CN204793042U - 一种新型质子交换膜燃料电池的测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型质子交换膜燃料电池的测试系统，包括阳极供气排气系统、阴极供气排气系统、电池反应堆温度测控系统、氢气检测报警以及电子负载等部分。本测试系统具有较大灵活性，可根据不同的实验工况等要求，对系统进行调整和改装。系统可对温度、气体浓度、压力和流量等运行参数进行检测和控制，通过实验可得到燃料电池的最佳工作状态，如氢气流量、氢气尾气排放频率和通断比、氧气流量、进气温湿度等。气路和电路分开设计，且均采用隔爆设计。系统的控制分电脑全自动控制和继电器触发半自动控制两种模式，可方便切换。

Description

一种新型质子交换膜燃料电池的测试系统

技术领域

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池的测试系统，属于燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池由于具有高效、清洁、低噪音、可靠性高以及比功率高等优点，而愈来愈广泛地受到各国政府的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。在各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其独有的特性而最有希望成为未来汽车、便携式电子设备和部队野外行动装备等的动力源：工作电流大、比能量高、能量效率高、常温下起动时间短等，其研究和应用也是后来居上，在电池的成本和耐久性等方面都取得了突破性的进展。除各国政府的重视外，奔驰、尼桑、福特、巴拉德等大公司也都投入巨大的人力、物力和财力来进行PEMFC汽车动力系统的研究开发。

目前，国内外有多家公司专门从事燃料电池测试设备的开发并提供燃料电池测试服务。依照目前的发展态势，燃料电池将在能源和环境问题越发严峻的未来越来越倍受国际重视，依旧会是未来广大高校和科研院所的一大研究热点，市场潜力巨大。燃料电池测试系统作为燃料电池研究和性能监测不可缺少的部分，其市场规模也是不容忽视的，而其对燃料电池发展的推动作用也是十分重要的。

由于燃料电池还处于开发阶段，还没有燃料电池的标准测试仪器和统一规范的测试仪器供应商。许多公司开始研究准确测试燃料电池的解决方案，然而在整个电池行业致力于燃料电池测试系统研发的公司也为数不多，在2004年之前基本上都为国外厂家。其中最具代表性的公司是美国国家仪器公司(NI)和加拿大的Hydrogenics公司，它们由于自身在测试仪器开发方面具有良好实力以及在燃料电池研究方面的基础，较早推出了一些能够兼容多种燃料电池功能相对强大的测试平台。总所周知，NI是全球基于计算机测量的领导者，许多燃料电池制造商都在开发的各个阶段使用NI硬件及软件工具来测试燃料电池。Hydrogenics的Greenlight动力技术公司是世界上最大的燃料电池测试系统生产基地，是燃料电池工业测试诊断设备引领全球的供应商，其产品小到单电池的测试系统，大到几十KW燃料电池测试系统，在系统的稳定性和精确控制性等方面都具有卓越的特性。

