CN114001912A - 一种基于风洞原理的燃料电池环境舱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，涉及燃料电池舱测试技术领域。该发明为了解决燃料电池系统试验舱内流场控制问题，避免舱内出现局部湍流，在舱体上开设微流道，微流道是指在燃料电池系统试验舱进风口一侧的侧壁和底面开出的小型风口，通过管道和微流道风机相连，每一个微流道风口单元可以单独开闭。在燃料电池系统试验舱顶部和吸风口一侧开出小型吸风口，通过管道与吸风口相连。燃料电池系统大功率工作时，微流道可以用于吹散主风道循环时形成的湍流，改散流场；并且可以用于吹散舱内局部聚集的氢气；在燃料电池系统作冷浸实验时，主风道关闭，依靠微流道循环可用于保持较低风速的情况下，实现舱内空气温度稳。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池舱测试技术领域，具体为一种基于风洞原理的燃料电池环境舱。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题的日益严重，新能源汽车得到了快速发展的机遇，其中氢燃料电池汽车作为终极清洁能源，在载货汽车、大型载客汽车应用方面有其独特的技术和环保优势，是未来新能源汽车发展的主要方向之一。氢燃料电池发电系统(以下简称系统)测试试验舱因其涉氢安全要求高、发热量大、新风需求量大等因素，受现有技术的制约，当前常规使用的普通环境试验舱无法满足燃料电池测试需要，无法支持燃料电池系统大功率持续运行。当前现有的通用环境试验舱存在的缺陷：
1、传统环境试验舱采用舱内对流的换热的方式会因为舱内热量过大，舱内空气质量有限而出现温差大，进而导致舱内温度紊乱，使试验工作无法进行；
2、传统环境试验舱采用舱内对流的循环的方式会出现湿度紊乱，使试验工作无法进行；
3、传统环境实验舱内局部湍流较多，流场传统环境舱所占空间大。
如现有申请号CN2016212025466的实用新型公开了一种用于燃料电池系统性能试验的环境舱。
该发明虽然解决了一些问题，但是在使用时依然存在以下等问题需要解决：
基于燃料电池系统电化学特性，其工作中化学能转化为发热量与发电量的比值约为55％:45％，以150kw发电功率的燃料电池系统为例，其发热量约185kw。而按照燃料电系统试验舱的舱容，以60m3舱为例，空气密度为1.2kg/m3舱，内空气总质量约72kg,总比热定压比热容cp＝1.003kJ/(kg*℃)，根据环境试工况要求温差Δt小于2℃，如下式：
Q＝Cp.r.Vs.ΔT
Q为舱内空气热负荷，单位为：kw,Cp为定压比热容，单位为kj/kg/℃；r为空气密度，单位为kg/m3；Vs为舱容积，单位为m3；ΔT为舱内温差，单位为℃。代入上式
Q＝Cp.r.Vs.ΔT
＝1.003kJ/(kg*℃)*1.2kg/m3*60m3*2℃
＝144kj
P为燃料电池系统舱内散功率,单位为kw(kj/s)；t为时间，单位为s。以150kw发电量的燃料电池为例，其发热量为185kw，根据下式：
P＝Q/t
所以有
t＝Q/P
＝144kj÷185kj/s
≈0.8s
根据以上计算结果，如果采用传统对流舱，按照60m3的舱容，载入150kw发电量的燃料电池系统，其在0.8秒内，舱内空气温度差将超过2℃，无法满足燃料电池系统可靠性试验需求。
另外舱内的湍流会导致有气体始终在湍流气旋中无法参与循环，导致舱内的换热效果变差，同时也会导致氢气在舱内慢慢聚集，引发更大的危险。因此有必要设计出一种新的燃料电池舱来解决上述问题。
于是，本申请人秉持多年该相关行业丰富的设计开发及实际制作的经验，针对现有的结构及缺失予以研究改良，提供一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，以期达到更具有实用价值性的目的。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，解决了现有燃料电池仓换热量不足且无法应对舱内湍流的问题。
(二)技术方案
为了满足燃料系统环境可靠性试验需求，本发明采用风洞式循环风流道，模仿汽车行进时的新风从车头前方进吹向车身，热风从车身后部吹出的流场模型，采用舱内空气平流流场设计。温度、温度受控的新鲜空气从一侧舱壁吹向燃料电池系统及燃料电池系统散热器，热空气从舱壁另一侧经吸气风道吸出，再经由舱外换热器、加热器、加湿除湿器等设备控温控湿后，再经由舱壁吸风口吹出，以此循环(如图3)。
