CN113903954A - 一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，氢燃料电池测试台的氮气进口端、空气进口端、氢气进口端连通至氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构，氢燃料电池测试台的氮气出口端、空气出口端、氢气出口端分别连通至第四管路、第五管路、第六管路，本发明所述的一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，便于实时在线对燃料电池进行水故障诊断，空气出口压力传感器用于检测出口空气压力，氢气进口压力传感器用于检测进口氢气压力，氢气出口压力传感器用于检测出口氢气压力，空气进口压力传感器用于检测进口空气压力，在运行过程中可以有效监测、预警或避免燃料电池膜干或水淹等现象的出现所引起的电池性能下降。

Description

一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置

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水故障在线诊断测试装置。

背景技术

近年来，燃料电池电动汽车因为起动速度快、“零排放”、噪声低、能量转化效率高、补加燃料时间短、续驶里程长等特点，被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，成为了解决全球能源和环境问题的理想方案之一；随着燃料电池电动汽车的逐步商业化，车用燃料电池的稳定运行、故障诊断及使用寿命等问题越来越引起人们的关注，然而目前还没有系统成熟地车用燃料电池水故障诊断商用在线技术；因此，水故障诊断研究对于车用燃料电池的发展具有十分重要的研究意义，越来越受学者们的关注；近年来，比较常用的一种水故障诊断方法是气体压力降检测，利用气体压力降检测可以在线进行水故障诊断；气体压力降检测对水淹故障检测更敏感，诊断范围更广，计算简单，可以实现水淹监测、预警；因此，开发研究氢燃料电池水故障在线诊断测试装置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，本发明旨在提出一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，以便于实时在线进行燃料电池水故障诊断测试，实现水故障监测、预警。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，包括氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构、氢燃料电池测试台，氢燃料电池测试台通过导线连接至电子负载，氢燃料电池测试台的氮气进口端、空气进口端、氢气进口端连通至氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构，氢燃料电池测试台的氮气出口端、空气出口端、氢气出口端分别连通至第四管路、第五管路、第六管路，第五管路上安装空气出口压力传感器，第六管路上安装氢气出口压力传感器，氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构分别信号连接至流量控制器，空气供给机构、氢气供给机构还分别信号连接至湿度控制器，空气出口压力传感器、氢气出口压力传感器、空气供给机构、氢气供给机构分别信号连接至水故障诊断器。

进一步的，氮气供给机构包括氮气储存单元、氮气减压阀、氮气流量计和第一开关阀，氮气储存单元通过第一管路连通至氢燃料电池测试台的氮气进口端，第一管路上自氮气储存单元至氢燃料电池测试台的氮气进口端依次安装氮气减压阀、氮气流量计、第一开关阀，氮气流量计信号连接至流量控制器。

进一步的，空气供给机构包括空气滤清器、空气流量计、空气增湿器、第二开关阀和空气进口压力传感器，空气滤清器通过第二管路连通至氢燃料电池测试台的空气进口端，第二管路上自空气滤清器至氢燃料电池测试台的空气进口端依次安装空气流量计、空气增湿器、第二开关阀、空气进口压力传感器，空气流量计信号连接至流量控制器，空气增湿器信号连接至湿度控制器，空气进口压力传感器信号连接至水故障诊断器。

进一步的，氢气供给机构包括氢气储存单元、氢气减压阀、氢气流量计、氢气增湿器、第三开关阀和氢气进口压力传感器，氢气储存单元通过第三管路连通至氢燃料电池测试台的氢气进口端，第三管路上自氢气储存单元至氢燃料电池测试台的氢气进口端依次安装氢气减压阀、氢气流量计、氢气增湿器、第三开关阀、氢气进口压力传感器，氢气流量计信号连接至流量控制器，氢气增湿器信号连接至湿度控制器，氢气进口压力传感器信号连接至水故障诊断器。

进一步的，氢气储存单元和氮气储存单元均为压缩气瓶。

相对于现有技术，本发明所述的一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置具有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，便于实时在线对燃料电池进行水故障诊断，空气出口压力传感器用于检测出口空气压力，氢气进口压力传感器用于检测进口氢气压力，氢气出口压力传感器用于检测出口氢气压力，空气进口压力传感器用于检测进口空气压力，水故障诊断器用于计算阳极气体压力降(氢气进出口气体压力降)、阴极气体压力降(空气进出口气体压力降)，通过实时监测阳极气体压力降、阴极气体压力降，在运行过程中可以有效监测、预警或避免燃料电池膜干或水淹等现象的出现所引起的电池性能下降。

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一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置的示意图；

图2为本发明实施例所述的燃料电池堆电压、阳极气体压力降与阴极气体压力降的关系曲线图。

附图标记说明：

1-氮气储存单元；2-氮气减压阀；3-氮气流量计；4-第一开关阀；5-空气滤清器；6-空气流量计；7-空气增湿器；8-第二开关阀；9-空气进口压力传感器；10-氢气储存单元；11-氢气减压阀；12-氢气流量计；13-氢气增湿器；14-第三开关阀；15-氢气进口压力传感器；16-氢燃料电池测试台；17-电子负载；18-空气出口压力传感器；19-氢气出口压力传感器；20-强排风机；21-流量控制器；22-湿度控制器；23-水故障诊断器；24-电源；25-样品。