除了专门从事燃料电池测试平台研发和生产的企业外，高等学校和研究所[1-7]为了进行燃料电池的基础研究，自主研发了许多专用性和适用性更强的测试系统，用于自身实验室燃料电池系统的研究工作。虽然和商业化的产品相比在整体性方面具有一定的差异，但具有更好的针对性和灵活性。吴曦[1]设计并搭建了一个PEMFC单电池性能测试系统，由燃料供应控制、气体加湿、温度显示与控制和电化学性能测试与控制等部分组成。系统设计具有灵活的气体加湿程度控制和良好的膜电极验证测试等，设计简捷、实用性强、维护方便，能满足电催化剂、电解质膜及膜电极性能测试要求。马志昆[2]和卢君[3]利用先进的控制理论和技术进行燃料电池测试系统温度、压力和湿度等的精确测试和控制，提高系统稳定性、安全性和鲁棒性。张鸽[4]研究与开发燃料电池内阻在线测试系统，燃料电池内阻反应电池工作特性的重要参数，其正确测量和在线监测具有重要的意义。李小毅[5]设计的测试系统包括供气系统和加湿系统等。供气系统可为EPMFEC(燃料电池发动机)提供标准空气和氢气源；加湿子系统基于露点下水蒸汽饱和析出的原理；辅助散热系统为EPMFEC提供可控的工作温度。测试系统的软件设计是基于EPMFEC测试的硬件条件和测试目的，结合国产的工业控制软件组态王完成的。为了系统研究直接甲醇燃料电池的电性能,以及电池的传热传质现象、气液两相流规律,孔佳等[6]设计并搭建了用于测试液态进料直接甲醇燃料电池的实验系统，由阳极供液及排放系统、阴极供气及排放系统、外电路负载系统等组成。张伟[7]设计的测试系统以研祥工控机为核心，外部加上数据采集卡和各种传感器，应用燃料电池巡检仪完成对电池电压和电流的测量。软件在吸收国内外关于燃料电池检测系统的技术理论和实践成果的基础上，应用C++Bui1der开发出了燃料电池检测系统的应用软件，实现了对电池各种数据量的检测、采集、和处理。实现了燃料电池系统的各个部分之间能够协调的工作，对电池各个量的自动控制实现了系统的智能化。

然而，到目前为止，国产的测试系统与国外的先进产品相比，特别是针对大负载大功率电池堆的测试系统，在控制精度、性能的稳定性和鲁棒性等方面相比尚有不小的差距。

参考文献

[1]吴曦，质子交换膜燃料电池测试系统设计及单电池建模，上海交通大学硕士学位论文，2010年1月

[2]马志昆，基于网络学习控制的燃料电池测试系统研究及应用，测控技术，2009，28(12)：63-67

[3]卢君，基于DSP的质子交换膜燃料电池测控系统设计与实现，南京理工大学硕士学位论文，2012.1

[4]张鸽，质子交换膜燃料电池内阻测试装置的设计与实现，武汉理工大学硕士学位论文，2012.1

[5]李小毅.燃料电池发动机实验室测试系统的设计[M].武汉理工大学硕士学位论文，2005年5月

[6]孔佳，叶芳等.直接甲醇燃料电池测试系统的搭建与调试[J].实验科学与技术.2007，3:4-6

[7]张伟.质子交换膜燃料电池(PEMFC)检测系统[M].山东大学硕士学位论文，2005年5月

实用新型内容

本实用新型正是针对现有技术中存在的不足之处所作的改进，提供了一种新型质子交换膜燃料电池的系统。本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型公开了一种新型质子交换膜燃料电池的测试系统，包括阳极供气排气装置、阴极供气排气装置、电池反应堆温度测控装置、氢气检测报警装置以及电子负载，测试系统的控制是电脑全自动控制或继电器触发半自动控制，测试系统中的气路和电路为分开设置的结构。

作为进一步地改进，本实用新型所述的阳极供气排气装置包括氢气供气排气通路和氮气吹扫通路，氢气供气排气通路和氮气吹扫通路通过三通阀连接，气路和电路采用隔爆设计。

作为进一步地改进，本实用新型所述的氮气吹扫通路包括依次连接的氮气气瓶、减压阀、电磁阀和转子流量计。

作为进一步地改进，本实用新型所述的氢气供气排气通路包括依次连接的氢气气瓶、氢气减压阀、防爆型电磁阀、防爆流量计、防爆型压力变送器、防爆型温度变送器、与质子交换膜燃料电池在送气方向上相连的防爆湿度传感器、与质子交换膜燃料电池在排气方向上相连的脉冲控制式电磁阀、与脉冲控制式电磁阀相连的计时器。

作为进一步地改进，本实用新型所述的阴极供气排气装置主要由空压机、空气电磁阀、加湿器、质量流量计、压力变送器、温度变送器、湿度变送器、空气滤清器依次连接构成，空气滤清器与质子交换膜燃料电池相连。

