CN113471491B - 一种燃料电池系统用空气系统子部件测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，包括输送装置冷却回路、介质冷却回路和空气输送回路；所述空气输送回路包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器、科里奥利质量流量计和膜片式压力控制阀；所述输送装置冷却回路包括补水箱、水泵Ⅰ、散热器Ⅱ、开关阀Ⅰ、开关阀Ⅱ、开关阀Ⅲ和超声波流量计Ⅰ；所述介质冷却回路包括水泵Ⅱ、散热器Ⅰ、开关阀Ⅴ、开关阀Ⅵ、开关阀Ⅳ和超声波流量计Ⅲ。本发明的技术方案解决了现有的燃料电池空气系统测试装置操作困难、控制精度低等问题。

Description

一种燃料电池系统用空气系统子部件测试装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池系统用空气系统子部件测试装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能量转化率高、清洁的发电设备，它将燃料剂与氧化剂的化学能转换为电能。在系统运行时，空气的输送量、进堆空气的温度直接影响系统的性能输出，也可以优化空压机的消耗功率。但空气可压缩，弹性大，受温度、压力、管道影响较大，且在空气输送装置压缩空气做功的过程中，存在大量热量的释放，目前空气流量测试基本是采用体积流量计对空气流量进行监测，读数困难，后期计算误差大，不利于对气体使用的精确控制。为了控制空气输送装置的出口压力，目前车载燃料电池行业一般采用节气门作为空气输送装置的背压调节阀使用，操作困难，控制精度低。

发明内容

根据上述提出现有的燃料电池空气系统测试装置操作困难、控制精度低等技术问题，而提供一种燃料电池系统用空气系统子部件测试装置。

本发明采用的技术手段如下：

一种燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，包括输送装置冷却回路、介质冷却回路和空气输送回路；

所述空气输送回路包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器、科里奥利质量流量计和膜片式压力控制阀；

所述空气滤清器连接至所述空气压缩机的进口，所述空气滤清器与所述空气压缩机之间设置热膜式空气流量计、进气压力传感器和进气温度传感器；所述空气压缩机的出口连接至所述中冷器，所述空气压缩机与所述中冷器之间设置压力传感器Ⅲ和温度传感器Ⅲ；所述科里奥利质量流量计分别连接至所述中冷器和所述膜片式压力控制阀；所述中冷器与所述科里奥利质量流量计之间设置压力传感器Ⅳ和温度传感器Ⅳ；

所述输送装置冷却回路包括补水箱、水泵Ⅰ、散热器Ⅱ、开关阀Ⅰ、开关阀Ⅱ、开关阀Ⅲ和超声波流量计Ⅰ；

所述补水箱与所述水泵Ⅰ连接，所述补水箱与所述水泵Ⅰ之间设置开关阀Ⅰ、压力传感器Ⅰ和温度传感器Ⅰ，所述水泵Ⅰ的出口连接至空压机控制器冷却液进口，所述空压机控制器冷却液出口与所述空气压缩机的冷却液进口连接；所述空气压缩机的冷却液出口与所述散热器Ⅱ连接；所述散热器Ⅱ与所述补水箱之间设置温度传感器Ⅵ；在所述水泵Ⅰ与所述空压机控制器冷却液进口之间设置所述开关阀Ⅱ、所述超声波流量计Ⅰ和压力传感器Ⅱ；所述空气压缩机的冷却液出口与所述散热器Ⅱ之间设置所述开关阀Ⅲ和温度传感器Ⅱ；

所述介质冷却回路包括水泵Ⅱ、散热器Ⅰ、开关阀Ⅴ、开关阀Ⅵ、开关阀Ⅳ和超声波流量计Ⅲ；

所述水泵Ⅱ连接至所述补水箱，所述补水箱与所述水泵Ⅱ之间设置所述开关阀Ⅴ，所述水泵Ⅱ的出口连接至所述中冷器的冷却液进口，所述中冷器的冷却液出口与所述散热器Ⅰ连接；所述散热器Ⅰ与所述补水箱之间设置温度传感器Ⅶ；所述水泵Ⅱ与所述中冷器之间设置所述开关阀Ⅵ、所述超声波流量计Ⅲ和压力传感器Ⅴ；所述中冷器的冷却液出口与所述散热器Ⅰ之间设置所述开关阀Ⅳ和温度传感器Ⅴ。

