CN115939456A - 一种氢燃料电池电堆热管理试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池试验技术领域，具体涉及一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，包括有试验箱、电堆以及循环管路，循环管路中冷却介质为乙二醇溶液，电堆设置于试验箱内，电堆的进堆口与循环管路管道连通，电堆的出堆口与循环管路管道连通，循环管路安装有循环泵以及进堆控制阀，循环管路还连接有辅热管路、去离子管路以及冷却管路，辅热管路安装有管道式加热器，去离子管路安装有去离子器，冷却管路连接有板式换热器，板式换热器还连接有制冷硅油管路，辅热管路、去离子管路以及冷却管路的同端均安装有三通换向阀。本发明能够在电堆试验过程中进行热管理试验，从而推动电堆的研发以及热管理系统的研发。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池试验技术领域，具体涉及一种氢燃料电池电堆热管理试验系统。
背景技术
氢燃料电池技术是一种高效、环境友好的能量转换技术，它通过电化学反应把储存在燃料中的化学能直接转化为电能，相比于传统的内燃机具有更高的转换效率，在如今化石能源紧张与汽车排放污染大环境下，氢燃料电池得到了飞速的发展。
氢燃料电池电堆工作时会产生大量的废热使电堆温度升至高于正常的工作温度，需要根据电堆开发相应的热管理系统，需通过热管理系统进行散热，保证电堆工作温度正常，但目前针对氢燃料电池电堆的试验系统仍然较少，因此我们提出一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，能够在电堆试验过程中进行热管理试验，同时能够监测热管理系统中电堆进堆口处冷却介质的流量、温度以及压力，从而推动电堆的研发以及热管理系统的研发。
发明内容
本发明的目的是：旨在提供一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，用于解决背景技术中存在的问题。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，包括有试验箱、电堆以及循环管路，所述循环管路中冷却介质为乙二醇溶液，所述电堆设置于所述试验箱内，所述电堆的进堆口与所述循环管路的一端管道连通，所述电堆的出堆口与所述循环管路的另一端管道连通，所述循环管路安装有循环泵以及进堆控制阀；所述循环管路还连接有依次并联设置的辅热管路、去离子管路以及冷却管路，所述辅热管路安装有管道式加热器，所述辅热管路两端均与所述循环管路相连通，所述去离子管路安装有去离子器，所述去离子管路两端均与所述辅热管路相连通，所述去离子管路的入口端还安装有离子检测器，所述冷却管路两端均与所述去离子管路相连通，所述冷却管路连接有板式换热器，所述板式换热器还连接有制冷硅油管路，所述辅热管路、所述去离子管路以及所述冷却管路的同端均安装有三通换向阀。
其中，所述辅热管路、所述去离子管路以及所述冷却管路均安装有止回阀，所述电堆的进堆口以及出堆口均安装有压力变送器以及温度变送器，所述电堆的进堆口还安装有流量计。
其中，所述循环管路还连接有注液机构，所述注液机构包括有供给桶、注液管路以及储液桶，所述供给桶下端与所述储液桶上端之间通过所述注液管路相连通，所述注液管路还安装有注液泵、第一单向节流阀以及第一电磁阀，所述储液桶底部与所述循环管路之间管道连接有连通管，所述连通管设置有第二电磁阀。
其中，所述供给桶还管道连接有补液罐，所述补液罐设置有补液泵。
其中，所述供给桶上端还连接有溢流管，所述溢流管连接有溢流水箱，所述供给桶下端还设置有手动排液管，所述手动排液管设置有手动球阀。
其中，所述储液桶还设置有定压模块，所述定压模块包括有氮气充气管路和第一泄压管路，所述氮气充气管路与所述储液桶上端相连通，所述氮气充气管路还设置有第二单向节流阀以及定压阀，所述第一泄压管路一端与所述储液桶上端相连通，所述第一泄压管路还设置有并联设置的泄压控制阀以及安全阀。
