CN116111136A - 带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台 - Google Patents

Abstract

本发明属于质子交换膜燃料电池测试技术领域，公开了带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台，利用现有低温电堆检测装置，以原有功能控制处理进堆氧化剂和燃料流体流量和压力，流体初步控制在低温测试台的额定最高温度之内，经过上述转换模块，升温至高温电堆进堆的高温条件；出堆的氧化剂和燃料流体，经过上述转换模块，降温至不高于低温测试台的最高额定温度，然后进入低温测试台；高温电堆的高温冷却液通过该转换模块，将高温的待冷却的热源通过中间转换模块转移给低温测试台，低温测试台使用的外冷源循环水不直接与高温电堆的冷却液交换热量，降低单台设备的制造复杂性，缩短制造周期，降低新设备投入成本，检查和维修方便。

Description

带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台

技术领域

本项发明属于质子交换膜燃料电池测试技术领域，涉及带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台，具体地说，是一种在低温电堆测试台与被测高温电池之间增设温度转换装置的一种检测技术。

背景技术

氢质子交换膜燃料电池(PEMFC)的研发和生产检测、处理，都需使用测试台，根据电堆运行温度，可以分为低温电堆(LT-PEMFC)和高温电堆(HT-PEMFC)，其温度分界线一般是按照常温常压时水的沸点100℃划分，其冷却剂介质则分别采用纯水或含乙二醇的冷却剂、沸点高于电堆运行温度的导热油等。当前对低温电堆已经开展的检测工作远远超过对高温电堆的检测。

另外，高温电堆特点之一是对阴极阳极的气体一般不使用水增湿。

由于高温电堆检测开展比较少，单独建立一套完整的测试台则显得代价高昂。而低温电堆检测设备则比较多见，利用现有的低温电堆检测设备，采用增量模块解决这个问题，不失为一种快速有效，并且成本低的方法，特别是实验室已有低温测试台的情况下，尤其是高温电堆的功率一般较小，而一些小功率的低温测试台闲置较多，仅连接即可完成的改造更为方便，重新利用的意义更大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对高温氢质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)电堆的检测条件，利用由低温燃料电池(LT-PEMFC)检测装置和中间温度转换模块组成。具体是利用现有的低温电堆测试台，以原有功能控制和处理进堆氧化剂和燃料流体的温度流量和压力，所述流体初步升温至低温测试台能够处理的最高温度，经过该转换模块，升温至高温电堆的高温条件进入高温电堆；出高温电堆的氧化剂和燃料流体，经过该转换模块，降温至不高于低温测试台能够处理的额定最高温度的条件，然后进入低温测试台；高温电堆的高温冷却剂通过该转换模块，将高温的待冷却的热源转移给低温测试台，低温测试台使用的外冷源循环水不直接与高温电堆的冷却剂交换热量。

本发明通过利用现有装置，以增量式转换模块完成高温燃料电池的检测，降低单台设备的制造复杂性，缩短制造周期，降低测试成本，其检查和维修方便。

本发明中，低温测试台对燃料、氧化剂的压力和流量控制、气体增湿控制、排放控制、冷却循环控制等是现有电堆已知测试台技术，具体包括相关流量检测或控制器、温度检测器、压力检测器、湿度检测器、加热器、补水器、阀门、分水器、膨胀水箱、保温材料等。

高温导热油循环泵对电堆使用待测高温电堆指定的特定导热油，避免介质性能与高温电堆实际采用的导热油性质不同而影响电堆真实性能的测定，以及避免污染或腐蚀等问题发生。

带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台，其中下半段改造：测试台冷却水循环泵与测试台换热器管道连接，在两者的管道之间接入高温换热器，高温换热器与电堆冷却剂出口之间管道连接，高温换热器与电堆冷却剂出口之间的管道设有截止阀，高温换热器依次与高温导热油循环泵、导热油高温入堆预热器、电堆冷却剂进口管道连接，高温换热器与高温导热油循环泵之间的管道接有旁通阀，旁通阀的另一端通过管道接入电堆冷却剂出口；上半段改造：电堆氧化剂气体出口与氧化剂气体尾气排放控制器之间的管道接入氧化剂高温气体排放降温换热器，电堆氧化剂气体入口与氧化剂气源之间的管道接入氧化剂气体入堆高温升温器，电堆燃料气体出口与燃料气体尾气排放控制器之间的管道接入燃料高温气体排放降温换热器，电堆燃料气体入口与燃料气体增湿增温控制器之间的管道接入燃料气体入堆高温升温器。

