CN213425026U

CN213425026U - 氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台

Info

Publication number: CN213425026U
Application number: CN202022272464.1U
Authority: CN
Inventors: 熊高鹏; 曹洁; 庄峰
Original assignee: Shanghai Fuyou Cold And Heat Control Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Fuyou Cold And Heat Control Technology Co ltd
Priority date: 2020-10-14
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2030-10-14

Abstract

一种低温测试技术领域的氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台，包括氢气供应站、压缩空气站、燃料电池发动机、减压阀、氢气流量控制阀、氢气低温设备、氢气加热设备、三通球阀、空气流入管、过滤器、冷干机、吸附式干燥机、空气流量控制阀、空气低温设备、空气加热器、空气流出管、被压调节阀、水分分离器、加热带、膨胀水箱、循环泵、节温器、冷却换热器、冷冻管路、冷冻机组。本实用新型能够实现低温环境的模拟，能够完成低温环境下氢燃料电池发动机冷启动特性的测试。本实用新型对氢燃料电池电堆进口的空气、氢气和冷却液进行工况控制，从而提供稳定的低温环境，满足冷启动的测试需求。

Description

氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台

技术领域

本实用新型涉及的是一种低温测试技术领域的测试平台，特别涉及到的是一种可以对测试环境比较稳定的氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。氢燃料电池在常温状态工作时，内部阴极侧H+和通入的O₂反应生成水，水以气态或液态通过相应的管道排出。

随着人们不断地掌握多种先进技术，氢燃料电池很快就被运用于发电和汽车工业。目前市场上大部分燃料电池汽车采用的都是质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有多种性能优势，包括电池操作温度低(＜100℃)、起动速度快等。但质子交换膜燃料电池(PEMFC)汽车在低温环境下运行也有一个比较大的弊端，那就是冷启动耗费的时间比较长。

低温冷启动是指燃料电池汽车可在0℃以下的温度中成功起动，并可将燃料电池内部温度迅速提升至60～80℃以满足正常运行的性能。在无特殊保护并在0℃以下的工作环境中，燃料电池电化学反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍电化学反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对燃料电池内部结构造成破坏，导致燃料电池反应性能降低。因此，燃料电池发动机在低温环境下的成功起动和正常运行，是燃料电池汽车能够大量普及的根本前提。各个生产厂家和研究机构都加大了燃料电池发动机低温冷启动的性能研究。

目前，模拟低温环境的方式，较多采用低温保温库房进行测试的方式。此种设备一般投资大，建设周期长。本实用新型专利提出一种更加高效便利的测试平台，占地空间小，耗能小，同时，测试响应更快速的方式。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台，能够实现低温环境的模拟(控温控湿)，能够完成低温环境下氢燃料电池发动机(PEMFC)冷启动特性的测试。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的，本实用新型包括氢气供应站、压缩空气站、燃料电池发动机、氢气流入管、减压阀、氢气流量控制阀、氢气低温设备、氢气加热设备、第一三通球阀、第一被压调节阀、氢气流出管、空气流入管、第一过滤器、冷干机、第二三通球阀、吸附式干燥机、第三三通球阀、空气流量控制阀、空气低温设备、空气加热器、第四三通球阀、第五三通球阀、第二过滤器、第六三通球阀、空气流出管、第二被压调节阀、水分分离器、加热带、冷却液管路、膨胀水箱、循环泵、节温器、冷却换热器、冷冻管路、冷冻机组；氢气流入管的入口与氢气供应站相连接，氢气流入管的出口与燃料电池发动机的氢气入口相连接，减压阀、氢气流量控制阀、氢气低温设备、氢气加热设备、第一三通球阀依次串接在氢气流入管上；氢气流出管的入口与燃料电池发动机的氢气出口相连接，第一被压调节阀串接在氢气流出管上；空气流入管的入口与压缩空气站的出口相连接，空气流入管的出口与燃料电池发动机的空气入口相连接，第一过滤器、冷干机、第二三通球阀、吸附式干燥机、第三三通球阀、空气流量控制阀、空气低温设备、空气加热器、第四三通球阀、第五三通球阀、第二过滤器、第六三通球阀依次串接在空气流入管上；空气流出管的入口与燃料电池发动机的空气出口相连接，第二被压调节阀、水分分离器依次串接在空气流出管上，加热带布置在水分分离器上；冷却液管路的两端分别与燃料电池发动机的冷却液进出口相连接，循环泵、节温器、冷却换热器依次串接在冷却液管路上，冷却换热器、冷冻机组串接在冷冻管路上。

