CN112786926B - 燃料电池氢循环测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池氢循环测试系统，包括：氢气气源与换热器的入口管路连接，换热器的出口与氢气循环装置的氢气入口管路连接，氢气循环装置的氢气出口与加热增湿装置的入口管路连接，加热增湿装置的第一出口与排空管路连接，加热增湿装置的第二出口与氢气循环装置的回流入口通过回流管路连接；换热器调节氢气气源供给的氢气的温度；加热增湿装置将氢气加热增湿排出；氢气循环装置将氢气吸引回流，并重新供给加热增湿装置。本发明通过采用加热增湿装置替代电堆，完全模拟电堆实际的消耗流量、压力及温湿度并对氢气进行换热及增湿，保证排出的氢气达到饱和状态，通过氢循环装置的吸引回流，然后完整的模拟和分析燃料电池氢气循环系统的特性。

Description

燃料电池氢循环测试系统
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池氢循环测试系统。
背景技术
随着燃料电池技术的更新及实际应用，燃料电池氢循环系统为了适应新的燃料电池技术及整车环境，其性能和结构也会产生变化，为了解其性能的变化，需开发一套燃料电池氢循环测试系统，用于更详细的分析燃料电池氢循环系统的性能，进一步完善其结构的设计。
现有的燃料电池氢循环测试系统是将其进行基本的连接，干氢气通过单独的加热器和增湿器的换热增湿后，经过模拟电堆容腔的缓冲罐排出，被氢循环泵吸出并增压，回流至增湿器氢气出口，再与被增湿器换热加湿过的氢气混合进入模拟电堆容腔的缓冲罐，达到提高氢气利用率的目的。这种测试系统虽然能提高一定的氢气利用率，但其连接较为简单，干氢气换热及增湿的效率较低，氢循环泵也占用了一部分系统的功耗，无法保证经过回流后重新供给的氢气流量及湿度是否满足电堆的实际需求，也无法对不同的燃料电池氢循环系统的性能进行更全面的分析，对其结构的设计起不到很好的改善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中燃料电池氢循环测试系统功能简单、整体功耗不理想的缺陷，提供一种燃料电池氢循环测试系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明提供一种燃料电池氢循环测试系统，包括：氢气气源、干氢气换热器、氢气循环装置、加热增湿装置、第一气体管路、第二气体管路、第三气体管路、排空管路、回流管路；
所述氢气气源与所述干氢气换热器的入口之间通过所述第一气体管路连接，所述干氢气换热器的出口与所述氢气循环装置的氢气入口之间通过所述第二气体管路连接，所述氢气循环装置的氢气出口与所述加热增湿装置的入口之间通过所述第三气体管路连接，所述加热增湿装置的第一出口与所述排空管路连接，所述加热增湿装置的第二出口与所述氢气循环装置的回流入口之间通过所述回流管路连接；
所述干氢气换热器用于基于换热原理调节所述氢气气源供给的氢气的温度；
所述加热增湿装置用于模拟电堆氢腔特性，将经过所述加热增湿装置的容腔的氢气加热增湿，把模拟电堆消耗的氢气排出；
所述氢气循环装置用于把所述加热增湿装置尾排排出的氢气吸引回流，并重新与所述氢气气源供给的氢气汇合后供给所述加热增湿装置。
较佳地，还包括氮气气源、三通管件、第四气体管路和第五气体管路；
所述三通管件的第一进口与所述氢气气源之间通过所述第一气体管路连接，第二进口与所述氮气气源之间通过所述第四气体管路连接，出口与所述干氢气换热器的入口之间通过所述第五气体管路连接。
较佳地，所述第一气体管路上设有减压阀和氢气高压电磁阀；
所述减压阀用于将所述氢气气源供给的氢气气压减压至指定压力；
所述氢气高压电磁阀用于控制减压后的氢气是否输送到所述干氢气换热器。
较佳地，所述第四气体管路上设有氮气吹扫电磁阀，所述第五气体管路上设有超压排空阀和干氢气流量计；
所述氮气吹扫电磁阀用于控制所述氮气气源供给的氮气是否输送到所述第五气体管路；
所述超压排空阀用于在所述第五气体管路内的气体压力超过限定压力时，将超过限定压力的气体排空；
所述干氢气流量计用于控制干氢气流量。