进一步的，所述氧化剂气体入堆高温升温器与氧化剂气源之间的管道接入氧化剂高温换热器，燃料气体入堆高温升温器与燃料气体增湿增温控制器之间的管道接入燃料高温换热器。

进一步的，所述氧化剂高温换热器和燃料高温换热器分别通过管道与去离子水罐连接，氧化剂高温换热器与离子水罐之间的管道设有计量泵B，燃料高温换热器与离子水罐之间的管道设有计量泵A。

进一步的，所述上半段改造还可以为：电堆氧化剂气体出口与氧化剂气体尾气排放控制器之间的管道，电堆氧化剂气体入口与氧化剂气源之间的管道，同时接入氧化剂高温换热器，电堆燃料气体出口与燃料气体尾气排放控制器之间的管道，电堆燃料气体入口与燃料气体增湿增温控制器之间的管道，同时接入燃料高温换热器。

进一步的，所述高温导热油循环泵优选为转速可控的调频离心泵。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

本发明与现有技术相比的有益之处在于：

1)通过利用现有装置进行改造，降低单台设备的制造复杂性，缩短制造周期，降低测试成本；

2)以对原有装置结构采用增量方式，检查和维修都比较方便；

3)撤出转换模块后，装置仍可正常用于常规低温电堆的检测，通用性强；

4)以较小的代价解决高温质子交换膜燃料电池的测试问题。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是原低温电堆测试台基本结构示意图；

图2是插入中间转换模块形成高温电堆测试台的基本结构示意图；

图3是插入中间转换模块形成高温电堆测试台的另一种基本结构示意图；

图4是简化阴阳极气体温度处理和对高温冷却剂加入旁路循环的结构示意图；

图5是增加高温湿度的基本结构示意图。

图中：01，燃料压力和流量控制器；02，燃料气源；03，燃料气体增湿增温控制器；04，燃料气体尾气排放控制器；05，燃料气体排放控制器；06，氧化剂压力和流量控制器；07，氧化剂气源；08，氧化剂气体增湿增温控制器；09，氧化剂气体尾气排放控制器；10，氧化剂气体排放控制器；11，外源冷却水出换热器；12，外源冷却水进换热器；13，外源冷却水控制器；14，测试台换热器；15，测试台冷却水循环泵；16，测试台分界；17，电堆冷却剂出口；18，电堆冷却剂进口；19，低温电堆；20，电堆燃料气体入口；21，电堆燃料气体出口；22，电堆氧化剂气体入口；23，电堆氧化剂气体出口；24，燃料气体入堆高温升温器；25，氧化剂气体入堆高温升温器；26，燃料高温气体排放降温换热器；27，氧化剂高温气体排放降温换热器；28，高温换热器；29，截止阀；30，旁通阀；31，高温导热油循环泵；32，导热油高温入堆预热器；33，转换模块分界；34，高温电堆；35，燃料高温换热器；36，氧化剂高温换热器；37，去离子水罐；38，计量泵A；39，计量泵B。

具体实施方式

为更好地理解本项发明，下面结合附图，包括常规低温电堆(LT-PEMFC)测试台基本结构示意图，作为本项发明的基础做简要叙述，通过实施例阐述技术内容，但不限制本发明的保护范围。

参考例

参见图1。

低温燃料电池的测试台(检测系统)包括流体、电力、通讯，本发明重点阐述流体的温度转换技术，略去常规技术已知的电力、通讯部分，以使发明内容清晰。

针对于流体部分，本发明所利用的测试台包括对原料氢气、氧化剂空气的温度、湿度、压力、流量控制，还包括对冷却剂的温度、压力、流量的控制。以测试台分界16划分测试台和被测低温电堆19。

燃料来自于燃料气源02，经过燃料压力和流量控制器01、燃料气体增湿控制器03，进入电堆19的电堆燃料气体入口20；低温电堆19反应后的燃料气体经过电堆燃料气体出口21，在燃料气体排放控制器05的处理和控制下，通过燃料气体尾气排放控制器04，完成燃料氢气的流程。燃料氢气温度是室温至80℃，压力是20～300kPag，湿度是RH0～100％。

氧化剂来自于氧化剂气源07，经过氧化剂压力和流量控制器06、氧化剂气体增湿控制器08，进入低温电堆19的电堆氧化剂气体入口22；低温电堆19反应后的氧化剂气体经过电堆氧化剂气体出口23，在氧化剂气体排放控制器10的处理和控制下，通过氧化剂气体尾气排放控制器09，完成氧化剂空气的流程。氧化剂空气温度是室温至80℃，压力是20～300kPag，湿度是RH0～100％。