进一步地，本实用新型还包括第一旁通管、第二旁通管、第三旁通管、去离子器，第一旁通管的两端分别与第二三通球阀、第三三通球阀相连接；第二旁通管的一端与节温器相连接，第二旁通管的另一端与冷却换热器下游的冷却液管路相连接；第三旁通管的一端与节温器上游的冷却液管路相连接，第三旁通管的另一端与冷却换热器下游的冷却液管路相连接，去离子器串接在第三旁通管上。

更进一步地，本实用新型还包括第一排水阀、第二排水阀，第一排水阀布置在冷干机的下端，第二排水阀布置在水气分离器的下端。

更进一步地，本实用新型还包括第一氮气管路、第二氮气管路、调节阀，第一氮气管路的出口与氢气供应站、减压阀之间的氢气流入管相连接，第二氮气管路的出口与压缩空气站、第一过滤器之间的空气流入管相连接，两个调节阀分别布置在第一氮气管路、第二氮气管路上。

更进一步地，本实用新型还包括加湿管路、加湿器，加湿管路的两端分别与第四三通球阀、第五三通球阀相连接，加湿器串接在加湿管路上。

更进一步地，本实用新型还包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器，多个压力传感器、温度传感器、湿度传感器分别布置在氢气流入管、氢气流出管、空气流入管、空气流出管、冷却液管路上。

更进一步地，在本实用新型中括第一三通球阀、第二三通球阀、第三三通球阀、第四三通球阀、第五三通球阀、第六三通球阀均为气动三通球阀。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果为：本实用新型设计合理能对氢燃料电池电堆进口的空气、氢气和冷却液进行工况控制，主要包括：流量、压力、温度和湿度，从而提供稳定的低温环境，满足冷启动的测试需求。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

其中，1、氢气供应站，2、氢气流入管，3、减压阀，4、氢气流量控制阀，5、氢气低温设备，6、氢气加热设备，7、第一三通球阀，8、压缩空气站，9、第一过滤器，10、冷干机，11、第二三通球阀，12、第一排水阀，13、吸附式干燥机，14、空气流量控制阀，15、空气低温设备，16、空气加热器，17、加湿器，18、燃料电池发动机，19、膨胀水箱，20、循环泵，21、节温器，22、去离子器，23、冷却换热器，24、冷冻机组，25、水分分离器，26、加热带，27、第一被压调节阀，28、氢气流出管，29、空气流入管，30、第三三通球阀，31、第一旁通管，32、第四三通球阀，33、第五三通球阀，34、加湿管路，35、第二过滤器，36、第六三通球阀，37、空气流出管，38、第二被压调节阀，39、第二排水阀，40、冷却液管路，41、第二旁通管，42、第三旁通管，43、冷冻管路，44、第一氮气管路，45、第二氮气管路，46、调节阀，47、压力传感器，48、温度传感器，49、湿度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例以本实用新型技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