其中，所述储液桶还设置有排空主管以及排空旁通管，所述排空主管以及所述排空旁通管均安装有手动阀门，所述排空主管一端与所述循环管路相连通且另一端与所述储液桶上端相连通，所述排空旁通管两端分别与所述排空主管以及所述循环管路相连通。
其中，所述循环管路还设置有吹扫回收模块，所述吹扫回收模块包括有氮气吹扫管路以及回收管路，所述氮气吹扫管路与所述循环管路相连通，所述氮气吹扫管路安装有吹扫控制阀以及第三单向节流阀，所述回收管路一端与所述循环管路相连通且另一端与所述供给桶上端相连通，所述回收管路设置有回收控制阀，所述供给桶上侧设置有第二泄压管路。
其中，所述第一泄压管路以及所述第二泄压管路之间相连通且共同设置有泄压口。
本发明能够进行电堆常规启动试验以及冷启动试验，通过循环管路以及冷却管路能够对电堆进行散热，同时通过定压模块能够调控循环管路的内压，从而为电堆研发以及热管路系统的研发提供试验基础，并且还能够在试验完成后方便的对乙二醇溶液进行回收。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为图1的A处结构放大示意图；
图3为本发明实施例二的结构示意图；
图4为图3的B处结构放大示意图；
图5为本发明实施例三的结构示意图；
主要元件符号说明如下：
实施例一：试验箱100、电堆101、压力变送器1011、温度变送器1012、循环管路102、循环泵1021、进堆控制阀1022、三通换向阀1023、辅热管路103、管道式加热器1031、去离子管路104、去离子器1041、冷却管路105、板式换热器1051、制冷硅油管路1052、止回阀106、供给桶107、补液罐1071、补液泵1072、溢流管1073、溢流水箱1074、手动排液管1075、手动球阀1076、注液管路108、注液泵1081、第一单向节流阀1082、第一电磁阀1083、储液桶109、连通管110、第二电磁阀111；
实施例二：氮气充气管路200、第二单向节流阀2001、定压阀2002、第一泄压管路201、泄压控制阀2011、安全阀2012、排空主管202、排空旁通管203；
实施例三：氮气吹扫管路300、吹扫控制阀3001、第三单向节流阀3002、回收管路301、回收控制阀3011、第二泄压管路302。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
实施例一：
如图1和图2所示的一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，包括有试验箱100、电堆101以及循环管路102，循环管路102中冷却介质为乙二醇溶液，电堆101设置于试验箱100内，电堆101的进堆口与循环管路102的一端管道连通，电堆101的出堆口与循环管路102的另一端管道连通，循环管路102安装有循环泵1021以及进堆控制阀1022。
所述循环管路102还连接有依次并联设置的辅热管路103、去离子管路104以及冷却管路105，辅热管路103安装有管道式加热器1031，辅热管路103两端均与循环管路102相连通，去离子管路104安装有去离子器1041，去离子管路104两端均与辅热管路103相连通，去离子管路104的入口端还安装有离子检测器(图中未示出)，冷却管路105两端均与去离子管路104相连通，冷却管路105连接有板式换热器1051，板式换热器1051还连接有制冷硅油管路1052，辅热管路103、去离子管路104以及冷却管路105的同端均安装有三通换向阀1023。
所述辅热管路103、去离子管路104以及冷却管路105均安装有止回阀106，电堆101的进堆口以及出堆口均安装有压力变送器1011以及温度变送器1012，电堆101的进堆口还安装有流量计(图中未示出)。
所述循环管路102还连接有注液机构，注液机构包括有供给桶107、注液管路108以及储液桶109，供给桶107下端与储液桶109上端之间通过注液管路108相连通，注液管路108还安装有注液泵1081、第一单向节流阀1082以及第一电磁阀1083，储液桶109底部与循环管路102之间管道连接有连通管110，连通管110设置有第二电磁阀111。