测试台换热器14通过外源的冷水循环，将电堆19的热量转移到外界。测试台换热器14的冷侧使用外源冷却水控制器13控制外源冷却水进换热器12，从而进入测试台换热器14，外源冷却水出换热器11离开测试台换热器14；测试台换热器14的热侧使用测试台冷却水循环泵15控制电堆冷却水从电堆冷却剂进口18进低温电堆19，从电堆冷却剂出口17离开低温电堆19，返回测试台换热器14。外源冷水循环温度是7～20℃，测试台冷却水循环泵15向低温电堆19提供电堆冷却剂循环，循环量由电堆参数确定，外源冷水流量由电堆冷却剂进出温度决定，该温度一般是50～80℃。

实施例1

参见图2，在参考例的基础上，即，原有测试台基础上，以图中测试台分界16、转换模块分界(33)为标识，在测试台和高温电堆34之间插入转换模块，该转换模块包括燃料氢气线路的燃料气体入堆高温升温器24、燃料高温气体排放降温换热器26，氧化剂空气线路的氧化剂气体入堆高温升温器25、氧化剂高温气体排放降温换热器27，冷却线路的高温换热器28、高温导热油循环泵29，还包括用于高温电堆34启动升温的导热油高温入堆预热器32、截止阀29、旁通阀30。高温换热器28的热侧串接有高温导热油循环泵31、进入电堆冷却剂进口18，从电堆冷却剂出口17经过截止阀29返回高温换热器28形成回路；在电堆冷却剂出口17、截止阀29之间管路上连接有支路，高温换热器28与高温导热油循环泵31之间的管路里也连接有支路，两支路连接到旁通阀30，形成一条支路，在旁通阀30控制该支路的开关。高温导热油循环泵31优选为转速可控的调频离心泵。

在高温电堆34启动时，电堆温度使用上述支路，开启旁通阀30、关闭截止阀29、开启高温导热油循环泵31、开启导热油高温入堆预热器32的电源进行加热，当高温电堆34温度达到电堆运行条件设定的温度后，关闭导热油高温入堆预热器32的电源、开启截止阀29、关闭旁通阀30、开启高温电堆34的发电运行，冷却回路对高温电堆34运行状态的温度进行控制。

高温电堆34运行中，上述经过测试台处理的燃料、氧化剂、冷却剂，在中间转换模块中与高温电堆34进行交换。

其中，燃料高温气体排放降温换热器26、氧化剂高温气体排放降温换热器27使用外源的冷却循环水作为冷源，将燃料高温气体排放温度和氧化剂高温气体的温度降低。

测试台提供燃料气体温度是室温至80℃，压力是20～300kPag，可选地，具有湿度控制，湿度是RH0～100％；燃料气体经过燃料气体入堆高温升温器32，燃料气体温度升高至入堆温度要求，具体范围是100～200℃；可选地，具有进一步增加水量的湿度控制，湿度是RH0～100％；出堆的燃料尾气经过燃料高温气体排放降温换热器26，降低到50～80℃，进入测试台，测试台以原有条件处理这种经过降温的阳极尾气。降温的冷源是测试台提供的冷水。

测试台提供氧化剂空气温度是室温至80℃，压力是20～300kPag，可选地，具有湿度控制，湿度是RH0～100％；氧化剂空气经过空气入堆高温升温器25，氧化剂空气温度升高至入堆温度要求，具体范围是100～200℃；可选地，具有进一步增加水量的湿度控制，湿度是RH0～100％；出堆的氧化剂尾气经过氧化剂高温气体排放降温换热器27，降低到50～80℃，进入测试台，测试台以原有条件处理这种经过降温的阴极尾气。降温的冷源是电堆提供的冷水。

在测试台冷却剂循环泵15提供高温换热器28的冷端循环，该循环温度是50～80℃；高温导热油循环泵31提供高温换热器28的热端导热油循环动力，循环温度是100～200℃。通过高温换热器28，将高温电堆34的高温热，传递成测试台能够处理的50～80℃的低温热，由测试台冷却水循环泵15经过测试台和模块之间的冷却剂管道传递给测试台换热器14，测试台再将该热量经过测试台换热器14传递给外循环冷却水。

高温电堆34入堆和出堆的各种流体连接管优选不锈钢管，并至少每条管路具有一段不锈钢薄壁波纹管。

实施例2

参见图3，与实施例1不同的是，增加燃料高温换热器35、氧化剂高温换热器36，用于高温电堆34的高温尾气热量利用，将经过测试台升温的燃料气体和氧化剂气体使用出堆的高温尾气进一步加热，降低燃料气体入堆高温升温器24、氧化剂气体入堆高温升温器25的电能消耗，节省用于加热的电力。

