堆模拟单元包括顺次连接的增湿装置及电堆容积模拟单元；增湿装置的入口通过管路与氢气供应单元出气端连接，增湿装置的作用是对氢气进行增湿，模拟氢气经过燃料电池后的湿度变化；电堆容积模拟单元的出气端与排气单元的进气端连接，电堆容积模拟单元用于模拟电堆型腔，同时起到压力缓冲的作用，避免气体压力波动对测试数据的影响；

所述氢气供应单元的出气端与所述电堆模拟单元的进气端连接，所述氢气供应单元用于为所述电堆模拟单元提供可调节压力的氢气；

所述气体排放单元的进气端与所述电堆模拟单元的出气端连接；气体排放单元用于在测试结束或者测试装置出现超压故障时排气泄压；

所述测试单元进气支路包括顺次连接的汽水分离器、进口压力传感器，所述汽水分离器的进口一侧与所述电堆模拟单元和所述排气单元之间的管路连接，所述进气压力传感器的出口一侧与待测氢泵的入口端连接；

汽水分离器用于将模拟电堆单元出口的过饱和氢气中的液态水进行分离；进口压力传感器用于检测待测氢泵入口的压力值；

所述测试单元出气支路包括顺次连接的出口压力传感器、背压阀及氢气流量计，所述出口压力传感器的进口一侧与待测氢泵的出口端连接，所述氢气流量计的出口一侧与所述氢气供应单元和所述电堆模拟单元之间的管路连接；

出口压力传感器用于检测待测氢泵出口的压力值；背压阀用于调节待测氢泵的出口的背压压力；氢气流量计用于测量待测氢泵的出口流量。

进一步的，所述氢气供应单元包括顺次连接的主电磁阀和压力控制器，所述主电磁阀的进口端通过管路与氢气源连接，所述压力控制器通过管路与所述电堆模拟单元的进气端连接；

主电磁阀在紧急情况或者非使用状态时，可切断测试装置与氢气源的连接；压力控制器可控制压力控制器出口的压力值，使待测氢泵的入口压力为压力控制器的设定值，模拟氢泵在燃料电池发动机系统中的实际压力环境。

进一步的，所述气体排放单元包括顺次连接的排气电磁阀和阻火阀，所述排气电磁阀的进口端与所述电堆容积模拟单元的出气端连接；

排气电磁阀的作用是在测试结束或者测试装置出现超压故障时，进行排气泄压；阻火阀的作用是在氢气排放的过程中避免发生安全风险。

进一步的，所述气体排放单元还包括与所述排气电磁阀并联设置的手阀；手阀可在断电等原因造成的排气电磁阀无法正常打开时，进行手动排气泄压。

进一步的，所述测试单元进气支路还包括设于所述汽水分离器和所述进口压力传感器之间的进口温度传感器；

进口温度传感器用于检测待测氢泵入口的温度值。

进一步的，所述测试单元出气支路还包括设于所述出口压力传感器和所述背压阀之间的出口温度传感器；

出口温度传感器用于检测待测氢泵出口的温度值。

进一步的，所述控制装置与所述电堆模拟单元、所述氢气供应单元、所述气体排放单元、所述测试单元进气支路、所述测试单元出气支路连接；

控制装置用来控制测试装置中各部分的启停运转，如控制装置可控制压力控制器使压力控制器的出口压力达到压力设定值；控制背压阀使氢泵出口背压达到设定压力值；控制排气电磁阀的开启进行系统排气。

进一步的，所述供电装置为所述控制装置、所述电堆模拟单元、所述氢气供应单元、所述气体排放单元、所述测试单元进气支路、所述测试单元出气支路供电；

供电装置可为测试装置的各部分供电，如为主电磁阀、压力控制器、氢气流量计、背压阀、增湿装置、排气电磁阀供电。

一种氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置的测试方法，包括如下步骤：

(1)根据被测氢泵应用场景确定压力控制器的目标压力，及增湿装置的氢气相对湿度设定值；

(2)根据被测氢泵的进出口压差范围、流量范围、转速范围、功率范围信息，确定被测氢泵的多个转速测试工况点；

(3)通过控制装置打开主电磁阀，压力控制器设置到目标值，按照转速测试工况点，将被测氢泵加载至测试转速，通过背压阀调节被测氢泵出口压力，测试该转速下，不同进出口压差下，被测氢泵的流量变化；