较佳地，所述第二气体管路上设有比例阀、比例阀前端压力传感器、比例阀后端压力传感器和干氢气温度传感器；
所述比例阀用于调节比例阀后端压力。
较佳地，所述第三气体管路上设有加热增湿装置入口压力传感器、加热增湿装置入口湿度传感器、加热增湿装置入口温度传感器和加热增湿装置入口开关阀；
所述加热增湿装置入口开关阀用于控制是否向所述加热增湿装置供给氢气。
较佳地，所述排空管路上设有模拟电堆消耗流量背压阀和模拟电堆消耗压力传感器；
所述模拟电堆消耗流量背压阀用于将所述加热增湿装置排出的氢气背压后排空。
较佳地，所述回流管路上设有分水器；
所述分水器的进口与加热增湿装置出口背压阀的出口之间通过管路连接，且相应的连接管路上设有加热增湿装置出口压力传感器和加热增湿装置出口温度传感器，所述加热增湿装置出口背压阀的入口与所述第二出口之间通过管路连接；
所述分水器的氢排气出口通过氢排气电磁阀与所述排空管路连接；
所述分水器的氢排水出口通过氢排水电磁阀与所述排空管路连接；
所述分水器的回流出口与所述回流入口通过管路连接，且相应的连接管路上设有回流电磁阀、回流流量计、回流压力传感器、回流湿度传感器和回流温度传感器；
所述加热增湿装置出口背压阀用于通过调节阀的开度来模拟电堆实际运行中的压差；
所述回流电磁阀用于通过控制阀的开度来调节氢气流量及湿度；
所述氢排气电磁阀用于控制是否排出氢气；
所述氢排水阀用于控制是否排出冷凝水。
较佳地，其特征在于，还包括控制器，用于控制与其相连的电磁阀的开关或电磁阀的开度。
较佳地，还包括数据记录仪，用于显示和记录与其相连的传感器的数值。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明通过采用加热增湿装置替代电堆，完全模拟电堆实际的消耗流量、压力及温湿度并对氢气进行换热及增湿，保证排出的氢气达到饱和状态，通过氢循环装置的吸引回流，然后完整的模拟和分析燃料电池氢气循环系统的特性，并可以进一步完善其结构的设计。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种燃料电池氢循环测试系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
图1示出了本实施例的一种燃料电池氢循环测试系统。其包括氢气气源1、干氢气换热器8、氢气循环装置13、加热增湿装置18、第一气体管路、第二气体管路、第三气体管路、排空管路、回流管路。氢气气源1与干氢气换热器8的入口之间通过第一气体管路连接，干氢气换热器8的出口与氢气循环装置13的氢气入口之间通过第二气体管路连接，氢气循环装置13的氢气出口与加热增湿装置18的入口之间通过第三气体管路连接，加热增湿装置18的第一出口与排空管路连接，加热增湿装置18的第二出口与氢气循环装置13的回流入口之间通过回流管路连接。
干氢气换热器8用于基于换热原理调节氢气气源1供给的氢气的温度。干氢气换热器8可以包括氢气流道和水流道，将经过其氢气流道的氢气和经过其水流道的纯水进行换热，使两个流道中的介质温度相互中和，完成氢气的温度调节功能。加热增湿装置18用于模拟电堆氢腔特性，将经过加热增湿装置18的容腔的氢气加热增湿，把模拟电堆消耗的氢气排出。氢气循环装置13用于把加热增湿装置18尾排排出的氢气吸引回流，并重新与氢气气源1供给的氢气汇合后供给加热增湿装置18，由此保证流量的充足，达到较高的阳极计量比与防水淹效果。
在一种可实施的方式中，系统还包括氮气气源4、三通管件、第四气体管路和第五气体管路。三通管件的第一进口与氢气气源1之间通过第一气体管路连接，第二进口与氮气气源4之间通过第四气体管路连接，出口与干氢气换热器8的入口之间通过第五气体管路连接。
在一种可实施的方式中，第一气体管路上设有减压阀2和氢气高压电磁阀3。具体地，减压阀2的入口与氢气气源1通过管路连接，减压阀2的出口与氢气高压电磁阀3的入口之间通过管路连接，氢气高压电磁阀3的出口与三通管件的第一进口之间通过管路连接。减压阀2用于将氢气气源供给的氢气气压减压至指定压力。氢气高压电磁阀3用于控制减压后的氢气是否输送到干氢气换热器8的氢气流道。
