CN201237636Y - 一种燃料电池测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池测试系统，包括电堆、阳极供气及排放单元、阴极供气及排放单元、冷却单元以及外电路负载单元。本实用新型具有较大灵活性，可根据实验要求随时调整工况，控制多种运行参数，控制精度高，测量结果精确，测量范围大，操作简单、安全可靠、可满足单片燃料电池和小型电堆进行性能测试的需要。

Description

一种燃料电池测试系统

技术领域

本实用新型涉及一种测试系统，尤其涉及一种燃料电池测试系统。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是一种不经过燃烧，通过电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置，具有高效、清洁、低噪音及比功率高等优点。在当今一次性能源日趋枯竭、环境污染日趋严重的情况下，受到了越来越广泛的关注。迄今为止，已开发出多种类型的燃料电池，如碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池和其他类型的燃料电池相比，具有启动快、功率密度高、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点，无论在军用、还是民用领域，作为小型电站、仪器仪表电源，特别是作为交通工具动力源都有着广泛的应用前景，被认为是最有商业应用前景的一种燃料电池。

燃料电池是一个非常复杂的物理化学过程，其输出性能受不同工况参数与外界环境的影响。一套完整的测试系统配合一定的测试程序可针对每一个相关工况参数进行测量，对有些参数加以控制，这样才能够确定影响燃料电池性能的原因，找到电堆运行和控制的方法。一个完备的燃料电池测试系统不仅在研发阶段十分重要，即使在其投入生产之后，对于燃料电池产品的优劣和安全性的评价也起到至关重要的作用。

发明内容

本实用新型针对燃料电池的测试过程，提供一种用于给单片燃料电池和小型电堆进行性能测试的系统。本实用新型具有较大灵活性，可根据实验要求随时调整工况，控制多种运行参数，控制精度高，测量结果精确，测量范围大，操作简单、安全可靠、可满足单片燃料电池和小型电堆进行性能测试的需要。

为实现上述目的，本实用新型提供一种燃料电池测试系统，其采用下述技术方案：

一种燃料电池测试系统，包括电堆、阳极供气及排放单元、阴极供气及排放单元、冷却单元以及外电路负载单元；其中，

所述的冷却单元与电堆相连，采用循环冷却方式，其包括储水箱，所述储水箱的一端与磁力驱动泵相连，另一端与恒温混水阀的出口相连，所述的磁力驱动泵通过液体流量计与电堆相连，所述的恒温混水阀的进口分别与三通以及换热器相连，所述三通的另外两端分别与所述的换热器以及电堆相连；所述的储水箱内设有加热元件，由温度控制器控制。

所述的三通与电堆之间以及恒温混水阀与储水箱之间设有温度传感器。

所述的换热器上设有散热风机，通过它对冷却水进行降温。

所述的阳极供气及排放单元以及阴极供气及排放单元分别与电堆的阳极进出口以及阴极进出口相连，其包括气体进口，通过三通阀与气体过滤器以及质量流量控制器相连接，所述的质量流量控制器的出口端通过三通阀与加湿装置相连接，所述加湿装置的另一端与电堆进口处相连接，在所述的电堆出口处还设有气液分离器和背压调节阀。

所述的阳极供气及排放单元通过三通阀同时连接氢气和氮气两路气源，通过操作三通阀可方便进行输气调整。

所述的阴极供气及排放单元通过三通阀同时连接氧气和空气两路气源，通过操作三通阀可方便进行输气调整。

所述的加湿装置可以是加湿罐或加湿堆，其中，所述的加湿罐采用鼓泡加湿法，其上设有加热圈，所述的加湿堆采用膜加湿法；所述的三通阀用于在二者之间进行切换，以便于选择所需的加湿方式。

当所述的加湿方式选择膜加湿法时，所述的液体流量计与加湿堆连接，并通过加湿堆与电堆连接。

当所述的加湿方式选择鼓泡加湿法时，在所述的加湿罐出口设有温度传感器。

质子交换膜燃料电池的最佳工作温度是60℃～80℃。在电池运行过程中，要对电池运行温度进行控制，主要通过温度控制器、恒温混水阀对流经燃料电池的冷却水温度控制来达到对电池自身温度的控制，保证电池的运行温度。冷却水在储水箱加热到设定温度，储水箱采用内置加热元件，同时外覆保温层的方式，采用温度控制器进行控温。同时为了保证进入电堆的冷却水温度恒定，还在冷却单元中放置了恒温混水阀。同时，为了保证反应气体在进入电池之前达到一定的温度和湿度，还要对反应气体进行加热加湿处理。本测试系统分别采用鼓泡加湿法和膜加湿法，鼓泡加湿法通过调节加湿罐的水温、液面高度来改变气体加湿量的大小，膜加湿法通过调整水温、加湿板数量和水压来改变气体的湿量大小，拆装十分方便。加湿罐分别外覆电加热圈，同时在加热圈外覆保温层，采用温度控制器进行控温，测温点布置在加湿罐的出口处。