作为进一步地改进，本实用新型所述的加湿器是基于冒泡法工作原理，气体从进气口进入，进入到加湿器底部，在向上的过程中，通过去离子水加热加湿，后从气体出口排出，所述的加湿器外接温控器、湿度传感器，通过温度的控制来实现湿度的控制。

作为进一步地改进，本实用新型所述的氢气检测报警装置包括报警器和接入了报警器的氢气传感器。

作为进一步地改进，本实用新型所述的电池反应堆温度测控装置由插入质子交换膜燃料电池内部的热敏电阻和数显温控仪组成，数显温控仪与报警器相连。

本实用新型的有益效果如下：

该测试系统具有结构简单，能有效降低成本，操作容易和调控性强等。系统可根据不同的工况要求来进行适当改动来实现大量程的应用，具有良好的灵活性。氢气的排气通过计时器控制的脉冲式电磁实现通断式排气有利于提高电池工作性能和燃料的利用率。通过监测氢气的泄漏和电池工作内部温度并能有效控制系统的工作与终止实现了电池和实验室的安全。气路和电路分开并采用防爆措施有效提高了系统的安全性。系统的控制是电脑全自动控制或继电器触发半自动控制两种方式，可在电脑或PLC故障情况下通过手动简单方式进行试验。

附图说明

图1是本实用新型燃料电池测试系统的结构示意图；

图2是本实用新型燃料电池测试系统操作流程示意图。

图中：1-氮气气瓶，2-减压阀，3-电磁阀，4-转子流量计，5-氢气气瓶，6-氢气减压阀，7-防爆型电磁阀，8-防爆型流量计，9-防爆型压力变送器，10-防爆型温度变送器，11-防爆湿度传感器，12-氢气传感器，13-报警器，14-数显温控仪，15-电子负载，16-脉冲控制式电磁阀，17-氢气出口，18-空气出口，19-热敏电阻，20-质子交换膜燃料电池，21-空气滤清器，22-湿度变送器，23-温度变送器，24-压力变送器，25-质量流量计，26-加湿器，27-空气电磁阀，28-空压机。

具体实施方式

本实用新型公开了一种新型质子交换膜燃料电池20的测试系统，包括阳极供气排气装置、阴极供气排气装置、电池反应堆温度测控装置、氢气泄漏检测报警装置以及电子负载等部分。系统的控制分电脑全自动控制和继电器触发半自动控制两种模式，可方便切换。

阳极供气排气装置由氢气供气排气和氮气吹扫两个通路组成，两者通过三通阀连接。在测试结束后，关闭氢气通道，打开氮气通道，对电池内部剩余氢气进行吹扫，从而保证电池的安全性。在电池进入电子负载15工作前应先进行氢气的吹扫排除氮气。阳极氢气供气装置主要由氢气气瓶5、氢气减压阀6、防爆型电磁阀7、防爆型流量计8、防爆型压力变送器9、防爆型温度变送器10、与质子交换膜燃料电池20在送气方向上相连的防爆湿度传感器11、与质子交换膜燃料电池20在排气方向上相连的脉冲控制式电磁阀16、与脉冲控制式电磁阀16相连的计时器。氢气通过加湿器26加湿之后，以一定的湿度、流量流向质子交换膜燃料电池20的阳极。

阳极氢气供气排气装置的尾气的排放由计时器和脉冲控制式电磁阀16组合成脉冲放气控制器，以一定频率打开、闭合电磁阀，使氢气能在燃料电池中反应一段时间而后排出，且通断时间可根据功率实行调节，这样能大大提高氢气的利用率。此外，使燃料电池流道内的氢气保持一定的压力，让氢气更有效进入到催化反应层。