(4)改变被测氢泵转速，改变压力控制器出口目标压力值，通过背压阀调节氢泵出口压力，测试该转速下，不同进出口压差下，氢泵的流量变化。

进一步的，所述步骤(2)中选取的转速测试工况点，覆盖被测氢泵的最低转速和最高转速，在最低转速和最高转速之间以不小于500rpm的间隔，再选取多个工况点；

所述步骤(3)中通过背压阀调节被测氢泵出口压力，被测氢泵出口压力变化点的数量不少于5个，在局部流量、进出口压差变化剧烈区域增加测试点数量。

相对于现有技术，本发明所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置及测试方法具有以下优势：

(1)本发明所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置可安全可靠地进行氢泵工作特性的测试，该装置可以模拟氢泵在燃料电池发动机系统中的真实工作环境，通过改变压力控制器的设定值，模拟氢泵在燃料电池发动机系统中所处的真实工作压力环境；通过增湿装置可以模拟经电堆后氢气的湿度变化，测试氢泵的介质为气液二相时对氢泵性能的影响；通过改变氢泵出口的背压阀，调节氢泵的出口压力，模拟同一转速下，氢泵在不同进出口压差下的流量变化。

(2)本发明所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试方法，能够快速安全可靠地完成氢泵基本特性的测试，同时也能进行氢泵与燃料电池发动机系统的匹配开发测试工作。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-电堆模拟单元；11-增湿装置；12-电堆容积模拟单元；

2-氢气供应单元；21-主电磁阀；22-压力控制器；

3-气体排放单元；31-排气电磁阀；32-阻火阀；33-手阀；

4-测试单元进气支路；41-汽水分离器；42-进口温度传感器；43-进口压力传感器；

5-测试单元出气支路；51-出口压力传感器；52-出口温度传感器；53-背压阀；54-氢气流量计；

6-控制装置；

7-供电装置；

8-氢泵。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，包括电堆模拟单元1、氢气供应单元2、气体排放单元3、测试单元进气支路4、测试单元出气支路5、控制装置6及供电装置7；

其中，电堆模拟单元1包括顺次连接的增湿装置11及电堆容积模拟单元12，增湿装置11的入口通过管路与氢气供应单元2出气端连接，电堆容积模拟单元12的出气端与排气单元3的进气端连接；

氢气供应单元2包括顺次连接的主电磁阀21和压力控制器22，主电磁阀21的进口端通过管路与氢气源连接，压力控制器22通过管路与增湿装置11的入口连接；

气体排放单元3包括顺次连接的排气电磁阀31和阻火阀32，以及与排气电磁阀31并联设置的手阀33，排气电磁阀31的进口端与电堆容积模拟单元12的出气端连接，手阀33的进口端也与电堆容积模拟单元12的出气端连接，手阀33的出口端通过管路与排气电磁阀31和阻火阀32之间的管路连接；

测试单元进气支路4包括顺次连接的汽水分离器41、进口温度传感器42、进口压力传感器43，汽水分离器41的进口一侧与电堆模拟单元1和排气单元3之间的管路连接，进口压力传感器43的出口一侧与待测氢泵8的入口端连接；

测试单元出气支路5包括顺次连接的出口压力传感器51、出口温度传感器52、背压阀53及氢气流量计54，出口压力传感器51的进口一侧与待测氢泵8的出口端连接，氢气流量计54的出口一侧与氢气供应单元2和电堆模拟单元1之间的管路连接；

控制装置6与电堆模拟单元1、氢气供应单元2、气体排放单元3、测试单元进气支路4、测试单元出气支路5连接；控制装置6用来控制测试装置中各部分的启停运转，如控制装置6可控制压力控制器22使压力控制器22的出口压力达到压力设定值；控制背压阀53使氢泵8出口背压达到设定压力值；控制排气电磁阀31的开启进行系统排气；

供电装置7为控制装置6、电堆模拟单元1、氢气供应单元2、气体排放单元3、测试单元进气支路4、测试单元出气支路5供电；供电装置7可为测试装置的各部分供电，如为主电磁阀21、压力控制器22、氢气流量计54、背压阀53、增湿装置11、排气电磁阀31供电。

本发明所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置的工作过程如下：试验时，首先通过控制装置6打开主电磁阀21，根据测试工况，通过控制装置6设定压力控制器22后的出口压力值和背压阀53的背压值，并根据测试工况控制增湿装置11出口的氢气相对湿度，通过氢气流量计54记录氢泵8的流量。根据设计工况，可以改变压力控制器22的出口压力、背压阀53的背压值以及增湿装置11后氢气的相对湿度，进行氢泵8不同转速下，不同背压和不同入口压力下的性能测试。