实施例3

参见图4，不增湿并利用电堆尾气热量进行预热的高温质子交换膜燃料电池的检测。

不增湿的控制包括，测试台中停止燃料气体增湿增温控制器03、氧化剂气体增湿增温控制器08的增湿功能，保留对燃料、氧化剂的升温加热控制。

相对于实施例2，保留燃料高温换热器35、氧化剂高温换热器36，用于高温电堆34的高温尾气热量利用，取消进堆前对经过高温换热的燃料和氧化剂的进一步升温，取消对经过换热的、排放的尾气的进一步降温。

在导热油循环回路中使用流量可控的旁通阀30，在高温电堆34需要小的导热油流量并维持较高温度时，分流进入高温换热器28的导热油的流量，减少对高温电堆34的热量转移。

此例特别适用于大功率、连续的长时间运行，包括寿命和重复工况测试，以节约电力消耗。

实施例4

参见图5，并参考图3与实施例2。高温堆一般不采用增湿技术，本例用于可选地提高进堆的高温气体的湿度。

在压力不变的条件下，由于测试台提供的湿度是在测试台输出的，因此其温度经过中间转换模块升温后，相对湿度降低，如果该相对湿度低于高温电堆的进堆要求，则需要增加水量并蒸发成气态。

中间转换模块具有氢离子水储罐35、计量泵A36、计量泵B37，氢离子水储罐35对计量泵A36、计量泵B37提供去离子水，计量泵A36通过管道在燃料高温换热器35的下端燃料进气口对燃料气体喷入水雾增湿，计量泵B37通过管道在氧化剂高温换热器36的下端燃料进气口对氧化剂气体喷入水雾增湿，加入的水量根据计算获得。

根据目标温度下的相对湿度饱和度，分别计算阳极和阴极，加入水的摩尔流量是：

Fw＝Fac*Pw*RHac/(Ps-Pw*RHac)

其中：

Fw，原料干气气体摩尔流量(阳极气体或阴极气体)；

Ps，总压(阳极气体或阴极气体)；

Pw，设定进堆温度下的目标水饱和蒸气压；

RHac，该条件下的相对饱和度目标值。

以上所述实施方式仅为本发明的具体结构，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台，其特征是，其中下半段改造：测试台冷却水循环泵(15)与测试台换热器(14)管道连接，在两者的管道之间接入高温换热器(28)，高温换热器(28)与电堆冷却剂出口(17)之间管道连接，高温换热器(28)与电堆冷却剂出口(17)之间的管道设有截止阀(29)，高温换热器(28)依次与高温导热油循环泵(31)、导热油高温入堆预热器(32)、电堆冷却剂进口(18)管道连接，高温换热器(28)与高温导热油循环泵(31)之间的管道接有旁通阀(30)，旁通阀(30)的另一端通过管道接入电堆冷却剂出口(17)；上半段改造：电堆氧化剂气体出口(23)与氧化剂气体尾气排放控制器(09)之间的管道接入氧化剂高温气体排放降温换热器(27)，电堆氧化剂气体入口(22)与氧化剂气源(08)之间的管道接入氧化剂气体入堆高温升温器(25)，电堆燃料气体出口(21)与燃料气体尾气排放控制器(04)之间的管道接入燃料高温气体排放降温换热器(26)，电堆燃料气体入口(20)与燃料气体增湿增温控制器(03)之间的管道接入燃料气体入堆高温升温器(24)。

2.如权利要求1所述的带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台，其特征是，所述氧化剂气体入堆高温升温器(25)与氧化剂气源(08)之间的管道接入氧化剂高温换热器(36)，燃料气体入堆高温升温器(24)与燃料气体增湿增温控制器(03)之间的管道接入燃料高温换热器(35)。

3.如权利要求2所述的带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台，其特征是，所述氧化剂高温换热器(36)和燃料高温换热器(35)分别通过管道与去离子水罐(37)连接，氧化剂高温换热器(36)与离子水罐(37)之间的管道设有计量泵B(39)，燃料高温换热器(35)与离子水罐(37)之间的管道设有计量泵A(38)。

4.如权利要求1所述的带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台，其特征是，所述上半段改造替换为：电堆氧化剂气体出口(23)与氧化剂气体尾气排放控制器(09)之间的管道，电堆氧化剂气体入口(22)与氧化剂气源(08)之间的管道，同时接入氧化剂高温换热器(36)，电堆燃料气体出口(21)与燃料气体尾气排放控制器(04)之间的管道，电堆燃料气体入口(20)与燃料气体增湿增温控制器(03)之间的管道，同时接入燃料高温换热器(35)。

5.如权利要求1所述的带有流体高低温转换模块的高温质子交换膜燃料电池测试台，其特征是，所述高温导热油循环泵(31)为转速可控的调频离心泵。

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