进一步地，所述空气输送回路还包括消音器；所述膜片式压力控制阀与所述消音器相连接。

进一步地，所述空气滤清器一侧连通至大气，另一侧连接至所述空气压缩机。

进一步地，所述中冷器与所述科里奥利质量流量计之间引出分支管回路连接至所述空气压缩机的空冷进口，所述空气压缩机的空冷出口连通至大气。

进一步地，所述补水箱敞口与大气连通；所述散热器Ⅱ的出口连接至所述补水箱形成闭合回路。

进一步地，所述散热器Ⅰ的出口连接至所述补水箱形成闭合回路。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，具备较强实操性和便捷性；与已有测试方式或装置相比，引入膜式空气流量计与科里奥利质量流量计规避由于流量计偏差导致的测量风险，引入膜片式压力控制阀为所述装置的自动化测量打下基础，进行了输送装置冷却回路与介质冷却回路相结合的设计灵活应对燃料电池运行过程中部件及介质的冷却需求，在空气输送回路中引入风冷支回路保障空压机的运行安全。

基于上述理由本发明可在燃料电池系统空气流量测试领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述燃料电池系统用空气系统部件测试装置的工作原理示意图。

图2是本发明所述燃料电池系统用空气系统部件测试装置的空气输送回路示意图。

图3是本发明所述燃料电池系统用空气系统部件测试装置的输送装置冷却回路示意图。

图4是本发明所述燃料电池系统用空气系统部件测试装置的介质冷却回路示意图。

图中：1、补水箱；2、开关阀Ⅰ；3、压力传感器Ⅰ；4、温度传感器Ⅰ；5、水泵Ⅰ；6、超声波流量计Ⅰ；7、压力传感器Ⅱ；8、开关阀Ⅱ；9、开关阀Ⅲ；10、散热器Ⅱ；11、开关阀Ⅴ；12、水泵Ⅱ；13、超声波流量计Ⅲ；14、压力传感器Ⅴ；15、开关阀Ⅵ；16、中冷器；17、温度传感器Ⅴ；18、散热器Ⅰ；19、开关阀Ⅳ；20、气滤清器；21、热膜式空气流量计；22、进气压力传感器；23、进气温度传感器；24、空气压缩机；25、压力传感器Ⅲ；26、温度传感器Ⅲ；27、压力传感器Ⅳ；28、温度传感器Ⅳ；29、科里奥利质量流量计；30、膜片式压力控制阀；31、消音器；32、温度传感器Ⅱ；33、温度传感器Ⅶ；34、温度传感器Ⅵ。

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1～4所示，本发明提供了一种燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，包括输送装置冷却回路、介质冷却回路和空气输送回路；

所述空气输送回路包括空气滤清器20、空气压缩机24、中冷器16、科里奥利质量流量计29、膜片式压力控制阀30和消音器31；

所述空气滤清器20一侧连通至大气，另一侧连接至所述空气压缩机24的进口，所述空气滤清器20与所述空气压缩机24之间设置热膜式空气流量计21、进气压力传感器22和进气温度传感器23；所述空气压缩机24的出口连接至所述中冷器16，所述空气压缩机24与所述中冷器16之间设置压力传感器Ⅲ25和温度传感器Ⅲ26；所述科里奥利质量流量计29分别连接至所述中冷器16和所述膜片式压力控制阀30；所述膜片式压力控制阀30与所述消音器31相连接；所述中冷器16与所述科里奥利质量流量计29之间引出分支管回路连接至所述空气压缩机24的空冷进口，所述空气压缩机24的空冷出口连通至大气；所述中冷器16与所述科里奥利质量流量计29之间设置压力传感器Ⅳ27和温度传感器Ⅳ28；