在一种可实施的方式中，第四气体管路上设有氮气吹扫电磁阀5，第五气体管路上设有超压排空阀6和干氢气流量计7。具体地，氮气气源4与氮气吹扫电磁阀5的入口之间通过管路连接，氮气吹扫电磁阀5的出口与三通管件的第二进口之间通过管路连接，三通管件的出口与超压排空阀6的入口之间通过管路连接，超压排空阀6的出口与干氢气流量计7的入口之间通过管路连接，干氢气流量计7的出口与干氢气换热器8的入口之间通过管路连接。
氮气吹扫电磁阀5用于控制氮气气源4供给的氮气是否输送到第五气体管路或其他气体管路。在实际应用中，氮气吹扫电磁阀5可以在测试前与测试后打开，用氮气对整个系统气体管路进行吹扫置换。超压排空阀6用于在第五气体管路内的气体压力超过限定压力时，将超过限定压力的气体排空，由此防止减压器2发生误操作或者失效时产生的超压造成安全隐患。干氢气流量计7用于控制干氢气流量。
在一种可实施的方式中，第二气体管路上设有比例阀11、比例阀前端压力传感器9、比例阀后端压力传感器12和干氢气温度传感器10。具体地，比例阀11的入口与干氢气换热器8的出口之间通过管路连接，且相应的连接管路上设有比例阀前端压力传感器9和干氢气温度传感器10。比例阀11的出口与氢气循环装置13的氢气入口之间通过管道连接，且相应的连接管路上设有比例阀后端压力传感器12。
比例阀11用于调节比例阀后端压力。比例阀前端压力传感器9用于检测比例阀前端气压。比例阀后端压力传感器12用于检测比例阀后端气压。干氢气温度传感器10检测比例阀前端氢气温度。通过对比例阀11的控制，将前端的氢气气源再一次减压，并输送至氢循环装置13的氢气入口，完成氢气气源的压力调节功能。
在一种可实施的方式中，第三气体管路上设有加热增湿装置入口压力传感器14、加热增湿装置入口湿度传感器15、加热增湿装置入口温度传感器16和加热增湿装置入口开关阀17。具体地，加热增湿装置入口开关阀17的入口与氢气循环装置13的出口之间通过管路连接，且相应的连接管路上设有加热增湿装置入口压力传感器14、加热增湿装置入口湿度传感器15。加热增湿装置入口开关阀17的出口与加热增湿装置18的入口之间通过管路连接。加热增湿装置入口开关阀17用于控制是否向加热增湿装置18供给氢气。
在一种可实施的方式中，排空管路上设有模拟电堆消耗流量背压阀19和模拟电堆消耗压力传感器20。具体地，模拟电堆消耗流量背压阀19的入口与加热增湿装置18的第一出口之间通过管路连接。模拟电堆消耗流量背压阀19的出口与排空出口之间通过管路连接，且相应的连接管路上设有模拟电堆消耗压力传感器20。模拟电堆消耗流量背压阀19用于将加热增湿装置18排出的氢气背压后排空。模拟电堆消耗压力传感器20用于检测排出氢气的压力。在实际应用中，可以根据电堆实际消耗氢气流量调节背压阀19开度，读取回流的氢气流量，评估氢气循环装置13的回流特性。
在一种可实施的方式中，回流管路上设有分水器24。分水器24的进口与加热增湿装置出口背压阀21的出口之间通过管路连接，且相应的连接管路上设有加热增湿装置出口压力传感器22和加热增湿装置出口温度传感器23。加热增湿装置出口背压阀21的入口与第二出口之间通过管路连接。分水器24的氢排气出口通过氢排气电磁阀31与排空管路连接。分水器24的氢排水出口通过氢排水电磁阀30与排空管路连接。分水器24的回流出口与回流入口通过管路连接，且相应的连接管路上设有回流电磁阀25、回流流量计26、回流压力传感器27、回流湿度传感器28和回流温度传感器29。具体地，分水器24的回流出口与回流电磁阀25的入口通过管路连接。回流电磁阀25的出口与回流流量计26的入口通过管路连接。回流流量计26的出口与回流入口通过管路连接，且相应的连接管路上设有回流压力传感器27、回流湿度传感器28和回流温度传感器29。
加热增湿装置出口背压阀21用于通过调节阀的开度来模拟电堆实际运行中的压差。回流电磁阀25用于通过控制阀的开度来调节氢气流量及湿度，使加热增湿装置18的入口湿度满足电堆阳极入口湿度的要求。氢排气电磁阀31用于控制是否排出氢气。氢排水阀30用于控制是否排出冷凝水。通过把多余的水排出，回流的氢气湿度与干氢气汇合后的湿度，可满足电堆阳极湿度的要求，达到防水淹的效果。