燃料电池的阴极供气排气装置主要由空压机28、空气电磁阀27、加湿器26、质量流量计25、压力变送器24、温度变送器23、湿度变送器22、空气滤清器21依次连接构成，空气滤清器21与质子交换膜燃料电池20相连。系统运行时，打开空压机28，需通过褶型空气滤清器21滤清后吹入燃料电池；对于氧气供气的情况，无需通过过滤直接接入电堆。加湿器26是基于冒泡法工作原理而自行设计的。气体从进气口进入，进入到加湿器26底部，在向上的过程中，通过去离子水加热加湿，后从气体出口排出。外接温控器、湿度传感器分别显示内部温湿度，并通过温度的控制来实现湿度的控制。

氢气检漏报警装置接入了氢气传感器12，分别置于不同部位监视氢气的泄漏。若氢气浓度超过设定值时触发报警信号，激发报警器13发出警报声，并发出两个电信号到氢气入口的电磁阀切断氢气和断开外接负载，以确保实验安全。电池反应堆温度测控装置由插入电池内部的热敏电阻19和数显温控仪14组成，保证质子交换膜燃料电池20的正常工作温度。当测量的温度不在这个区间中时会触发报警信号并发出声光警报，并给出电信号由防爆型电磁阀7切断氢气，同时切断电子负载15，以保护燃料电池。

外电路电子负载15用于测量燃料电池的工作性能，该负载使用简单、调整方便，是一款高精度双通道直流电子负载，可使用电子负载搭配台架上的电流表、电压表来对电池的工作性能进行测试。

下面通过具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步地说明，本实用新型的实施例1：500W电池堆发电性能的测试。

本实用新型的所述的新型质子交换膜燃料电池20的测试系统，包括阳极供气排气装置、阴极供气排气装置、电池反应堆温度测控装置、氢气检测报警装置以及电子负载部分。图1为燃料电池系统结构图，包括由氮气气瓶1、减压阀2、电磁阀3、转子流量计4、氢气气瓶5、氢气减压阀6、防爆型电磁阀7、防爆型流量计8、防爆型压力变送器9、防爆型温度变送器10和防爆湿度传感器11、脉冲控制式电磁阀16组成的阳极供气排气装置；由静音无油空压机28、空气电池阀27、质量流量计25、压力变送器24、温度变送器23、湿度变送器22、褶型空气滤清器21(材料为汽车滤清器，自行设计和加工)构成的阴极供气排气装置；氢气检测报警装置由检测RBK-6000-6型氢气泄漏的氢气传感器12(该氢气传感器12共有三个探头，分别置于台架中端、上端和实验室顶部)组成及对应的报警器13；以及自行设计制造的加湿器26、电池内部中心热敏电阻19和电池性能测量的电子负载15。根据电池工作功率设定脉冲控制式电磁阀16的通断比提高氢气利用率和工作性能。值得注意的是由于氢气为易燃易爆气体，所有阳极气路的仪器仪表均采用具有隔爆性能的仪表。本实例用来测试一额定功率为500W电池堆的工作性能。

