CN112881024B - 一种氢燃料电池发动机用氢气喷射器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气喷射器测试装置及测试方法，测试装置包括顺次连接的氢气供应单元、电堆模拟单元、尾排脉冲排放单元以及控制各单元的控制装置及为各部分供电的供电装置；氢气供应单元和电堆模拟单元之间用于连接被测氢气喷射器；本发明所述的氢气喷射器测试装置可安全可靠的进行氢气喷射器工作特性的测试，能够实现氢气喷射器出口排空及出口背压测试条件的切换，既能够测试氢气喷射器出口排空条件下的工作特性，也能够模拟出氢气喷射器出口存在背压条件下，测试出更加接近实际工作压力环境下的氢气喷射器的工作特性。

Description

一种氢燃料电池发动机用氢气喷射器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气喷射器测试装置及测试方法。

背景技术

氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能通过电化学反应直接转换为电能的复杂装置，其具有发电效率高、无污染、比能量高的特点。氢气作为燃料电池的阳极反应物，其流量大小和稳定性直接关系到氢气回路的发电效率。氢气喷射器的作用就是将车载供氢系统出口的高压氢气转换成燃料电池能够正常工作使用的低压氢气的作用，其工作原理是，通过控制氢气喷射器的开关频率，来调节氢气喷射器出口的氢气流量，进而控制燃料电池电堆的入口压力，为燃料电池提供稳定压力和流量的氢气，并能够快速跟随空气侧的工况变化。氢气喷射器作为供氢关键部件具有相应速度快、控制精度高、氢气利用率高的特点。目前国内外主机厂和系统集成商多已采用氢气喷射器作为燃料电池阳极供氢的核心部件。能够快速准确、安全可靠地完成燃料电池用氢气喷射器的测试，有利于氢气喷射器的推广和应用。因此，进行氢燃料电池发动机用氢气喷射器的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气喷射器测试装置及测试方法，可安全可靠的进行氢气喷射器工作特性的测试，包括出口排空下工作特性测试和出口背压条件下工作特性测试。同时可以实现电堆的模拟消耗和模拟氢燃料电池发动机脉冲排放，进行贴近氢气喷射器实际工作环境的控制策略的开发和验证性测试，辅助进行氢气喷射器与燃料电池发动机系统的匹配开发过程。

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气喷射器测试装置，包括氢气供应单元、电堆模拟单元、尾排脉冲排放单元、控制装置及供电装置；

所述氢气供应单元提供可调节压力的氢气，所述氢气供应单元的出气端与被测氢气喷射器的进气端连接；

所述电堆模拟单元的进气端与被测氢气喷射器的出气端连接；

所述尾排脉冲排放单元包括并联设置的排气支路一和排气支路二，所述排气支路一上设有尾排电磁阀一，所述排气支路二上设有顺次连接的背压阀和尾排电磁阀二，所述排气支路一和所述排气支路二的进气端与所述电堆模拟单元的出气端连接，所述排气支路一和排气支路二的出气端连接有阻火阀一；

所述控制装置与所述氢气供应单元、所述电堆模拟单元、所述尾排脉冲排放单元连接；所述控制装置用于控制测试装置中各部分的启停运转；

所述供电装置为所述氢气供应单元、所述电堆模拟单元、所述尾排脉冲排放单元、所述控制装置供电。

其中，背压阀的作用是调节被测氢气喷射器出口的背压，以模拟氢气喷射器的实际实际环境；通过尾排电磁阀一的启闭可模拟氢气喷射器实际工作环境中尾排脉冲排放时对氢气喷射器压力控制的影响的情况；阻火阀一的作用是防止氢气脉冲排放时引发安全风险。

进一步的，还包括模拟消耗单元，所述模拟消耗单元包括通过管路顺次连接的氢气流量控制器和阻火阀二，所述氢气流量控制器的进气端与所述电堆模拟单元连接，用于模拟电堆的实际消耗；所述模拟消耗单元还与所述控制装置连接，所述供电装置为所述模拟消耗单元供电。

其中，氢气流量控制器用于控制氢气的排放量，进而模拟电堆的实际消耗；阻火阀二的作用是防止氢气排放时引发安全风险。

进一步的，所述氢气供应单元包括通过管路顺次连接的主电磁阀、氢气流量计、减压阀、安全阀、压力传感器一和温度传感器一，所述主电磁阀的进口一侧通过管路与氢气源连接。

进一步的，所述主电磁阀和所述氢气源之间还设置有手阀。

其中，手阀和主电磁阀可在紧急情况或非使用状态下，切断测试装置与氢气源的连接；氢气流量计用于在实验时测量氢气流量；减压阀用于将高压氢气源减压；安全阀可以在测试装置实验时系统压力超过设定范围时，通过泄压的方式来保证测试装置的压力处于安全范围内；压力传感器一和温度传感器一用于监测供氢侧氢气的压力值和温度值。