采用如图1所示的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置的测试方法，包括如下步骤：

(1)根据被测氢泵8应用场景确定压力控制器22的目标压力，及增湿装置11的氢气相对湿度设定值；

(2)根据被测氢泵8的进出口压差范围、流量范围、转速范围、功率范围信息，确定被测氢泵8的多个转速测试工况点，选取的转速测试工况点需覆盖被测氢泵8的最低转速和最高转速，在最低转速和最高转速之间以不小于500rpm的间隔，再选取多个工况点；

(3)通过控制装置6打开主电磁阀21，压力控制器22设置到目标值，按照转速测试工况点，将被测氢泵8加载至测试转速，通过背压阀53调节被测氢泵8出口压力，测试该转速下，不同进出口压差下，被测氢泵8的流量变化；被测氢泵8出口压力变化点的数量不少于5个，在局部流量、进出口压差变化剧烈区域增加测试点数量；

(4)改变被测氢泵8转速，改变压力控制器22出口目标压力值，通过背压阀53调节氢泵8出口压力，测试该转速下，不同进出口压差下，氢泵8的流量变化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，其特征在于：包括电堆模拟单元、氢气供应单元、气体排放单元、测试单元进气支路、测试单元出气支路、控制装置及供电装置；

所述电堆模拟单元包括顺次连接的增湿装置及电堆容积模拟单元；电堆容积模拟单元的出气端与气体排放单元的进气端连接，电堆容积模拟单元用于模拟电堆型腔，同时起到压力缓冲的作用，避免气体压力波动对测试数据的影响；

所述氢气供应单元的出气端与所述电堆模拟单元的进气端连接，所述氢气供应单元用于为所述电堆模拟单元提供可调节压力的氢气；所述氢气供应单元包括顺次连接的主电磁阀和压力控制器，所述主电磁阀的进口端通过管路与氢气源连接，所述压力控制器通过管路与所述电堆模拟单元的进气端连接；

所述气体排放单元的进气端与所述电堆模拟单元的出气端连接；

所述测试单元进气支路包括顺次连接的汽水分离器、进口压力传感器，所述汽水分离器的进口一侧与所述电堆模拟单元和所述气体排放单元之间的管路连接，所述进口压力传感器的出口一侧与待测氢泵的入口端连接；

所述测试单元出气支路包括顺次连接的出口压力传感器、背压阀及氢气流量计，所述出口压力传感器的进口一侧与待测氢泵的出口端连接，所述氢气流量计的出口一侧与所述氢气供应单元和所述电堆模拟单元之间的管路连接；

上述氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置的测试方法包括如下步骤：

(1)根据被测氢泵应用场景确定压力控制器的目标压力，及增湿装置的氢气相对湿度设定值；

(2)根据被测氢泵的进出口压差范围、流量范围、转速范围、功率范围信息，确定被测氢泵的多个转速测试工况点；

(3)通过控制装置打开主电磁阀，压力控制器设置到目标值，按照转速测试工况点，将被测氢泵加载至测试转速，通过背压阀调节被测氢泵出口压力，测试该转速下，不同进出口压差下，被测氢泵的流量变化；

(4)改变被测氢泵转速，改变压力控制器出口目标压力值，通过背压阀调节氢泵出口压力，测试该转速下，不同进出口压差下，氢泵的流量变化。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，其特征在于：所述气体排放单元包括顺次连接的排气电磁阀和阻火阀，所述排气电磁阀的进口端与所述电堆容积模拟单元的出气端连接。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，其特征在于：所述气体排放单元还包括与所述排气电磁阀并联设置的手阀。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，其特征在于：所述测试单元进气支路还包括设于所述汽水分离器和所述进口压力传感器之间的进口温度传感器。

5.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，其特征在于：所述测试单元出气支路还包括设于所述出口压力传感器和所述背压阀之间的出口温度传感器。

6.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，其特征在于：所述控制装置与所述电堆模拟单元、所述氢气供应单元、所述气体排放单元、所述测试单元进气支路、所述测试单元出气支路连接。

7.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，其特征在于：所述供电装置为所述控制装置、所述电堆模拟单元、所述氢气供应单元、所述气体排放单元、所述测试单元进气支路、所述测试单元出气支路供电。

8.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢泵匹配测试装置，其特征在于：所述步骤(2)中选取的转速测试工况点，覆盖被测氢泵的最低转速和最高转速，在最低转速和最高转速之间以不小于500rpm的间隔，再选取多个工况点；

所述步骤(3)中通过背压阀调节被测氢泵出口压力，被测氢泵出口压力变化点的数量不少于5个，在局部流量、进出口压差变化剧烈区域增加测试点数量。