通过循环管路102两端分别与电堆101的进堆口和出堆口相连通，在进堆控制阀1022打开后，循环泵1021的启动，能够使得乙二醇溶液在循环管路102中循环流动，进入和流出电堆101，从而电堆101换热带走电堆101的热量；通过在电堆101的进堆口以及出堆口安装的压力变送器1011以及温度变送器1012，能够监测电堆101的进堆口以及出堆口温度以及压力，电堆101的进堆口安装的流量计能够实时监测进入电堆101的乙二醇溶液流量；辅热管路103的管道式加热器1031能够对流过的乙二醇溶液进行加热，通过去离子管路104的入口端安装的离子检测器，能够监测流过的乙二醇溶液中的阴阳离子浓度，去离子器1041则能够去除流过的乙二醇溶液中的阴阳离子，冷却管路105与制冷硅油管路1052之间连接的板式换热器1051使得制冷硅油管路1052能够将流过冷却管路105的乙二醇溶液进行换热制冷；同时辅热管路103、去离子管路104以及冷却管路105所安装的止回阀106能够避免乙二醇溶液发生回流，注液机构则用于向系统充入乙二醇溶液，供给桶107为系统提供乙二醇溶液，注液泵1081将供给桶107中的乙二醇溶液泵出，通过注液管路108进入储液桶109中；注液管路108所设置的第一单向节流阀1082能够避免回流，第一电磁阀1083则用于控制通断；储液桶109中的乙二醇溶液可通过连通管110进入循环管路102中，通过第二电磁阀111即可控制连通管110的通断。
在使用过程中，先进行如下准备工作：
上述系统中的所有阀门打开，通过注液机构的注液泵1081将供给桶107中的乙二醇溶液通过注液管路108泵入储液桶109中，乙二醇溶液通过储液桶109的连通管110流入至系统中，使乙二醇溶液充满循环管路102、辅热管路103、去离子管路104以及冷却管路105中，随后即可进行后续流程。
准备工作完成后，即可进行如下试验：
A、电堆101常规启动试验：
试验箱100内部温度正常，此时电堆101启动，无需辅热，连通管110通过第二电池阀111断开，通过三通换向阀1023将辅热管路103与循环管路102相断开以及去离子管路104与循环管路102相断开，使乙二醇溶液不会流入辅热管路103以及去离子管路104，冷却管路105与循环管路102之间相连通；
随着电堆101工作温度升高，循环泵1021工作将乙二醇溶液在循环管路102中循环流动，当乙二醇溶液流过冷却管路105时，通过制冷硅油管路1052将乙二醇溶液制冷，制冷后的乙二醇溶液在流过电堆101的过程中，即可将电堆101产生的热量吸收，随着乙二醇溶液在循环管路102中循环，从而能够持续的将电堆101所产生的热量吸收，对电堆101进行散热；
B、电堆101冷启动试验：
低温静置，打开连通管110的第二电磁阀111，使试验箱100内部形成低温环境，因乙二醇溶液随温度变化发生体积变化，在达到所需低温环境且储液桶109内液面不再变化后，关闭第二电磁阀111后进行辅热，辅热时，通过三通换向阀1023将辅热管路103与循环管路102之间相连通，去离子管路104与循环管路102相断开以及冷却管路105与循环管路102相断开，使乙二醇溶液不会流入去离子管路104以及冷却管路105，管道式加热器1031开启，循环泵1021工作将乙二醇溶液在循环管路102中循环流动，当乙二醇溶液流过辅热管路103时，通过管道式加热器1031将乙二醇溶液加热，加热后的乙二醇溶液在流过电堆101的过程中能够对电堆101进行辅热，从而使得电堆101迅速冷启动；
冷启动完成后，随着电堆101工作温度升高，通过三通换向阀1023将辅热管路103与循环管路102相断开，同时再将冷却管路105与循环管路102之间相连通，通过冷却管路105将乙二醇溶液冷却对电堆101进行散热。