进一步的，所述安全阀的泄气口通过管路与所述氢气流量控制器和所述阻火阀之间的管路连接。

进一步的，所述电堆模拟单元包括通过管路顺次连接的压力传感器二、温度传感器二和型腔组，所述型腔组包括并联设置的型腔一和型腔二，所述型腔二的进气端串联有前电磁阀，所述型腔二的出气端串联有后电磁阀。

其中，通过控制前电磁阀和后电磁阀的开闭，可满足不同功率和长度的电堆的要求，进行不同电堆容积的模拟，还可以进行压力的缓冲，减少压力波动对测试结果的影响；压力传感器二和温度传感器二用于监测氢气喷射器出口氢气的压力值和温度值。

一种氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置的测试方法，所述测试方法包括：氢气喷射器出口排空条件下工作特性测试方法：向被测氢气喷射器施加额定电压，氢气供应单元提供被测氢气入口额定工作压力的氢气，开启尾排电磁阀一，通过控制装置控制被测氢气喷射器占空比从5％～100％变化，每个占空比工作点稳定运行后，测试每个占空比工作点稳定运行时间段内氢气喷射器的平均流量。

一种氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置的测试方法，所述测试方法包括：氢气喷射器出口背压条件下工作特性测试方法：向被测氢气喷射器施加额定电压，氢气供应单元提供被测氢气入口额定工作压力的氢气，开启尾排电磁阀二，通过背压阀调节被测氢气喷射器出口的压力，通过控制装置控制被测氢气喷射器占空比从5％～100％变化，每个占空比工作点稳定运行后，测试每个占空比工作点稳定运行时间段内氢气喷射器的平均流量。

进一步的，所述通过控制装置控制被测氢气喷射器占空比从5％～100％变化，变化梯度为5％，每个占空比工作点稳定运行时间为5min。

一种氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置的测试方法，所述测试方法包括：氢气喷射器控制策略开发及验证测试方法：向被测氢气喷射器施加额定电压，氢气供应单元提供被测氢气入口额定工作压力的氢气，开启尾排电磁阀二，将背压阀压力调到设定值，模拟电堆的流阻；根据氢气喷射器所应用的电堆的压力流量工况点，通过背压阀设置不同的氢气喷射器出口压力目标值，并利用氢气流量控制器根据电堆氢气理论消耗量排出对应流量的氢气，模拟电堆消耗；阶段性的开启尾排电磁阀二，模拟燃料电池发动机系统脉冲排放，测试氢气喷射器的出口压力能否稳定在压力设定值，并在超调允许范围内，进行氢气喷射器控制策略的开发验证测试。

相对于现有技术，本发明所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器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气喷射器测试装置的尾排脉冲单元设有两条排气支路，能够实现氢气喷射器出口排空及出口背压测试条件的切换，既能够测试氢气喷射器出口排空条件下的工作特性，也能够模拟出氢气喷射器出口存在背压条件下，测试出更加接近实际工作压力环境下的氢气喷射器的工作特性；

(2)本发明所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置的电堆模拟单元设有并联设置的型腔一和型腔二，能够根据不同的电堆调整不同的电堆模拟容积；

(3)本发明所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置还设有模拟消耗单元，能够模拟电堆的实际消耗并结合尾排脉冲排放单元模拟发动机系统的脉冲排放，可以贴近氢气喷射器的实际工作环境，进行氢气喷射器控制策略的开发和验证测试；

(4)本发明所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试方法，能够快速安全可靠地完成氢气喷射器基本特性的测试，同时也能进行氢气喷射器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气喷射器测试装置示意图。

附图标记说明：

1-氢气供应单元；11-手阀；12-主电磁阀；13-氢气流量计；14-减压阀；15-安全阀；16-压力传感器一；17-温度传感器一；

2-电堆模拟单元；21-压力传感器二；22-温度传感器二；23-型腔一；24-型腔二；25-前电磁阀；26-后电磁阀；

3-尾排脉冲排放单元；31-尾排电磁阀一；32-背压阀；33-尾排电磁阀二；34-阻火阀一；

4-模拟消耗单元；41-氢气流量控制器；42-阻火阀；

5-控制装置；

6-供电装置；

7-氢气喷射器。

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气喷射器测试装置，包括氢气供应单元1、电堆模拟单元2、尾排脉冲排放单元3、模拟消耗单元4、控制装置5及供电装置6；