所述空气压缩机24包括连接至所述空气压缩机24的进口以及空冷进口，其中，进口用于输送空气，空气进口也是用于进空气，但是目的是用来对所述空气压缩机24内部轴承进行冷却；

所述空气输送回路在空气压缩机24入口前的管路上布置有进气压力传感器22和进气温度传感器23，在所述空气压缩机24出口后的管路上布置有压力传感器Ⅲ25和温度传感器Ⅲ26，在所述中冷器16气路出口后的管路上布置压力传感器Ⅳ27和温度传感器Ⅳ28，上述各传感器能监测空气流动过程中的状态变化，以此评估所述空气压缩机24和所述中冷器16的工作能力。所述科里奥利质量流量计29可以精确监测流经管路的空气质量流量，以此评估所述空气压缩机24的工作能力。所述膜片式压力控制阀30可以控制整个管路的压力，以此评估所述空气压缩机24的工作能力。因此，本申请评价所述空气压缩机24的工作能力是从多方面进行的；

所述输送装置冷却回路包括补水箱1、水泵Ⅰ5、散热器Ⅱ10、开关阀Ⅰ2、开关阀Ⅱ8、开关阀Ⅲ9和超声波流量计Ⅰ6；

所述补水箱1敞口与大气连通，用于排气、补水；所述补水箱1与所述水泵Ⅰ5连接，所述补水箱1与所述水泵Ⅰ5之间设置开关阀Ⅰ2、压力传感器Ⅰ3和温度传感器Ⅰ4，所述水泵Ⅰ5的出口连接至空压机控制器CX冷却液进口，所述空压机控制器CX冷却液出口与所述空气压缩机24的冷却液进口连接；所述空气压缩机24的冷却液出口与所述散热器Ⅱ10连接；所述散热器Ⅱ10的出口连接至所述补水箱1形成闭合回路；所述散热器Ⅱ10与所述补水箱1之间设置温度传感器Ⅵ34；在所述水泵Ⅰ5与所述空压机控制器CX冷却液进口之间设置所述开关阀Ⅱ8、所述超声波流量计Ⅰ6和压力传感器Ⅱ7；所述空气压缩机24的冷却液出口与所述散热器Ⅱ10之间设置所述开关阀Ⅲ9和温度传感器Ⅱ32；

所述空压机控制器CX与所述空气压缩机24通过导线连接；

所述输送装置冷却回路在所述水泵Ⅰ5入口之前的管路布置压力传感器Ⅰ3和温度传感器Ⅰ4，在所述水泵Ⅰ5出口之后的管路布置所述超声波流量计Ⅰ6和压力传感器Ⅱ7，上述各传感器及超声波流量计能监测冷却水流经所述水泵Ⅰ5过程中的状态变化，以此评估所述水泵Ⅰ5的工作能力。在所述散热器Ⅱ10的入口之前的管路上布置温度传感器Ⅱ32，在所述散热器Ⅱ10的出口之后的管路上布置温度传感器Ⅵ34，上述各传感器监测冷却水流经所述散热器Ⅱ10过程中的状态变化，以此评估所述散热器Ⅱ10的工作能力。在所述补水箱1后端设置开关阀I2，在压力传感器Ⅱ7之后的管路上布置开关阀Ⅱ8，在所述空气压缩机24的发动机后端管路上布置开关阀Ⅲ9，上述三个开关阀的协调使用起到匹配所述水泵Ⅰ5及所述空气压缩机24发动机的作用，并且起到调节所述输送装置冷却回路水流量的作用；