同时，在上述试验过程中，若检测到的循环管路102中乙二醇溶液的阴阳离子浓度超过了设定值，则通过三通换向阀1023将去离子管路104与循环管路102之间相连通，当乙二醇溶液流过去离子管路104时，通过去离子器1041将乙二醇溶液中的阴阳离子去除，从而降低乙二醇溶液的阴阳离子浓度，并且，在上述试验过程中，电堆101工作温度升高时，由于乙二醇溶液吸热后温度变化引起体积变化，体积膨胀时系统管道内压增大，因此，在压力传感器检测到内压过大时，连通管110的第二电磁阀111打开，通过储液桶109进行缓冲和泄压，系统管道内压稳定后，将第二电磁阀111关闭。
进一步的，如图1所示，供给桶107还管道连接有补液罐1071，补液罐1071设置有补液泵1072，供给桶107上端还连接有溢流管1073，溢流管1071连接有溢流水箱1074，供给桶107下端还设置有手动排液管1075，手动排液管1075设置有手动球阀1076。
补液罐1071可采用大型容器盛装乙二醇溶液，通过补液泵1072启动，能够将补液罐1071中的乙二醇溶液泵入供给桶107中，供给桶107设置的溢流管1073能够将过量的乙二醇溶液溢出至溢流水箱1074，同时，设置手动排液管1075以及手动球阀1076使人们能够手动的将供给桶107的乙二醇溶液排出。
实施例二：
在实施例一的基础上作进一步优化，如图3和图4所示，储液桶109还设置有定压模块，定压模块包括有氮气充气管路200和第一泄压管路201，氮气充气管路200与储液桶109上端相连通，氮气充气管路200还设置有第二单向节流阀2001以及定压阀2002，第一泄压管路201一端与储液桶109上端相连通，第一泄压管路201还设置有并联设置的泄压控制阀2011以及安全阀2012；
储液桶109还设置有排空主管202以及排空旁通管203，排空主管202以及排空旁通管203均安装有手动阀门，排空主管202一端与循环管路102相连通且另一端与储液桶109上端相连通，排空旁通管203两端分别与排空主管202以及循环管路102相连通。
在对电堆101进行上述试验时，能够进行循环管路102的内压调控，调控时，先将连通管110的第二电磁阀111打开，再将氮气通过氮气充气管路200充入储液桶109，设置的第二单向节流阀2001能够避免回流，储液桶109由于充入了氮气，内压增大，通过储液桶109的气体内压增加系统管路压力，而设置的定压阀2002、泄压控制阀2011以及安全阀2012则用于保护氮气充气管路200、储液桶109以及第一泄压管路201，当内压过大时能够自动的泄压；
同时在进行准备工作充满乙二醇溶液时，人们通过打开排空主管202以及排空旁通管203的手动阀门，系统管道内的气体能够通过排空主管202以及排空旁通管203进入储液桶109中，通过打开泄压控制阀2011，由第一泄压管路201排空，排空后将排空主管202以及排空旁通管203的手动阀门关闭。
实施例三：
在实施例二的基础上作进一步改进，如图5所示，循环管路102还设置有吹扫回收模块，吹扫回收模块包括有氮气吹扫管路300以及回收管路301，氮气吹扫管路300与循环管路102相连通，氮气吹扫管路300安装有吹扫控制阀3001以及第三单向节流阀3002，回收管路301一端与循环管路102相连通且另一端与供给桶107上端相连通，回收管路301设置有回收控制阀3011，供给桶107上侧设置有第二泄压管路302。
在试验后，回收乙二醇溶液时，先将连通管110的第二电磁阀111关闭，再将回收管路301的回收控制阀3011打开以及将氮气吹扫管路300的吹扫控制阀3001打开，然后将氮气通过氮气吹扫管路300充入循环管路102中，设置的第三单向节流阀3002能够避免回流，氮气通入循环管路102后，能够同步的推动乙二醇溶液通过回收管路301回收至供给桶107中；
在乙二醇溶液回收至供给桶107后，过量的乙二醇溶液能够进入溢流水箱1074进行存储和泄压，并且通入供给桶107中的氮气能够通过第二泄压管路302进行泄压。
进一步的，第一泄压管路201以及第二泄压管路302之间相连通且共同设置有泄压口。