其中，氢气供应单元1包括通过管路顺次连接的手阀11、主电磁阀12、氢气流量计13、减压阀14、安全阀15、压力传感器一16和温度传感器一17，手阀11的进口一侧通过管路与氢气源连接，氢气供应单元1的出气端通过管路与被测氢气喷射器7的进气端连接；手阀11和主电磁阀12可在紧急情况或非使用状态下，切断测试装置与氢气源的连接；氢气流量计13用于测量氢气流量；减压阀14用于将高压氢气源减压；安全阀15可以在系统压力超过设定范围时，通过泄压的方式来保证测试装置的压力处于安全范围内；压力传感器一16和温度传感器一17用于监测供氢侧氢气的压力值和温度值；

电堆模拟单元2的进气端与被测氢气喷射器7的出气端连接，电堆模拟单元2包括通过管路顺次连接的压力传感器二21、温度传感器二22和型腔组，型腔组包括并联设置的型腔一23和型腔二24，型腔二24的进气端串联有前电磁阀25，型腔二24的出气端串联有后电磁阀26；电堆模拟单元2中，可通过控制前电磁阀25和后电磁阀26的开闭，满足不同功率和长度的电堆的要求，进行不同电堆容积的模拟，还可以进行压力的缓冲，减少压力波动对测试结果的影响；压力传感器二21和温度传感器二22用于监测氢气喷射器7出口氢气的压力值和温度值；

尾排脉冲排放单元3包括并联设置的排气支路一和排气支路二，排气支路一上设有尾排电磁阀一31，排气支路二上设有顺次连接的背压阀32和尾排电磁阀二33，排气支路一和排气支路二的进气端与电堆模拟单元2的出气端连接，排气支路一和排气支路二的出气端连接有阻火阀一34；尾排脉冲排放单元3中的背压阀32的作用是调节被测氢气喷射器7出口的背压，以模拟氢气喷射器7的实际实际环境；通过尾排电磁阀一31的启闭可模拟氢气喷射器7实际工作环境中尾排脉冲排放时对氢气喷射器7压力控制的影响的情况；阻火阀一34的作用是防止氢气脉冲排放时引发安全风险；

模拟消耗单元4包括通过管路顺次连接的氢气流量控制器41和阻火阀二42，氢气流量控制器41的进气端与电堆模拟单元2连接，氢气流量控制器41用于控制氢气的排放量，进而模拟电堆的实际消耗；阻火阀二42的作用是防止氢气排放时引发安全风险；安全阀15的泄气口通过管路与氢气流量控制器41和阻火阀42之间的管路连接。

控制装置5与氢气供应单元1、电堆模拟单元2、尾排脉冲排放单元3、模拟消耗单元4连接；控制装置5用于控制测试装置中各部分的启停运转，如控制氢气流量控制器41排放的氢气流量达到设定流量要求，以模拟电堆的消耗，控制尾排脉冲排放单元3中的尾排电磁阀一31和尾排电磁阀二33的开闭，以及控制背压阀32的背压达到设定的压力需求等；

供电装置6为氢气供应单元1、电堆模拟单元2、尾排脉冲排放单元3、模拟消耗单元4、控制装置5供电，如为氢气流量计13、氢气流量控制器41、主电磁阀12、尾排电磁阀一31、尾排电磁阀二33等供电。

采用如图1所示的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置的测试方法可实现：1.氢气喷射器出口排空条件下工作特性测试；2.氢气喷射器出口背压条件下工作特性测试；3.氢气喷射器控制策略开发及验证测试。

1.氢气喷射器出口排空条件下工作特性测试：打开手阀11、主电磁阀12，向被测氢气喷射器7施加额定电压，减压阀14后压力设置为被测氢气喷射器7额定工作压力，开启尾排电磁阀一31，通过控制装置5控制被测氢气喷射器7占空比以5％的变化梯度，从5％～100％变化，每个占空比工作点稳定运行5min，测试5min内氢气喷射器7的平均流量。

2.氢气喷射器出口背压条件下工作特性测试：打开手阀11、主电磁阀12，向被测氢气喷射器7施加额定电压，减压阀14后压力设置为被测氢气喷射器7额定工作压力，开启尾排电磁阀二33，通过背压阀32调节被测氢气喷射器7出口的压力，通过控制装置5控制被测氢气喷射器7占空比以5％的变化梯度，从5％～100％变化，每个占空比工作点稳定运行5min，测试5min内氢气喷射器的平均流量。