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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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，一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置包括：氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构、氢燃料电池测试台16(氢燃料电池测试台16型号为GreenlightInnovation G700)，氢燃料电池测试台16通过导线连接至电子负载17(电子负载17用于消耗燃料电池产生的电能，且型号为FRDCL-100KTS)，氢燃料电池测试台16的氮气进口端、空气进口端、氢气进口端连通至氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构，氢燃料电池测试台16的氮气出口端、空气出口端、氢气出口端分别连通至第四管路、第五管路、第六管路，第五管路上安装空气出口压力传感器18，第六管路上安装氢气出口压力传感器19，氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构分别信号连接至流量控制器21，空气供给机构、氢气供给机构还分别信号连接至湿度控制器22，空气出口压力传感器18、氢气出口压力传感器19、空气供给机构、氢气供给机构分别信号连接至水故障诊断器23，氢燃料电池测试台16、流量控制器21、湿度控制器22、水故障诊断器23导线连接至电源24，电源24用于供电，电源24为220V的低压电源，第四管路、第五管路出口端分别连通至大气，第六管路出口端连通至外部实验室的强排风机20，经过处理后再排出大气，强排风机20处理氢气为现有技术不再加以赘述，空气出口压力传感器18用于检测出口空气压力，氢气进口压力传感器15用于检测进口氢气压力，氢气出口压力传感器19用于检测出口氢气压力，空气进口压力传感器9用于检测进口空气压力，且厂家均为wika，型号均为E-10，便于实时在线对燃料电池进行水故障诊断，在运行过程中可以有效监测、预警或避免燃料电池膜干或水淹等现象的出现所引起的电池性能下降，第四管路、第五管路、第六管路分别用于排出氮气、空气、氢气，流量控制器21、湿度控制器22、水故障诊断器23均为PLC，且型号为型号为SIMATIC S7-1200；

氮气供给机构包括氮气储存单元1、氮气减压阀2、氮气流量计3和第一开关阀4，氮气储存单元1通过第一管路连通至氢燃料电池测试台16的氮气进口端，第一管路上自氮气储存单元1至氢燃料电池测试台16的氮气进口端依次安装氮气减压阀2、氮气流量计3、第一开关阀4，氮气流量计3信号连接至流量控制器21，氮气储存单元1为压缩气瓶，用于储存高压氮气，氮气减压阀2用于对氮气储存单元1输出的高压氮气减压，厂家tescom，型号为26-2066T66S470BJ，氮气流量计3为可变氮气体积流量计，型号为Alicat KM3100，在流量控制单元21的指令下改变输出的氮气体积流量。第一开关阀4为手动开关阀，用于关闭和接通第一管路；

空气供给机构包括空气滤清器5、空气流量计6、空气增湿器7、第二开关阀8和空气进口压力传感器9，空气滤清器5通过第二管路连通至氢燃料电池测试台16的空气进口端，第二管路上自空气滤清器5至氢燃料电池测试台16的空气进口端依次安装空气流量计6、空气增湿器7、第二开关阀8、空气进口压力传感器9，空气流量计6信号连接至流量控制器21，空气增湿器7信号连接至湿度控制器22，空气进口压力传感器9信号连接至水故障诊断器23，空气滤清器5用于过滤进入空气支路的空气，型号为萱柯氢能FC80。空气流量计6为可变空气体积流量计，型号为Alicat KM3100，在流量控制单元21的指令下改变输出的空气体积流量，空气增湿器7用于对空气进行湿度调节，空气增湿器7型号为Kolon H50，第二开关阀8为手动开关阀，用于关闭和接通第二管路；

氢气供给机构包括氢气储存单元10、氢气减压阀11、氢气流量计12、氢气增湿器13、第三开关阀14和氢气进口压力传感器15，氢气储存单元10通过第三管路连通至氢燃料电池测试台16的氢气进口端，第三管路上自氢气储存单元10至氢燃料电池测试台16的氢气进口端依次安装氢气减压阀11、氢气流量计12、氢气增湿器13、第三开关阀14、氢气进口压力传感器15，氢气流量计12信号连接至流量控制器21，氢气增湿器13信号连接至湿度控制器22，氢气进口压力传感器15信号连接至水故障诊断器23，氢气储存单元10为压缩气瓶，用于储存高浓度的清洁干燥氢气，氢气减压阀11用于对氢气储存单元10输出的高压氢气减压，且厂家tescom，型号为26-2066T66S470BJ，氢气流量计12为可变氢气体积流量计，在流量控制单元21的指令下改变输出的氢气体积流量，且型号为Alicat KM3100，第三开关阀14为手动开关阀，用于关闭和接通第三管路，氢气增湿器13用于对氢气进行湿度调节，型号为H50N，第一开关阀4、第二开关阀8和第三开关阀14均为Parker 73216SN2MT00/E7140C2。