采用此循环方式，流经对环境温度比较敏感的燃料电池系统空压机和燃料电池散热器的空气为经过控温控湿的循环空气，而舱内被燃料电池系统和燃料电池换热器加热的循环空气被吸风口及时吸走，避免在舱内存留循环以，解决了舱内冷热空气交叉对流循环的问题，防止舱内温度紊乱。
本发明为了解决燃料电池系统试验舱内流场控制问题，避免舱内出现局部湍流，其中一项创新为微流道。微流道是指在燃料电池系统试验舱进风口一侧的侧壁和底面开出的小型风口，通过管道和微流道风机相连，每一个微流道风口单元可以单独开闭。在燃料电池系统试验舱顶部和吸风口一侧开出小型风口，通过管道与进风口相连，每一个微流道风口可以单独开闭。燃料电池系统大功率工作时，微流道可以用于吹散主风道循环时形成的湍流，改散流场；并且可以用于吹散舱内局部聚集的氢气；在燃料电池系统作冷浸实验时，主风道关闭，依靠微流道循环可用于保持较低风速的情况下，实现舱内空气温度稳定。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，包括舱体，所述舱体上开设有进风口和吸风口，所述吸风口连接有风道，所述风道的另一端与舱体的进风口连通，所述风道内设置有循环风机和换热器，所述舱体上开设有为微流道风口，所述循环风机出口与微流道风口连通。
优选的，所述循环风机进口设置有新风入口。
优选的，所述循环风机出口设置有排氢口。
优选的，所述循环风机出口与舱体的进风口之间的风道内的拐弯处设置有导流板。
优选的，所述舱体的进风口内设置有整流板。
优选的，所述进风口的出风口处设置有风向调整板。
优选的，所述舱体内的底部设置有样件平台。
优选的，所述换热器为制冷、制热换热器中的一种。
优选的，所述舱体的顶部设置有斜度大于5°斜顶，所述斜顶最高处设置强排口，所述舱体顶部设置的微流道风口与强排口连通。
优选的，所述强排口内安装有防爆风机。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于风洞原理的燃料电池环境舱。具备以下有益效果：
(1)该基于风洞原理的燃料电池环境舱采用风洞式设计，提高换热量，在环境舱的舱壁上设置微流道风口，可以将气流湍流而产生的气旋吹散来进一步提升换热效果，并且在冷态试验中可以关闭舱体的进风口，开启微流道风口，利用微流道风口的风量即可完成试验。
(2)该基于风洞原理的燃料电池环境舱在舱体顶部设置强排口，可以将舱内的氢气排出，减少因氢气聚集而引发的危险。
附图说明
图1为本发明使用状态系统图；
图2为舱体结构示意图；
图3为空气循环示意图。
图中：1、舱体；2、强排口；3、吸风口；4、风道；5、新风入口；6、循环风机；7、换热器；8、介质加热器；9、导流板；10、排氢口；11、整流板；12、风向调整板；13、微流道风口；14、样件；15、样件平台。
具体实施方式
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。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。
实施例1：实现本发明功能的最基本单元
一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，包括舱体1，舱体1上开设有进风口和吸风口3，吸风口3连接有风道4，风道4的另一端与舱体1的进风口连通，风道4内设置有循环风机6和换热器7，舱体1上开设有为微流道风口13，循环风机6出口与微流道风口13连通，舱体1的顶部设置有斜度大于5°斜顶，斜顶最高处设置强排口2，舱体1顶部设置的微流道风口13与强排口2连通。
其中：
舱体1：舱体1由保温板组装而成，舱体1内侧采用不锈钢内胆焊接实现气密。
吸风口3：吸风口3设置在舱壁侧上方，以便于热空气和氢气排除，以便于密度低于空气平均密度的氢气和热空气被吸出。
风道4：风道4由保温板组装而成，内侧由不锈钢内衬焊接而成，以增大空气流通横截面积，降低空气流速，以便于比空气平均密度小的氢气从分离排除。
换热器7：换热器7可以是制冷换热器或制热换热器。
循环风机6：防爆循环风机为舱内空气提供循环动力。
微流道风口13：用于辅助出风，一般会在在舱体1内容易形成湍流气旋的位置处设置微流道风口13，同时为了方便对微流道风口13流量的调控，会在有循环风机6与微流道风口13之间加设调节阀。
在实施过程中也可以采用微流道风机给微流道风口13提供风源，微流道风机的进口可以与循环风机6出口连通，也可以选择与空气直接连通。
每个单独的微流道风口13都可以设置调节阀来进行调节。
实施例2：为了在舱体中引入新风
在实施例1的区别在于，循环风机6进口设置有新风入口5。
实施例3：为了降低风道4内的氢气浓度
在实施例1的区别在于，循环风机6出口设置有排氢口10。
