CN116558999A - 一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法及系统，属于氢燃料电池制造技术领域。本发明分别独立控制燃料电池堆内部阳极腔、阴极腔和冷却腔的压力，使三个腔的交叉压力的上升速度、下降速度和交叉压力值分别达到各自预设的目标，并在燃料电池冷却腔通入控制温度和流量的乙二醇溶液，可以实现冷却液和燃料电池堆的温度和流量循环，最终实现了在冷却液温度、流量工况下的三腔交叉压力循环寿命测试。

Description

一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法及系统
技术领域
本发明涉及氢燃料电池制造技术领域，尤其涉及一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法及系统。
背景技术
燃料电池系统在车载工况下，存在数以百万次的变载，在变载过程中，燃料电池堆三腔（阳极腔、阴极腔和冷却腔）压力因系统的架构和运行策略不同有较大的差异，但一般随着大功率的燃料电池系统的应用，三腔交叉压力越来越大，对于燃料电池在此方面的设计和验证是个挑战。同时在各个温度范围都会存在交叉压力，因此，设计一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法以对燃料电池的机械耐久可靠性进行评估尤为重要。目前尚无有效、准确的测试方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法及系统，设计了一个压力和温度循环工况及设备，来验证燃料电池堆在实际运行交叉压力是足够安全的。三腔交叉压力包括：阳极腔和冷却腔交叉压力，阴极腔和冷却腔交叉压力，阳极腔和阴极腔交叉压力，因为三腔是独立的，只要任意两腔压力不同就会产生交叉压力，每个交叉压力都有正负值代表压力方向，分别独立控制燃料电池堆内部阳极腔（即燃料电池堆氢腔）、阴极腔（即燃料电池堆空腔）和冷却腔（即燃料电池堆水腔）的压力，使三个腔的交叉压力的上升速度、下降速度和交叉压力值分别达到各自预设的目标，并在燃料电池冷却腔通入乙二醇溶液（即冷却液），测试过程中，对乙二醇溶液的温度和流量进行控制，温度和流量为预设恒定值或在预设范围内进行变化，由控制器进行控制。燃料电池电堆的在实际使用中，在一定的温度下范围内，三腔交叉压力根据不同的系统附件的布置和零部件的能力存在较大的三腔交叉压力情况，对电堆的板子和MEFA的机械寿命提出挑战。本发明设定目标的交叉压力值和温度条件，通过调整三个腔的交叉压力，以及控制冷却液的温度和流量，在快速的交叉压力变化中，观察在不同交叉压力和温度条件下，是否存在板裂、密封或粘接失效、膜电极机械损坏和电堆结构件损坏，如果出现，则评估为在当前循环次数下功能失效，以及得到燃料电池电堆循环次数寿命。本发明提供了用于评估燃料电池堆的双极板和膜电极在交叉压力循环寿命的测试方法，通过该方法可以验证燃料电池的设计是否有足够高的机械耐久可靠性，降低在实际应用工况中发生机械失效的风险，出现板裂、密封或粘接失效、膜电极机械损坏和燃料电池堆（常简称为电堆）结构件损坏等评估为失效。其中在燃料电池堆冷却腔控制通入一定流量和温度的乙二醇溶液，以测试燃料电池双极板在应用温度及乙二醇溶液的相容性，并且变化的冷却液流量可以测试双极板表面的完整性，以是否有物质脱落为评价标准。
本发明提供了一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，分别独立控制燃料电池堆内部阳极腔、阴极腔和冷却腔的压力，使三个腔的交叉压力的上升速度、下降速度和交叉压力值分别达到各自预设的目标，并在冷却腔通入冷却液，测试过程中，对冷却液的温度和流量进行控制，温度和流量为预设恒定值或在预设范围内进行变化，可以由控制器进行控制；所述交叉压力为通过阳极腔、阴极腔和冷却腔中任意两个腔的压力不同而产生的压力差。
优选地，通过阳极腔、阴极腔和冷却腔前端的压力控制阀控制通入气体的压力，进而控制三个腔的压力。
优选地，向阳极腔和阴极腔通入的气体直接流入燃料电池堆，向冷却腔通入的气体流向冷却液，通过向冷却腔通入的气体控制冷却液的压力。
优选地，通入的气体包括氢气、氮气或空气中的一种。
优选地，氢气和空气不同时通入燃料电池堆阳极腔或阴极腔，以避免氢气和空气发生反应进入开路电压（OCV）状态。
优选地，冷却腔的压力控制由气体先作用于冷却液，然后由冷却液作用于燃料电池堆冷却腔。在一个封闭的测试管道中，施加气体压力，可以让任何一点液体的压力发生变化。冷却腔的压力由气体来控制，冷却腔的温度和流量由冷却液的温度和流量进行控制。
优选地，交叉压力变化速度最大为200kpa/s；最大交叉压力为300kpa。本发明提到的压力，指的是作用在单位面积上的力，单位为Kpa。
优选地，流量的预设的目标范围为1-40lpm，流量由控制器进行控制，以实现流量目标。