本发明的工作原理：工作人员将样品通过第七管路连通至氢燃料电池测试台16，工作人员根据氢气和空气的体积流量和湿度的目标值，在流量控制单元21设定需要的氢气和空气体积流量值，在湿度控制单元22设定需要的氢气和空气湿度；然后工作人员打开氢气储存单元10和第三开关阀14、第二开关阀8，流量控制单元21根据测试需求及时调整氢气流量计12或空气流量计6，湿度控制单元22根据测试需求及时调整氢气增湿器13、空气增湿器7，使得进入氢燃料电池测试台16的气体达到设定值(空气从第二管路进入氢燃料电池测试台16，氮气从第一管路进入氢燃料电池测试台16，氢气从第三管路进入氢燃料电池测试台16)；然后反应气体在氢燃料电池测试台16进行反应，通过氢燃料电池测试台16和水故障诊断器23对样品25的电压、阳极气体压力降和阴极气体压力降进行监测、预警(通过氢燃料电池测试台16可以实时获取燃料电池电压，氢气进、出口气体压力，空气进、出口气体压力等数据，通过水故障诊断器23对获得的数据进行计算分析，得到阳极气体压力降，阴极气体压力降，对其进行监测，当气体压力降变化异常时进行预警)，以进行水故障诊断；

检测条件如下表

测试结果如图2所示，有三条曲线，自上而下依次为电压、阴极气体压力降、阳极气体压力降，对比了相同工况下的阳极气体压力降与阴极气体压力降，随着试验的进行，阴极侧由于电化学反应生成水，阴极气体压力降快速升高；当产水和排水达到某种动态平衡后，阴极气体压力降趋于稳定，不再明显升高；随着阴极流道的水量增多，阴极与阳极之间的水浓度梯度使部分阴极水通过反渗透作用到达阳极，最终反渗透作用的带水速率高于电拖曳作用的带水速率，阳极流道内的水量开始缓慢增加，此时阳极气体压力降开始增大；由于阳极侧水量少于阴极侧，因此阳极气体压力降明显小于阴极气体压力降。

本发明的控制方式是通过控制器来控制的，控制器的控制电路通过本领域的技术人员简单编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。

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 (5)

1.一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，其特征在于：包括氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构、氢燃料电池测试台(16)，氢燃料电池测试台(16)通过导线连接至电子负载(17)，氢燃料电池测试台(16)的氮气进口端、空气进口端、氢气进口端连通至氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构，氢燃料电池测试台(16)的氮气出口端、空气出口端、氢气出口端分别连通至第四管路、第五管路、第六管路，第五管路上安装空气出口压力传感器(18)，第六管路上安装氢气出口压力传感器(19)，氮气供给机构、空气供给机构、氢气供给机构分别信号连接至流量控制器(21)，空气供给机构、氢气供给机构还分别信号连接至湿度控制器(22)，空气出口压力传感器(18)、氢气出口压力传感器(19)、空气供给机构、氢气供给机构分别信号连接至水故障诊断器(23)。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，其特征在于：氮气供给机构包括氮气储存单元(1)、氮气减压阀(2)、氮气流量计(3)和第一开关阀(4)，氮气储存单元(1)通过第一管路连通至氢燃料电池测试台(16)的氮气进口端，第一管路上自氮气储存单元(1)至氢燃料电池测试台(16)的氮气进口端依次安装氮气减压阀(2)、氮气流量计(3)、第一开关阀(4)，氮气流量计(3)信号连接至流量控制器(21)。

3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，其特征在于：空气供给机构包括空气滤清器(5)、空气流量计(6)、空气增湿器(7)、第二开关阀(8)和空气进口压力传感器(9)，空气滤清器(5)通过第二管路连通至氢燃料电池测试台(16)的空气进口端，第二管路上自空气滤清器(5)至氢燃料电池测试台(16)的空气进口端依次安装空气流量计(6)、空气增湿器(7)、第二开关阀(8)、空气进口压力传感器(9)，空气流量计(6)信号连接至流量控制器(21)，空气增湿器(7)信号连接至湿度控制器(22)，空气进口压力传感器(9)信号连接至水故障诊断器(23)。

4.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，其特征在于：氢气供给机构包括氢气储存单元(10)、氢气减压阀(11)、氢气流量计(12)、氢气增湿器(13)、第三开关阀(14)和氢气进口压力传感器(15)，氢气储存单元(10)通过第三管路连通至氢燃料电池测试台(16)的氢气进口端，第三管路上自氢气储存单元(10)至氢燃料电池测试台(16)的氢气进口端依次安装氢气减压阀(11)、氢气流量计(12)、氢气增湿器(13)、第三开关阀(14)、氢气进口压力传感器(15)，氢气流量计(12)信号连接至流量控制器(21)，氢气增湿器(13)信号连接至湿度控制器(22)，氢气进口压力传感器(15)信号连接至水故障诊断器(23)。

5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池水故障在线诊断测试装置，其特征在于：氢气储存单元(10)和氮气储存单元(1)均为压缩气瓶。

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