实施例4：
在实施例1的区别在于，循环风机6出口与舱体1的进风口之间的风道4内的拐弯处设置有导流板9。
实施例5：对风道内的气流进行整流
在实施例1的区别在于，舱体1的进风口内设置有整流板11，整流板安装于接近风道4出口出，以对风道4内空气进行整流，使出风平滑无湍流。
实施例6：为了调整进风口的风向
在实施例1的区别在于，进风口的出风口处设置有风向调整板12。
实施例7：为了放置样件14
在实施例1的区别在于舱体1内的底部设置有样件平台15。
实施例8：为了进一步降低舱体1内的氢气浓度
在实施例1基础上，强排口2内安装有防爆风机。
实施例9：为了调整微流道风口13出风的流动的方向
在实施例1的基础上，舱体1的进风口一侧的侧壁和舱体1的底面的微流道风口13通过管道和微流道风机(可以是循环风机6)相连，舱体1的吸风口3一侧的侧壁和舱体1的顶面的微流道风口13通过管道和吸风口3相连。
系统正常运行时：将样件14防止在样件平台15上，空气被风道4内的循环风机6加压后通过换热器7冷却后再通过介质加热器8、导流板9、整流板11后进入舱体1，同时也有一部分空气被加压后通过微流道风口13进入舱体1，由于微流道风口13的设置在湍流气旋的所在位置，可以将舱体1内对应位置的湍流气旋吹散，使气旋内的空气进入循环。进入舱体1内的空气会对样件14进行冷却后从吸风口3进入风道4，再与从新风入口5进入的新风会和后进入循环风机6。其中介质加热器8出口的风道4上设置有排氢口10，可以将风道4内的氢气排出。
系统进行冷浸实验时：将样件14防止在样件平台15上，通过调整风向调整板12的角度来关闭舱体1的进风口，同时也保证循环风机6与微流道风口13之间的调节阀开启，以保证舱体1内的空气循环。
综上所述，该基于风洞原理的燃料电池环境舱采用风洞式设计，提高换热量，在环境舱的舱壁上设置微流道风口，可以将气流湍流而产生的气旋吹散来进一步提升换热效果，并且在冷态试验中可以关闭舱体的进风口，开启微流道风口，利用微流道风口的风量即可完成试验。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，包括舱体(1)，所述舱体(1)上开设有进风口和吸风口(3)，其特征在于：所述吸风口(3)连接有风道(4)，所述风道(4)的另一端与舱体(1)的进风口连通，所述风道(4)内设置有循环风机(6)和换热器(7)，所述舱体(1)上开设有微流道风口(13)，所述微流道风口(13)与舱体(1)内的湍流处相对，所述循环风机(6)出口与微流道风口(13)连通，所述舱体(1)的顶部设置有强排口(2)，所述舱体(1)顶部设置的微流道风口(13)与强排口(2)连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，其特征在于：所述循环风机(6)进口设置有新风入口(5)。
3.根据权利要求1所述的一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，其特征在于：所述循环风机(6)出口设置有排氢口(10)。
4.根据权利要求1所述的一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，其特征在于：所述循环风机(6)出口与舱体(1)的进风口之间的风道(4)内的拐弯处设置有导流板(9)。
5.根据权利要求1所述的一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，其特征在于：所述舱体(1)的进风口内设置有整流板(11)。
6.根据权利要求1所述的一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，其特征在于：所述进风口的出风口处设置有风向调整板(12)。
7.根据权利要求1所述的一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，其特征在于：所述舱体(1)内的底部设置有样件平台(15)。
8.根据权利要求1所述的一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，其特征在于：所述换热器(7)为制冷、制热换热器中的一种。
9.根据权利要求8所述的一种基于风洞原理的燃料电池环境舱，其特征在于：所述强排口(2)内安装有防爆风机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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