所述的质量流量控制器按照不同的量程并联使用，可通过操作不同支路的截止阀来选择合适量程的质量流量控制器，从而选择合适的流量范围进行工作，以确保其量程范围既满足单片质子交换膜燃料电池与小型电池堆的需要，又具有较高的控制与测量精度。

所述电堆的进口和出口之间设有差压变送器，通过压力表和差压变送器的实测值就可以确定气体进堆的压力和电堆阴阳极的压差；且所述的电堆上设有温度传感器，用于监测电堆的温度变化。

外电路负载系统可根据事先设定的测试程序调节电堆的输出电参数，并可对电堆进行定电流、定电压、定电阻等模式的工作。

本实用新型的燃料测试系统，其阳极供气及排放单元与电堆阳极进出口相连，为电堆提供所需流量、压力、温度、湿度的燃料气体；阴极供气及排放单元与电堆阴极进出口相连，为电堆提供所需流量、压力、温度、湿度的氧化剂气体；冷却单元直接与电堆相连，采用冷却水循环排热带走电堆产生的热量，并通过风冷方式将通过换热器的冷却水中大部分的热量带走，利用恒温混水阀保证冷却水进入电堆时温度的恒定；加热元件及温度控制器主要对流经燃料电池的冷却水温度与进入电堆的燃料和氧化剂气体的加热加湿温度进行控制和监测。本实用新型主要用于给单片燃料电池和小型电堆进行性能测试，具有工况可随时调整，控制精度高，测量结果精确，测量范围大，操作简单、安全可靠等优点。

附图说明

图1为本实用新型的燃料电池测试系统示意图。

具体实施方式

为了进一步描述本实用新型的技术内容、特点及功效，下面结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。

参照附图1，一种燃料电池测试系统由电堆、阳极供气及排放单元、阴极供气及排放单元、冷却单元及外电路负载单元组成。

所述的阳极供气及排放单元与电堆23的阳极进出口相连，其包括氢气进口和氮气进口，通过三通阀4与气体过滤器6以及质量流量控制器7相连接，所述的质量流量控制器7的出口端通过三通阀9与加湿装置相连接，所述加湿装置的另一端与电堆进口处相连接，在所述的电堆出口处还设有气液分离器19和背压调节阀18。所述的电堆上设有温度传感器21，所述电堆的阳极进出口之间设有差压变送器16以及截止阀15，在所述的减压阀2与三通阀4之间以及电堆阳极出口处设有压力表3、20。

所述的加湿装置可以是加湿罐10或加湿堆44，其中，所述的加湿罐采用鼓泡加湿法，其上设有加热圈11，所述的加湿堆采用膜加湿法；所述的三通阀9用于在二者之间进行切换，以便于选择所需的加湿方式。

测试过程中，来自氢气瓶的氢气经截止阀1和减压阀2后进入质量流量控制器7，质量流量控制器7按照不同的量程并联使用，使用过程中，可通过操作不同支路的截止阀5来选择合适量程的质量流量控制器进行工作。为避免气路中灰尘或细小颗粒对质量流量控制器与电堆正常工作的影响，在每台质量流量控制器的入口端安装了气体过滤器6，同时为防止电堆的压力高于入口压力这种意外情况发生，在每台质量流量控制器的出口端安装有气体单向阀8。氢气经过质量流量控制器7、单向阀8进入到加湿装置，通过温度控制器12进行控温，当加湿加热到设定温度后，通过单向阀13以及三通14后进入电堆23的阳极侧，然后在阳极发生电化学反应后，未反应的气体和水离开电堆进入气液分离器19，分离出的气体经背压调节阀18排出，分离出的液体经底部的排水阀17排出。同时，为了方便管路吹扫，在阳极气路加入氮气输气管路，通过三通换向阀4来控制是否吹扫。

如图1所示，所述的阴极供气及排放单元与电堆23的阴极进出口相连，其包括氧气进口和空气进口，通过三通阀40与气体过滤器38以及质量流量控制器37相连接，所述的质量流量控制器37的出口端通过三通阀35与加湿装置相连接，所述加湿装置的另一端与电堆进口处相连接，在所述的电堆出口处还设有气液分离器25和背压调节阀26。所述电堆的阴极进出口之间设有差压变送器28以及截止阀29，在所述的减压阀42与三通阀40之间以及电堆阴极出口处设有压力表41、24。

所述的加湿装置可以是加湿罐33或加湿堆44，其中，所述的加湿罐33采用鼓泡加湿法，其上设有加热圈34，所述的加湿堆44采用膜加湿法；所述的三通阀35用于在二者之间进行切换，以便于选择所需的加湿方式。