具体实施例如图1所示，本实用新型的实施装置包括氢气供应站1、氢气流入管2、减压阀3、氢气流量控制阀4、氢气低温设备5、氢气加热设备6、第一三通球阀7、压缩空气站8、第一过滤器9、冷干机10、第二三通球阀11、第一排水阀12、吸附式干燥机13、空气流量控制阀14、空气低温设备15、空气加热器16、加湿器17、燃料电池发动机18、膨胀水箱19、循环泵20、节温器21、去离子器22、冷却换热器23、冷冻机组24、水分分离器25、加热带26、第一被压调节阀27、氢气流出管28、空气流入管29、第三三通球阀30、第一旁通管31、第四三通球阀32、第五三通球阀33、加湿管路34、第二过滤器35、第六三通球阀36、空气流出管37、第二被压调节阀38、第二排水阀39、冷却液管路40、第二旁通管41、第三旁通管42、冷冻管路43、第一氮气管路44、第二氮气管路45、调节阀46、压力传感器47、温度传感器48、湿度传感器49；氢气流入管2的入口与氢气供应站1相连接，氢气流入管2的出口与燃料电池发动机18的氢气入口相连接，减压阀3、氢气流量控制阀4、氢气低温设备5、氢气加热设备6、第一三通球阀7依次串接在氢气流入管2上；氢气流出管28的入口与燃料电池发动机18的氢气出口相连接，第一被压调节阀27串接在氢气流出管28上；空气流入管29的入口与压缩空气站8的出口相连接，空气流入管29的出口与燃料电池发动机18的空气入口相连接，第一过滤器9、冷干机10、第二三通球阀11、吸附式干燥机13、第三三通球阀30、空气流量控制阀14、空气低温设备15、空气加热器16、第四三通球阀32、第五三通球阀33、第二过滤器35、第六三通球阀36依次串接在空气流入管29上；空气流出管37的入口与燃料电池发动机18的空气出口相连接，第二被压调节阀38、水分分离器25依次串接在空气流出管37上，加热带26布置在水分分离器25上；冷却液管路40的两端分别与燃料电池发动机18的冷却液进出口相连接，循环泵20、节温器21、冷却换热器23依次串接在冷却液管路40上，冷却换热器23、冷冻机组24串接在冷冻管路43上；第一旁通管31的两端分别与第二三通球阀11、第三三通球阀30相连接；第二旁通管41的一端与节温器21相连接，第二旁通管41的另一端与冷却换热器23下游的冷却液管路40相连接；第三旁通管42的一端与节温器21上游的冷却液管路40相连接，第三旁通管42的另一端与冷却换热器23下游的冷却液管路40相连接，去离子器22串接在第三旁通管42上；第一排水阀12布置在冷干机10的下端，第二排水阀39布置在水气分离器25的下端；第一氮气管路44的出口与氢气供应站1、减压阀3之间的氢气流入管2相连接，第二氮气管路45的出口与压缩空气站8、第一过滤器9之间的空气流入管29相连接，两个调节阀46分别布置在第一氮气管路44、第二氮气管路45上；加湿管路34的两端分别与第四三通球阀32、第五三通球阀33相连接，加湿器17串接在加湿管路34上；多个压力传感器47、温度传感器48、湿度传感器49分别布置在氢气流入管2、氢气流出管28、空气流入管29、空气流出管37、冷却液管路40上。第一三通球阀7、第二三通球阀11、第三三通球阀30、第四三通球阀32、第五三通球阀33、第六三通球阀36均为气动三通球阀。

在本实用新型的实施过程中：

氢气系统：氢气经过氢气供应站1后，进入减压阀3进行一级减压，氢气流量控制阀4控制氢气的质量流量，再进入氢气低温设备5进行降温达到设定低温以下，然后进入氢气加热设备6升温，此加热设备由调功器进行控制，可实现线性功率输出，从而精确控制氢气入口温度；第一背压调节阀27可连续调节开度，实现氢气入口压力的控制。

空气系统：空气从压缩空气站1出来后，进入第一过滤器9进行初步过滤，再进入冷干机10进行降温除湿，然后进入吸附式干燥机13进行深度除湿，保证-30℃低温时管道无结冰；之后由空气流量控制阀14控制空气的质量流量，然后再进入空气低温设备15进行降温达到设定低温以下，接着进入空气加热器16升温，此加热设备由调功器进行控制，可实现线性功率输出，从而精确控制空气入口温度；加湿器17可选择开启或关闭，其可对空气侧进行湿度控制；第二背压调节阀38可连续调节开度，实现空气入口压力的控制；空气排放管路设置水气分离器25实现空气与液体水分离；为防止液体水结冰，设置柔性加热带26为筒体加热。

冷却液系统：冷却液通过膨胀水箱19加入到系统；冷却液循环泵20将冷却液泵入冷却换热器23降温，再回到电堆入口；去离子器22能降低冷却液离子浓度；节温器21可实现电堆内循环温度的小范围控制；冷冻机组24为系统制冷提供冷量。

氮气系统：通过第一氮气管路44、第二氮气管路45中的氮气，可以对氢气流入管2、氢气流出管28中的氢气，以及空气流入管29、空气流出管37中的空气进行置换。

燃料电池发动机18可以放置在一套小型低温箱中，进行长时间低温冷冻，达到低温冷启动测试的需要。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims

1.一种氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台，包括氢气供应站(1)、压缩空气站(8)、燃料电池发动机(18)，其特征在于，还包括氢气流入管(2)、减压阀(3)、氢气流量控制阀(4)、氢气低温设备(5)、氢气加热设备(6)、第一三通球阀(7)、第一被压调节阀(27)、氢气流出管(28)、空气流入管(29)、第一过滤器(9)、冷干机(10)、第二三通球阀(11)、吸附式干燥机(13)、第三三通球阀(30)、空气流量控制阀(14)、空气低温设备(15)、空气加热器(16)、第四三通球阀(32)、第五三通球阀(33)、第二过滤器(35)、第六三通球阀(36)、空气流出管(37)、第二被压调节阀(38)、水分分离器(25)、加热带(26)、冷却液管路(40)、膨胀水箱(19)、循环泵(20)、节温器(21)、冷却换热器(23)、冷冻管路(43)、冷冻机组(24)；氢气流入管(2)的入口与氢气供应站(1)相连接，氢气流入管(2)的出口与燃料电池发动机(18)的氢气入口相连接，减压阀(3)、氢气流量控制阀(4)、氢气低温设备(5)、氢气加热设备(6)、第一三通球阀(7)依次串接在氢气流入管(2)上；氢气流出管(28)的入口与燃料电池发动机(18)的氢气出口相连接，第一被压调节阀(27)串接在氢气流出管(28)上；空气流入管(29)的入口与压缩空气站(8)的出口相连接，空气流入管(29)的出口与燃料电池发动机(18)的空气入口相连接，第一过滤器(9)、冷干机(10)、第二三通球阀(11)、吸附式干燥机(13)、第三三通球阀(30)、空气流量控制阀(14)、空气低温设备(15)、空气加热器(16)、第四三通球阀(32)、第五三通球阀(33)、第二过滤器(35)、第六三通球阀(36)依次串接在空气流入管(29)上；空气流出管(37)的入口与燃料电池发动机(18)的空气出口相连接，第二被压调节阀(38)、水分分离器(25)依次串接在空气流出管(37)上，加热带(26)布置在水分分离器(25)上；冷却液管路(40)的两端分别与燃料电池发动机(18)的冷却液进出口相连接，循环泵(20)、节温器(21)、冷却换热器(23)依次串接在冷却液管路(40)上，冷却换热器(23)、冷冻机组(24)串接在冷冻管路(43)上。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台，其特征在于，还包括第一旁通管(31)、第二旁通管(41)、第三旁通管(42)、去离子器(22)，第一旁通管(31)的两端分别与第二三通球阀(11)、第三三通球阀(30)相连接；第二旁通管(41)的一端与节温器(21)相连接，第二旁通管(41)的另一端与冷却换热器(23)下游的冷却液管路(40)相连接；第三旁通管(42)的一端与节温器(21)上游的冷却液管路(40)相连接，第三旁通管(42)的另一端与冷却换热器(23)下游的冷却液管路(40)相连接，去离子器(22)串接在第三旁通管(42)上。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台，其特征在于，还包括第一排水阀(12)、第二排水阀(39)，第一排水阀(12)布置在冷干机(10)的下端，第二排水阀(39)布置在水分分离器(25)的下端。

4.根据权利要求3所述的氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台，其特征在于，还包括第一氮气管路(44)、第二氮气管路(45)、调节阀(46)，第一氮气管路(44)的出口与氢气供应站(1)、减压阀(3)之间的氢气流入管(2)相连接，第二氮气管路(45)的出口与压缩空气站(8)、第一过滤器(9)之间的空气流入管(29)相连接，两个调节阀(46)分别布置在第一氮气管路(44)、第二氮气管路(45)上。

5.根据权利要求4所述的氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台，其特征在于，还包括加湿管路(34)、加湿器(17)，加湿管路(34)的两端分别与第四三通球阀(32)、第五三通球阀(33)相连接，加湿器(17)串接在加湿管路(34)上。

6.根据权利要求5所述的氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台，其特征在于，还包括压力传感器(47)、温度传感器(48)、湿度传感器(49)，多个压力传感器(47)、温度传感器(48)、湿度传感器(49)分别布置在氢气流入管(2)、氢气流出管(28)、空气流入管(29)、空气流出管(37)、冷却液管路(40)上。

7.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机低温冷启动测试平台，其特征在于所述第一三通球阀(7)、第二三通球阀(11)、第三三通球阀(30)、第四三通球阀(32)、第五三通球阀(33)、第六三通球阀(36)均为气动三通球阀。