优选地，温度的预设的目标范围为20-100℃，温度由控制器进行控制，以实现温度目标。
优选地，根据目标交叉压力确定各单腔压力。
优选地，在同一个交叉压力工况中，由不同的单腔压力实现目标交叉压力。
优选地，通过设计压力循环工况，单独针对阳极腔和冷却腔或者阴极腔和冷却腔或者阳极腔和阴极腔交叉压力进行循环寿命测试，每一腔的压力都由相应的气体压力控制阀来控制，相当于每一腔的压力单独控制和实现，同时冷却腔中有冷却液。
优选地，燃料电池有常温和高温两种温度工况以及这两种温度工况下的流量循环，常温为温度小于85℃，高温为大于等于85℃。
本发明提供了一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试系统，使用上述的任一燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，控制冷却液流量和温度的装置包括：储液罐、加热器、换热器（优选地，采用板式交换器）、泵、流量计及控制器；
优选地，储液罐、泵、流量计、燃料电池堆和换热器顺次连接；
优选地，储液罐、泵、流量计、燃料电池堆和换热器构成冷却路主回路；
优选地，还包括与储液罐连接的液位传感器和去离子水源，进行液位检测和控制。因为普通水电导率很高，所以采用去离子水，去离子水源为储液罐补水。本发明的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试系统中，可以选择乙二醇溶液（人工添加的冷却液，也可以选择其他合适的冷却液）或者去离子水作为冷却液，在使用乙二醇溶液作为冷却液时，关闭去离子水源，直接将乙二醇溶液通入储液罐即可。在使用去离子水作为冷却液时，打开去离子水源，根据液位传感器采集的储液罐中去离子水的液位，控制去离子水源为储液罐补水。
优选地，还包括设置在冷却路主回路上的电导率仪，进行电导率监测。
与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：
本发明分别独立控制燃料电池堆内部阳极腔、阴极腔和冷却腔的压力，使三个腔的交叉压力的上升速度、下降速度和交叉压力值分别达到各自预设的目标，并在燃料电池冷却腔通入预设的目标恒定或变化的温度和流量的冷却液，测试过程中，对冷却液的温度和流量进行控制，用于评估燃料电池堆的双极板和膜电极在一定温度条件下的交叉压力循环寿命的测试方法，通过该方法可以有效、准确地证明燃料电池的设计是否有足够高的机械耐久可靠性，降低在实际应用工况中发生机械失效的风险，能够延长燃料电池堆寿命，出现板裂、密封或粘接失效、膜电极机械损坏和燃料电池堆结构件损坏评估为失效。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试系统原理图，其中，Fx为燃料电池堆氢腔，Cx为燃料电池堆水腔，Ox为燃料电池堆空腔。
图2为本发明的一个实施例的压力循环工况下的三腔压力循环工况的压力对比图。
图3为本发明的一个实施例的压力循环工况下的三腔交叉压力循环工况对比图。
图4为本发明的一个实施例的燃料电池堆常温工况下的常温温度和流量工况对比图。
图5为本发明的一个实施例的燃料电池堆高温工况下的高温温度和流量工况对比图。
图1中，1-燃料电池堆、2-储液罐、3-加热器、4-换热器、5-泵、6-流量计；7-液位传感器、8-去离子水源；MV01、MV02和MV03为手阀，SOV115、SOV135、SOV145、SOV155和SOV165为电磁阀，PCV114、PCV134和PCV164为压力调节阀门，PI116、PI136和PI166均为就地压力表，BV102为速度变换器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作详细的说明。
本发明提供了一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，分别独立控制燃料电池堆1内部阳极腔、阴极腔和冷却腔的压力，使三个腔的交叉压力的上升速度、下降速度和交叉压力值分别达到各自预设的目标，并在冷却腔通入冷却液，测试过程中，对冷却液的温度和流量进行控制，温度和流量为预设恒定值或在预设范围内进行变化；所述交叉压力为通过阳极腔、阴极腔和冷却腔中任意两个腔的压力不同而产生的压力差。
根据本发明的一个具体实施方案，通过阳极腔、阴极腔和冷却腔前端的压力控制阀控制通入气体的压力，进而控制三个腔的压力。
根据本发明的一个具体实施方案，向阳极腔和阴极腔通入的气体直接流入燃料电池堆1，向冷却腔通入的气体流向冷却液，通过向冷却腔通入的气体控制冷却液的压力。
根据本发明的一个具体实施方案，通入的气体包括氢气、氮气或空气中的一种。
根据本发明的一个具体实施方案，氢气和空气不同时通入燃料电池堆阳极腔或阴极腔。
根据本发明的一个具体实施方案，冷却腔的压力控制由气体先作用于冷却液，然后由冷却液作用于燃料电池堆冷却腔。