在第一泄压管路201以及第二泄压管路302进行泄压时，能够通过共同的泄压口排气泄压，在第一泄压管路201进行排空时，也能够通过泄压口排空。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，包括有试验箱、电堆以及循环管路，所述循环管路中冷却介质为乙二醇溶液，其特征在于：所述电堆设置于所述试验箱内，所述电堆的进堆口与所述循环管路的一端管道连通，所述电堆的出堆口与所述循环管路的另一端管道连通，所述循环管路安装有循环泵以及进堆控制阀；
所述循环管路还连接有依次并联设置的辅热管路、去离子管路以及冷却管路，所述辅热管路安装有管道式加热器，所述辅热管路两端均与所述循环管路相连通，所述去离子管路安装有去离子器，所述去离子管路两端均与所述辅热管路相连通，所述去离子管路的入口端还安装有离子检测器，所述冷却管路两端均与所述去离子管路相连通，所述冷却管路连接有板式换热器，所述板式换热器还连接有制冷硅油管路，所述辅热管路、所述去离子管路以及所述冷却管路的同端均安装有三通换向阀。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，其特征在于：所述辅热管路、所述去离子管路以及所述冷却管路均安装有止回阀，所述电堆的进堆口以及出堆口均安装有压力变送器以及温度变送器，所述电堆的进堆口还安装有流量计。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，其特征在于：所述循环管路还连接有注液机构，所述注液机构包括有供给桶、注液管路以及储液桶，所述供给桶下端与所述储液桶上端之间通过所述注液管路相连通，所述注液管路还安装有注液泵、第一单向节流阀以及第一电磁阀，所述储液桶底部与所述循环管路之间管道连接有连通管，所述连通管设置有第二电磁阀。
4.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，其特征在于：所述供给桶还管道连接有补液罐，所述补液罐设置有补液泵。
5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，其特征在于：所述供给桶上端还连接有溢流管，所述溢流管连接有溢流水箱，所述供给桶下端还设置有手动排液管，所述手动排液管设置有手动球阀。
6.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，其特征在于：所述储液桶还设置有定压模块，所述定压模块包括有氮气充气管路和第一泄压管路，所述氮气充气管路与所述储液桶上端相连通，所述氮气充气管路还设置有第二单向节流阀以及定压阀，所述第一泄压管路一端与所述储液桶上端相连通，所述第一泄压管路还设置有并联设置的泄压控制阀以及安全阀。
7.根据权利要求6所述的一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，其特征在于：所述储液桶还设置有排空主管以及排空旁通管，所述排空主管以及所述排空旁通管均安装有手动阀门，所述排空主管一端与所述循环管路相连通且另一端与所述储液桶上端相连通，所述排空旁通管两端分别与所述排空主管以及所述循环管路相连通。
8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，其特征在于：所述循环管路还设置有吹扫回收模块，所述吹扫回收模块包括有氮气吹扫管路以及回收管路，所述氮气吹扫管路与所述循环管路相连通，所述氮气吹扫管路安装有吹扫控制阀以及第三单向节流阀，所述回收管路一端与所述循环管路相连通且另一端与所述供给桶上端相连通，所述回收管路设置有回收控制阀，所述供给桶上侧设置有第二泄压管路。
9.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池电堆热管理试验系统，其特征在于：所述第一泄压管路以及所述第二泄压管路之间相连通且共同设置有泄压口。
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