系统操作步骤和运行如图2所示。系统运行时，首先打开氢气检测报警装置，若氢气浓度超过设定值时，报警器13会发出警报声，并发出一个电信号到氢气入口的防爆型电磁阀7切断氢气，以确保实验安全。关闭氮气进气阀，打开氢气气瓶1，调节氢气减压阀6至合适压力(0.5Mpa左右)，通过调节防爆型流量计8旋钮使氢气流量(0.4m³/h左右)适中，实验前氢气吹扫约20秒。计时器和脉冲控制式电磁阀16组合成脉冲放气控制器，以一定频率(打开5秒，关闭25秒)打开、闭合防爆型电磁阀7，使氢气能在燃料电池中反应一段时间而后排出，这样能大大提高氢气的利用率，此外，使燃料电池流道内的氢气保持一定的压力，让氢气更有效进入到催化反应层。打开空压机28，待空压机28达到一定压力时，打开空气进气阀，调节质量流量计25旋钮使空气流量稳定到一定值(4.45m³/h)，在其通过褶型空气滤清器21滤清后吹入燃料电池，该空气滤清器21对空气的压力损失非常小，实验中可以忽略不计。打开加湿器26的外接温控器和湿度传感器，即加热和温控系统，使氢气和空气均通过加湿器26加湿之后，以一定的湿度(0％-100％可调节)、流量流向质子交换膜燃料电池20的阳极和阴极。当气流稳定，温度稳定和无氢气泄漏时，打开Chroma电子负载15，即开始进行电池的工作状态，测试电池的工作性能曲线。性能测试结束，断开电子负载15，关闭加湿器26，关闭阴极供气排气装置，关闭氢气的供给，打开氮气对电池进行吹扫，清除内部剩余的氢气，关闭氢气检测报警装置，停电关机。由于本系统的控制分电脑全自动控制和继电器触发半自动控制两种模式，分别在两种模式下进行上述的运行和调试，测试系统的稳定性和准确性。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型质子交换膜燃料电池的测试系统，其特征在于，包括阳极供气排气装置、阴极供气排气装置、电池反应堆温度测控装置、氢气检测报警装置以及电子负载(15)，所述的测试系统的控制是电脑全自动控制或继电器触发半自动控制，测试系统中的气路和电路为分开设置的结构。

2.根据权利要求1所述的新型质子交换膜燃料电池的测试系统，其特征在于，所述的阳极供气排气装置包括氢气供气排气通路和氮气吹扫通路，所述的氢气供气排气通路和氮气吹扫通路通过三通阀连接，所述的气路和电路采用隔爆设计。

3.根据权利要求2所述的新型质子交换膜燃料电池的测试系统，其特征在于，所述的氮气吹扫通路包括依次连接的氮气气瓶(1)、减压阀(2)、电磁阀(3)和转子流量计(4)。

4.根据权利要求3所述的新型质子交换膜燃料电池的测试系统，其特征在于，所述的氢气供气排气通路包括依次连接的氢气气瓶(5)、氢气减压阀(6)、防爆型电磁阀(7)、防爆流量计(8)、防爆型压力变送器(9)、防爆型温度变送器(10)、与质子交换膜燃料电池(20)在送气方向上相连的防爆湿度传感器(11)、与质子交换膜燃料电池(20)在排气方向上相连的脉冲控制式电磁阀(16)、与脉冲控制式电磁阀(16)相连的计时器。

5.根据权利要求1或2或4所述的新型质子交换膜燃料电池的测试系统，其特征在于，所述的阴极供气排气装置主要由空压机(28)、空气电磁阀(27)、加湿器(26)、质量流量计(25)、压力变送器(24)、温度变送器(23)、湿度变送器(22)、空气滤清器(21)依次连接构成，所述的空气滤清器(21)与质子交换膜燃料电池(20)相连。

6.根据权利要求5所述的新型质子交换膜燃料电池的测试系统，其特征在于，所述的加湿器(26)是基于冒泡法工作原理，气体从进气口进入，进入到加湿器(26)底部，在向上的过程中，通过去离子水加热加湿，后从气体出口排出，所述的加湿器(26)外接温控器、湿度传感器，通过温度的控制来实现湿度的控制。

7.根据权利要求1或2或4或6所述的新型质子交换膜燃料电池的测试系统，其特征在于，所述的氢气检测报警装置包括报警器(13)和接入了报警器(13)的氢气传感器(12)。

8.根据权利要求7所述的新型质子交换膜燃料电池的测试系统，其特征在于，所述的电池反应堆温度测控装置由插入质子交换膜燃料电池(20)内部的热敏电阻(19)和数显温控仪(14)组成，所述的数显温控仪(14)与报警器(13)相连。

9.根据权利要求1或2或4或6所述的新型质子交换膜燃料电池的测试系统，其特征在于，所述的电池反应堆温度测控装置由插入质子交换膜燃料电池(20)内部的热敏电阻(19)和数显温控仪(14)组成，所述的数显温控仪(14)与报警器(13)相连。