所述介质冷却回路包括水泵Ⅱ12、散热器Ⅰ18、开关阀Ⅴ11、开关阀Ⅵ15、开关阀Ⅳ19和超声波流量计Ⅲ13；

所述水泵Ⅱ12连接至所述补水箱1，形成支回路，所述补水箱1与所述水泵Ⅱ12之间设置所述开关阀Ⅴ11，所述水泵Ⅱ12的出口连接至所述中冷器16的冷却液进口，所述中冷器16的冷却液出口与所述散热器Ⅰ18连接；所述散热器Ⅰ18的出口连接至所述补水箱1形成闭合回路；所述散热器Ⅰ18与所述补水箱1之间设置温度传感器Ⅶ33；所述水泵Ⅱ12与所述中冷器16之间设置所述开关阀Ⅵ15、所述超声波流量计Ⅲ13和压力传感器Ⅴ14；所述中冷器16的冷却液出口与所述散热器Ⅰ18之间设置所述开关阀Ⅳ19和温度传感器Ⅴ17；

所述介质冷却回路在所述水泵Ⅱ12的出口之后的管路布置超声波流量计Ⅲ13和压力传感器Ⅴ14，在所述中冷器16的冷却水出口后端的管路上布置温度传感器Ⅴ17，在所述散热器Ⅰ18的出口后端管路上布置温度传感器Ⅶ33，上述各传感器及超声波流量计能监测冷却水的状态变化，以此评估所述水泵Ⅱ12和所述散热器Ⅰ18的工作能力。在所述补水箱1后端设置开关阀Ⅴ11，在所述水泵Ⅱ12后端设置开关阀Ⅵ15，在所述中冷器16的冷却水出口后端设置开关阀Ⅳ19，上述三个开关阀的协调使用起到匹配所述水泵Ⅱ12及所述中冷器16的作用，并且起到调节所述介质冷却回路水流量的作用。

采用本发明提供的燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，所述空气输送回路中在空气压缩机24前后侧设置了热膜式空气流量计21与科里奥利质量流量计29，通过测试过程的比对，可以对热膜式空气流量计21进行监测、标定，并能够通过同时监测两个流量数据，从而在测试过程中进行校对，及时发现由于流量计偏差导致的测量风险。

本装置采用膜片式压力控制阀30来控制空气压缩机24后端管回路的管回路压力，通过膜片式压力控制阀30的使用，使得管道内的压力平稳，从而使各个流量计的读数相对准确，避免了由于电子节气门的结构特点导致的空气压缩机24在中小流量段流量控制波动过大的缺点，并有效规避由于电子节气门阀板震颤导致的管回路内的压力波动。

而且膜片式压力控制阀30具备调控速度快，控制压力稳定、流通面积大的特点，通过设计本阀的阀座曲线，可以灵活设计膜片式压力控制阀30的流量特性，通过与被测空气压缩机24的流量比对，选取容预系数，确定膜片式压力控制阀的流量-行程曲线，通过该曲线与压力传感器Ⅳ27的配合，能够通过软件PID的控制，实现管道压力的电子调节，为所述装置的自动化测量打下基础。

所述输送装置冷却回路与所述介质冷却回路相结合的设计，实现了一个补水箱的多种用途；补水箱与大气相通，补水箱设置于本发明所述装置的最高点，便于对冷却管回路进行排气，而公用补水箱的使用使得设备资源得到节省。两个冷却回路的设计有利于空气压缩机24、空压机控制器CX等输送装置设备冷却量的独立计算及介质冷却回路中冷却量的独立计算。通过调节水泵Ⅰ5、水泵Ⅱ12的流量、扬程，分别对散热器Ⅰ18、散热器Ⅱ10的散热进行水的供给，从而灵活应对燃料电池运行过程中的冷却需求。

空气输送回路中风冷支回路的设计使用，即在科里奥利质量流量计29前侧引出支回路，连接至空气压缩机24风冷接口，风冷出口直接导入大气，该支回路能够直接对空压机的滑动轴承进行局部冷却，保障空压机的运行安全。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，其特征在于，包括输送装置冷却回路、介质冷却回路和空气输送回路；