在一种可实施的方式中，系统还包括控制器33，用于控制与其相连的电磁阀的开关或电磁阀的开度。例如，控制器33可以与上述记载的所有电磁阀分别连接，通过向各电磁阀发送相应的控制指令，实现对各电磁阀的控制，如调节比例阀11的输出压力，控制氢气高压电磁阀3、回流电动阀25、氢排水电磁阀30、氢排气电磁阀31等电磁阀的开、关或开度，通过氢气气源1、减压阀2、加热增湿装置18、加热增湿装置出口背压阀21等的配合，可完成燃料电池氢气循环装置的性能测试。
在一种可实施的方式中，系统还包括数据记录仪35，用于显示和记录与其相连的传感器的数值。例如，数据记录仪35可以与上述记载的所有传感器分别连接，采集各传感器的数量后，显示并记录。
本实施例的系统通过采用加热增湿装置替代电堆，完全模拟电堆实际的消耗流量、压力及温湿度并对氢气进行换热及增湿，保证排出的氢气达到饱和状态，通过氢循环装置的吸引回流，然后完整的模拟和分析燃料电池氢气循环系统的特性，并可以进一步完善其结构的设计。
结合上述系统结构，说明使用该系统进行燃料电池氢循环测试的具体过程：
首先，通过开启供电电源34，给控制器33、氢气高压电磁阀3、氮气吹扫电磁阀5、比例阀11、加热增湿装置18、回流电动阀25、氢排水电磁阀30、氢排气电磁阀31供电；
然后，确认加热增湿装置18腔内水位已达到指定刻度，并利用其自带的加热装置给水加热至测试时的指定温度并保持±1℃的起伏，保证经过加热增湿装置18的氢气回流时的湿度能够达到饱和状态，加热时关闭加热增湿装置入口开关阀17、加热增湿装置出口背压阀21、回流电动阀25，打开模拟电堆消耗流量背压阀19，保证加热后的水蒸气通过热传导形成的冷凝水不会影响加热增湿装置入口湿度传感器15、氢回流湿度传感器28的可靠性，加热完成后保持模拟电堆消耗流量背压阀19为打开状态，通过控制器33发送指令打开氮气吹扫电磁阀5，并同时打开加热增湿装置入口开关阀17、回流电动阀25，加热增湿装置出口背压阀21保持关闭状态，吹扫管路，确保测试的安全稳定性；
再然后，吹扫完后打开加热增湿装置出口背压阀21，通过控制器33发送命令关闭氮气吹扫电磁阀5，然后打开氢气高压电磁阀3，确认减压阀2的氢气压力已调至比例阀前端压力的指定值，然后通过控制器33发送指令给比例阀11，根据电堆测试的实际工况调至第一个工况点的指定堆入氢气压力值，之后调节模拟电堆消耗流量背压阀19至该堆入氢气压力下的电堆实际消耗的氢气流量，通过测试台控制器33发送命令给氢排水电磁阀30脉排排除多余的水，保证氢气流道没有水堵从而影响测试的可靠性，可以在氢排水电磁阀30尾端连接透明管观察，如没有大量的固态水被排出后关闭氢排水电磁阀30，再调节加热增湿装置出口背压阀21至第一个工况点指定的电堆进出口压差，稍稳定一段时间后通过数据记录仪35实时显示和记录氢循环测试中各传感器的数值；下一个工况点测试前需把加热增湿装置出口背压阀21重新全开，之后操作同上。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，包括：氢气气源、干氢气换热器、氢气循环装置、加热增湿装置、第一气体管路、第二气体管路、第三气体管路、排空管路、回流管路；
所述氢气气源与所述干氢气换热器的入口之间通过所述第一气体管路连接，所述干氢气换热器的出口与所述氢气循环装置的氢气入口之间通过所述第二气体管路连接，所述氢气循环装置的氢气出口与所述加热增湿装置的入口之间通过所述第三气体管路连接，所述加热增湿装置的第一出口与所述排空管路连接，所述加热增湿装置的第二出口与所述氢气循环装置的回流入口之间通过所述回流管路连接；
所述干氢气换热器用于基于换热原理调节所述氢气气源供给的氢气的温度；
所述加热增湿装置用于模拟电堆氢腔特性，将经过所述加热增湿装置的容腔的氢气加热增湿，把模拟电堆消耗的氢气排出；
所述氢气循环装置用于把所述加热增湿装置尾排排出的氢气吸引回流，并重新与所述氢气气源供给的氢气汇合后供给所述加热增湿装置；