根据本发明的一个具体实施方案，交叉压力变化速度最大为200kpa/s；最大交叉压力为300kpa。
根据本发明的一个具体实施方案，流量的预设的目标范围为1-40lpm，流量由控制器进行控制，以实现流量目标。
根据本发明的一个具体实施方案，温度的预设的目标范围为20-100℃，温度由控制器进行控制，以实现温度目标。
根据本发明的一个具体实施方案，根据目标交叉压力确定各单腔压力。
根据本发明的一个具体实施方案，在同一个交叉压力工况中，由不同的单腔压力实现目标交叉压力。
根据本发明的一个具体实施方案，通过设计压力循环工况，单独针对阳极腔和冷却腔或者阴极腔和冷却腔或者阳极腔和阴极腔交叉压力进行循环寿命测试，每一腔的压力都由相应的气体压力控制阀来控制，相当于每一腔的压力单独控制和实现，同时冷却腔中有冷却液。
根据本发明的一个具体实施方案，燃料电池有常温和高温两种温度工况以及这两种温度工况下的流量循环，常温为温度小于85℃，高温为大于等于85℃。
本发明提供了一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试系统，使用上述的任一燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，控制冷却液流量和温度的装置包括：储液罐2、加热器3、换热器4、泵5、流量计6及控制器；
储液罐2、泵5、流量计6、燃料电池堆1和换热器4顺次连接；
储液罐2、泵5、流量计6、燃料电池堆1和换热器4构成冷却路主回路；
控制器对冷却液温度和流量进行控制；控制器控制电堆入口氢气、氮气或空气的流量和温度。
根据本发明的一个具体实施方案，还包括与储液罐2连接的液位传感器7和去离子水源8，进行液位检测和控制。
根据本发明的一个具体实施方案，还包括设置在冷却路主回路上的电导率仪（图中未示出），进行电导率监测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，其特征在于，分别独立控制燃料电池堆内部阳极腔、阴极腔和冷却腔的压力，使三个腔的交叉压力的上升速度、下降速度和交叉压力值分别达到各自预设的目标，并在所述冷却腔通入冷却液，测试过程中，对所述冷却液的温度和流量进行控制，观察在预设的交叉压力和温度循环条件下，燃料电池堆是否存在当前循环次数下的功能失效，得到燃料电池堆循环寿命，所述温度和所述流量为预设的目标恒定值或在预设的目标范围内进行变化；所述交叉压力为通过阳极腔、阴极腔和冷却腔中任意两个腔的压力不同而产生的压力差。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，其特征在于，通过所述阳极腔、所述阴极腔和所述冷却腔前端的压力控制阀控制通入气体的压力，进而控制三个腔的压力。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，其特征在于，向所述阳极腔和所述阴极腔通入的气体直接流入燃料电池堆，向所述冷却腔通入的气体流向所述冷却液，通过向所述冷却腔通入的气体控制所述冷却液的压力。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，其特征在于，所述交叉压力变化速度最大为200kpa/s；最大所述交叉压力为300kpa。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，其特征在于，流量的预设的目标范围为1-40lpm。
6.根据权利要求1所述的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，其特征在于，温度的预设的目标范围为20-100℃。
7.根据权利要求1所述的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，其特征在于，燃料电池有常温和高温两种温度工况以及这两种温度工况下的流量循环，常温为温度小于85℃，高温为大于等于85℃。
8.一种燃料电池堆交叉压力循环寿命测试系统，其特征在于，使用权利要求1-7任一项所述的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试方法，控制冷却液流量和温度的装置包括：储液罐、加热器、换热器、泵、流量计及控制器，储液罐、泵、流量计、燃料电池堆和换热器构成冷却路主回路。
9.根据权利要求8所述的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试系统，还包括与储液罐连接的液位传感器和去离子水源。
10.根据权利要求8所述的燃料电池堆交叉压力循环寿命测试系统，还包括设置在所述冷却路主回路上的电导率仪。
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