3.氢气喷射器控制策略开发及验证测试：打开手阀11、主电磁阀12，向被测氢气喷射器7施加额定电压，减压阀后压力设置为被测氢气喷射器7额定工作压力，开启尾排电磁阀二33，将背压阀32压力调到设定值，模拟电堆的流阻；根据氢气喷射器7所应用的电堆的压力流量工况点，通过背压阀32设置不同的氢气喷射器7出口压力目标值，并利用氢气流量控制器41根据电堆氢气理论消耗量排出对应流量的氢气，模拟电堆消耗；阶段性的开启尾排电磁阀二33，模拟燃料电池发动机系统脉冲排放，测试氢气喷射器7的出口压力能否稳定在压力设定值，并在超调允许范围内，进行氢气喷射器7控制策略的开发验证测试。

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 (9)

1.一种氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置，其特征在于：包括氢气供应单元、电堆模拟单元、尾排脉冲排放单元、控制装置及供电装置；

所述氢气供应单元提供可调节压力的氢气，所述氢气供应单元的出气端与被测氢气喷射器的进气端连接；

所述电堆模拟单元的进气端与被测氢气喷射器的出气端连接；

所述尾排脉冲排放单元包括并联设置的排气支路一和排气支路二，所述排气支路一上设有尾排电磁阀一，所述排气支路二上设有顺次连接的背压阀和尾排电磁阀二，所述排气支路一和所述排气支路二的进气端与所述电堆模拟单元的出气端连接，所述排气支路一和排气支路二的出气端连接有阻火阀一；

所述控制装置与所述氢气供应单元、所述电堆模拟单元、所述尾排脉冲排放单元连接；

所述供电装置为所述氢气供应单元、所述电堆模拟单元、所述尾排脉冲排放单元、所述控制装置供电；

还包括模拟消耗单元，所述模拟消耗单元包括通过管路顺次连接的氢气流量控制器和阻火阀二，所述氢气流量控制器的进气端与所述电堆模拟单元连接，用于模拟电堆的实际消耗；所述模拟消耗单元还与所述控制装置连接，所述供电装置为所述模拟消耗单元供电。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置，其特征在于：所述氢气供应单元包括通过管路顺次连接的主电磁阀、氢气流量计、减压阀、安全阀、压力传感器一和温度传感器一，所述主电磁阀的进口一侧通过管路与氢气源连接。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置，其特征在于：所述主电磁阀和所述氢气源之间还设置有手阀。

4.根据权利要求2所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置，其特征在于：所述安全阀的泄气口通过管路与所述氢气流量控制器和所述阻火阀二之间的管路连接。

5.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置，其特征在于：所述电堆模拟单元包括通过管路顺次连接的压力传感器二、温度传感器二和型腔组，所述型腔组包括并联设置的型腔一和型腔二，所述型腔二的进气端串联有前电磁阀，所述型腔二的出气端串联有后电磁阀。

6.一种权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置的测试方法，其特征在于：包括氢气喷射器出口排空条件下工作特性测试方法：向被测氢气喷射器施加额定电压，氢气供应单元提供被测氢气入口额定工作压力的氢气，开启尾排电磁阀一，通过控制装置控制被测氢气喷射器占空比从5％～100％变化，每个占空比工作点稳定运行后，测试每个占空比工作点稳定运行时间段内氢气喷射器的平均流量。

7.一种权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置的测试方法，其特征在于：包括氢气喷射器出口背压条件下工作特性测试方法：向被测氢气喷射器施加额定电压，氢气供应单元提供被测氢气入口额定工作压力的氢气，开启尾排电磁阀二，通过背压阀调节被测氢气喷射器出口的压力，通过控制装置控制被测氢气喷射器占空比从5％～100％变化，每个占空比工作点稳定运行后，测试每个占空比工作点稳定运行时间段内氢气喷射器的平均流量。

8.根据权利要求6或7所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置的测试方法，其特征在于：所述通过控制装置控制被测氢气喷射器占空比从5％～100％变化，变化梯度为5％，每个占空比工作点稳定运行时间为5min。

9.一种权利要求1所述的氢燃料电池发动机用氢气喷射器测试装置的测试方法，其特征在于：包括氢气喷射器控制策略开发及验证测试方法：

向被测氢气喷射器施加额定电压，氢气供应单元提供被测氢气入口额定工作压力的氢气，开启尾排电磁阀二，将背压阀压力调到设定值，模拟电堆的流阻；根据氢气喷射器所应用的电堆的压力流量工况点，通过背压阀设置不同的氢气喷射器出口压力目标值，并利用氢气流量控制器根据电堆氢气理论消耗量排出对应流量的氢气，模拟电堆消耗；阶段性的开启尾排电磁阀二，模拟燃料电池发动机系统脉冲排放，测试氢气喷射器的出口压力能否稳定在压力设定值，并在超调允许范围内，进行氢气喷射器控制策略的开发验证测试。

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