所述排空管路上设有模拟电堆消耗流量背压阀；所述模拟电堆消耗流量背压阀用于在对水加热时打开；所述第三气体管路上设有加热增湿装置入口温度传感器和加热增湿装置入口开关阀；所述回流管路上设有分水器；所述分水器的进口与所述第二出口之间设有加热增湿装置出口背压阀；所述分水器的回流出口与所述回流入口通过管路连接，且相应的连接管路上设有回流电磁阀和回流湿度传感器；所述加热增湿装置入口开关阀、所述出口背压阀和所述回流电磁阀用于在对水加热时关闭；
所述第一出口设置于所述加热增湿装置的顶部。
2.如权利要求1所述的燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，还包括氮气气源、三通管件、第四气体管路和第五气体管路；
所述三通管件的第一进口与所述氢气气源之间通过所述第一气体管路连接，第二进口与所述氮气气源之间通过所述第四气体管路连接，出口与所述干氢气换热器的入口之间通过所述第五气体管路连接。
3.如权利要求2所述的燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，所述第一气体管路上设有减压阀和氢气高压电磁阀；
所述减压阀用于将所述氢气气源供给的氢气气压减压至指定压力；
所述氢气高压电磁阀用于控制减压后的氢气是否输送到所述干氢气换热器。
4.如权利要求2所述的燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，所述第四气体管路上设有氮气吹扫电磁阀，所述第五气体管路上设有超压排空阀和干氢气流量计；
所述氮气吹扫电磁阀用于控制所述氮气气源供给的氮气是否输送到所述第五气体管路；
所述超压排空阀用于在所述第五气体管路内的气体压力超过限定压力时，将超过限定压力的气体排空；
所述干氢气流量计用于控制干氢气流量。
5.如权利要求1所述的燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，所述第二气体管路上设有比例阀、比例阀前端压力传感器、比例阀后端压力传感器和干氢气温度传感器；
所述比例阀用于调节比例阀后端压力。
6.如权利要求1所述的燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，所述第三气体管路上设有加热增湿装置入口压力传感器和加热增湿装置入口湿度传感器；
所述加热增湿装置入口开关阀用于控制是否向所述加热增湿装置供给氢气。
7.如权利要求1所述的燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，所述排空管路上设有模拟电堆消耗压力传感器；
所述模拟电堆消耗流量背压阀用于将所述加热增湿装置排出的氢气背压后排空。
8.如权利要求1所述的燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，
所述分水器的进口与加热增湿装置出口背压阀的出口之间通过管路连接，且相应的连接管路上设有加热增湿装置出口压力传感器和加热增湿装置出口温度传感器，所述加热增湿装置出口背压阀的入口与所述第二出口之间通过管路连接；
所述分水器的氢排气出口通过氢排气电磁阀与所述排空管路连接；
所述分水器的氢排水出口通过氢排水电磁阀与所述排空管路连接；
所述分水器的回流出口与所述回流入口通过管路连接，且相应的连接管路上设有回流流量计、回流压力传感器和回流温度传感器；
所述加热增湿装置出口背压阀用于通过调节阀的开度来模拟电堆实际运行中的压差；
所述回流电磁阀用于通过控制阀的开度来调节氢气流量及湿度；
所述氢排气电磁阀用于控制是否排出氢气；
所述氢排水电磁阀用于控制是否排出冷凝水。
9.如权利要求2-8中任意一项所述的燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，还包括控制器，用于控制与其相连的电磁阀的开关或电磁阀的开度。
10.如权利要求2-8中任意一项所述的燃料电池氢循环测试系统，其特征在于，还包括数据记录仪，用于显示和记录与其相连的传感器的数值。
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