阴极的氧化剂可以是氧气或空气，因此阴极供气单元分别来自氧气瓶的高纯氧气以及空压机提供的空气，测试过程中可以通过三通换向阀40来控制此次测试过程是采用高纯氧气还是采用空气。选择一种气体将其支路打开，气体经截止阀43和减压阀42后进入质量流量控制器37，质量流量控制器37按照不同的量程并联使用，可通过操作不同支路的截止阀39来选择合适量程的质量流量控制器进行工作。在每台质量流量控制器的入口端与出口端分别安装了气体过滤器38与气体单向阀36。氧化剂经过质量流量控制器37、单向阀36进入加湿装置，通过温度控制器32进行控温，经过加湿加热到设定温度后，进入电堆23阴极侧，然后在阴极发生电化学反应后，反应生成物水及未反应的气体离开电堆进入气液分离器25，分离出的气体经背压调节阀26排出，分离出的液体经底部的排水阀27排出。阴极供气管路内的吹扫，可用空气来完成。

测试过程中，单片燃料电池和小型电堆采用冷却水循环排热，冷却水采用去离子水。冷却单元如图1所示，所述的冷却单元与电堆23相连，采用循环冷却方式，其包括储水箱54，所述储水箱54的一端与磁力驱动泵56相连，另一端与恒温混水阀51相连，所述的磁力驱动泵56通过液体流量计57与电堆23相连，其通过变频器可调整冷却水流量，所述的恒温混水阀51通过单向阀49、50分别与三通46以及换热器47相连，所述三通46的另外两端分别与所述的换热器47以及电堆23相连；所述的储水箱54内设有加热元件55，由温度控制器53控制，所述的三通46与电堆23之间以及恒温混水阀51与储水箱54之间设有温度传感器45、52，所述的换热器47上设有散热风机48。

测试时，冷却水在储水箱54内由加热元件55加热到设定温度，加热元件55由温度控制器53控制。冷却水由磁力驱动泵56抽出，经过液体流量计57，输送至燃料电池堆23。冷却水流量可通过操作变频器来改变磁力驱动泵56的泵水量，冷却水流量可通过液体流量计57来获得。如果采用加湿堆加湿，则冷却水先经过加湿堆44再进入电堆23。冷却水吸收电堆产生的大部分热量后流出电堆。在进入储水箱54之前先进入两条支路，其中一条支路中连接换热器47，换热器通过散热风机48为冷却水降温，然后通过单向阀49进入恒温混水阀51的冷水端入口，另一路不经过冷却直接通过单向阀50进入恒温混水阀51的热水端入口。恒温混水阀51根据设定温度自动控制主路与旁路的流量，使冷却水在恒温控制阀51的内部混合点处可以恢复到电堆入口时温度，然后从恒温混水阀51的出水口流出，重新回到储水箱54内。

Claims (10)

1. 【权利要求1】一种燃料电池测试系统，包括电堆、阳极供气及排放单元、阴极供气及排放单元、冷却单元以及外电路负载单元，其特征在于所述的冷却单元采用循环冷却方式，其包括储水箱，所述储水箱的一端与磁力驱动泵相连，另一端与恒温混水阀的出口相连，所述的磁力驱动泵通过液体流量计与电堆相连，所述的恒温混水阀的进口分别与三通以及换热器相连，所述三通的另外两端分别与所述的换热器以及电堆相连；所述的储水箱内设有加热元件，由温度控制器控制。
2. 【权利要求2】根据权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征在于所述的三通与电堆之间以及恒温混水阀与储水箱之间设有温度传感器。
3. 【权利要求3】根据权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征在于所述的换热器上设有散热风机。
4. 【权利要求4】根据权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征在于所述的阳极供气及排放单元以及阴极供气及排放单元分别与电堆的阳极进出口以及阴极进出口相连，其包括气体进口，通过三通阀与气体过滤器以及质量流量控制器相连接，所述的质量流量控制器的出口端通过三通阀与加湿装置相连接，所述加湿装置的另一端与电堆进口处相连接，在所述的电堆出口处还设有气液分离器和背压调节阀。
5. 【权利要求5】根据权利要求4所述的燃料电池测试系统，其特征在于所述的阳极供气及排放单元通过三通阀同时连接氢气和氮气两路气源，所述的阴极供气及排放单元通过三通阀同时连接氧气和空气两路气源。
6. 【权利要求6】根据权利要求4所述的燃料电池测试系统，其特征在于所述的加湿装置是加湿罐或加湿堆，其中，所述的加湿罐采用鼓泡加湿法，其上设有加热圈，所述的加湿堆采用膜加湿法；所述的三通阀用于在二者之间进行切换。
7. 【权利要求7】根据权利要求6所述的燃料电池测试系统，其特征在于当所述的加湿方式为膜加湿法时，所述的液体流量计与加湿堆连接，并通过加湿堆与电堆连接。
8. 【权利要求8】根据权利要求6所述的燃料电池测试系统，其特征在于当所述的加湿方式为鼓泡加湿法时，在所述的加湿罐出口设有温度传感器。
9. 【权利要求9】根据权利要求4所述的燃料电池测试系统，其特征在于所述的质量流量控制器并联使用。
10. 【权利要求10】根据权利要求4所述的燃料电池测试系统，其特征在于所述电堆的进口和出口之间设有差压变送器，且所述的电堆上设有温度传感器。

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