所述空气输送回路包括空气滤清器(20)、空气压缩机(24)、中冷器(16)、科里奥利质量流量计(29)和膜片式压力控制阀(30)；所述中冷器(16)与所述科里奥利质量流量计(29)之间引出分支管回路连接至所述空气压缩机(24)的空冷进口，所述空气压缩机(24)的空冷出口连通至大气；

所述空气滤清器(20)连接至所述空气压缩机(24)的进口，所述空气滤清器(20)与所述空气压缩机(24)之间设置热膜式空气流量计(21)、进气压力传感器(22)和进气温度传感器(23)；所述空气压缩机(24)的出口连接至所述中冷器(16)，所述空气压缩机(24)与所述中冷器(16)之间设置压力传感器Ⅲ(25)和温度传感器Ⅲ(26)；所述科里奥利质量流量计(29)分别连接至所述中冷器(16)和所述膜片式压力控制阀(30)；所述中冷器(16)与所述科里奥利质量流量计(29)之间设置压力传感器Ⅳ(27)和温度传感器Ⅳ(28)；

所述输送装置冷却回路包括补水箱(1)、水泵Ⅰ(5)、散热器Ⅱ(10)、开关阀Ⅰ(2)、开关阀Ⅱ(8)、开关阀Ⅲ(9)和超声波流量计Ⅰ(6)；

所述补水箱(1)与所述水泵Ⅰ(5)连接，所述补水箱(1)与所述水泵Ⅰ(5)之间设置开关阀Ⅰ(2)、压力传感器Ⅰ(3)和温度传感器Ⅰ(4)，所述水泵Ⅰ(5)的出口连接至空压机控制器冷却液进口，所述空压机控制器冷却液出口与所述空气压缩机(24)的冷却液进口连接；所述空气压缩机(24)的冷却液出口与所述散热器Ⅱ(10)连接；所述散热器Ⅱ(10)与所述补水箱(1)之间设置温度传感器Ⅵ(34)；在所述水泵Ⅰ(5)与所述空压机控制器冷却液进口之间设置所述开关阀Ⅱ(8)、所述超声波流量计Ⅰ(6)和压力传感器Ⅱ(7)；所述空气压缩机(24)的冷却液出口与所述散热器Ⅱ(10)之间设置所述开关阀Ⅲ(9)和温度传感器Ⅱ(32)；

所述介质冷却回路包括水泵Ⅱ(12)、散热器Ⅰ(18)、开关阀Ⅴ(11)、开关阀Ⅵ(15)、开关阀Ⅳ(19)和超声波流量计Ⅲ(13)；

所述水泵Ⅱ(12)连接至所述补水箱(1)，所述补水箱(1)与所述水泵Ⅱ(12)之间设置所述开关阀Ⅴ(11)，所述水泵Ⅱ(12)的出口连接至所述中冷器(16)的冷却液进口，所述中冷器(16)的冷却液出口与所述散热器Ⅰ(18)连接；所述散热器Ⅰ(18)与所述补水箱(1)之间设置温度传感器Ⅶ(33)；所述水泵Ⅱ(12)与所述中冷器(16)之间设置所述开关阀Ⅵ(15)、所述超声波流量计Ⅲ(13)和压力传感器Ⅴ(14)；所述中冷器(16)的冷却液出口与所述散热器Ⅰ(18)之间设置所述开关阀Ⅳ(19)和温度传感器Ⅴ(17)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，其特征在于，所述空气输送回路还包括消音器(31)；所述膜片式压力控制阀(30)与所述消音器(31)相连接。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，其特征在于，所述空气滤清器(20)一侧连通至大气，另一侧连接至所述空气压缩机(24)。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，其特征在于，所述补水箱(1)敞口与大气连通；所述散热器Ⅱ(10)的出口连接至所述补水箱(1)形成闭合回路。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统用空气系统子部件测试装置，其特征在于，所述散热器Ⅰ(18)的出口连接至所述补水箱(1)形成闭合回路。

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