CN215578649U - 燃料电池水平衡测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池水平衡测试系统，包括：电堆；湿度传感器，包括：第一湿度传感器，与电堆的气体进口连接，测量电堆通入气体的湿度；第二湿度传感器，与电堆的气体出口连接，测量电堆排出气体的湿度；温度传感器，包括：第一温度传感器，与电堆的气体进口连接，测量电堆通入气体的温度；第二温度传感器，与电堆的气体出口连接，测量电堆排出气体的温度；控制计算元件，与湿度传感器、温度传感器电连接，根据电堆通入气体和排出气体的温度及湿度，计算电堆内部的保留水量。本实用新型在电堆的气体进口和气体出口均设置了温度传感器和湿度传感器，测得温度及湿度，控制计算元件根据测得的温度及湿度计算得到电堆内的保留水量。

Description

燃料电池水平衡测试系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池水平衡测试系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有高能效、低噪音、高温启动性能好和环境友好等特点，已经成为能源领域研究的热点。由于质子交换膜燃料电池的电化学反应在水-气体-质子(电子)三相界面上进行，且自身电化学反应还会生成水，当催化层中的水含量过多时，过量的水会冲淡反应气体的浓度，同时阻塞反应区的气体通道，造成水淹电极从而影响电池性能；质子交换膜中水含量过少会引起质子交换膜的质子传导能力下降，导致电池性能的下降。

一般地，向电堆的阳极进气口导入氢气，向电堆的阴极进气口导入空气，在催化剂作用下，氢气同空气中的氧气发生电化学反应生成水，在反应过程中，氢气中的质子从阳极通过质子交换膜进入至阴极与空气中的氧气发生反应，使得生成水主要集中于阴极，使得阴极一侧的水量增加，由于水在质子交换膜两侧的浓度差，水将越过质子交换膜从阴极向阳极扩散，因此生成水一部分可从阳极排气口与未参与反应的氢气排出，一部分可从阴极排气口与未参与反应的空气排出。

理论上，计算电堆内部水分是否平衡，应通过气体的含湿量(g/kg)计算，即每千克干空气中混合的水蒸气的质量。但现有水平衡测试方法均通过湿度传感器测量进出气体的相对湿度，来测量进出气体的含水量，未考虑到不同温度下，每千克干空气能够容纳水汽的质量是不同的。如20℃条件下，空气的饱和含湿量为14g/kg(每千克干空气能容纳14g水汽)，相对湿度为50％，则每千克空气中的水分为7g。33℃条件下，空气的饱和含湿量为32g/kg，若气体的相对湿度还是50％，此时每千克空气中的水分则变为16g。现有水平衡测试方法默认电堆通入气体和排出气体温度相同，仅测定气体的相对湿度导致电堆内部保留水量的计算不准确。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述传统水平衡测试方法对燃料电池水平衡计算不准确的问题，提供一种燃料电池水平衡测试系统。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种燃料电池水平衡测试系统，包括：电堆；湿度传感器，包括：第一湿度传感器，与所述电堆的气体进口连接，测量电堆通入气体的湿度；第二湿度传感器，与所述电堆的气体出口连接，测量电堆排出气体的湿度；温度传感器，包括：第一温度传感器，与所述电堆的气体进口连接，测量电堆通入气体的温度；第二温度传感器，与所述电堆的气体出口连接，测量电堆排出气体的温度；控制计算元件，与所述湿度传感器、所述温度传感器电连接，根据电堆通入气体和排出气体的温度及湿度，计算电堆内部的保留水量。

可选的，所述测试系统还包括：电流测量装置，与所述控制计算元件连接，用于测量电堆内电流的大小。

可选的，所述测试系统还包括：液态水收集器，与所述电堆的气体出口连通，用于收集电堆气体出口冷凝的液态水。

可选的，所述测试系统还包括：电子秤，与所述液态水收集器及所述控制计算元件连接，用于称量收集的液态水并将数据传送至所述控制计算元件。

可选的，所述测试系统还包括：加湿罐，与所述控制计算元件连接，由控制计算元件控制加湿罐对通入气体进行加湿。

可选的，所述加湿罐上设有电磁阀，以控制加湿罐的开启或关闭。

可选的，所述测试系统还包括：用于对电堆通入气体加热的加热装置。

可选的，所述加湿罐设于所述加热装置和所述电堆之间。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)与现有技术相比，本实用新型在电堆的气体进口和气体出口均设置了温度传感器和湿度传感器，测得通入气体、排出气体的温度及湿度，控制计算元件根据测得的温度及湿度计算得到通入气体、排出气体的含湿量，从而准确得出通入电堆、排出电堆水分的质量，进而能够准确得出电堆内的保留水量；

(2)本实用新型的加湿罐与控制计算元件连接，控制计算元件控制加湿罐调节通入气体的湿度，使电堆保持水平衡；

(3)本实用新型通过电流测量装置测量电化学反应的电流大小，定量测量电化学反应的生成水量，进一步准确计算电堆内部的保留水量。

附图说明

图1为本实用新型的燃料电池水平衡测试系统的结构示意图。

图2为本实用新型的燃料电池水平衡测试系统测试方法的流程示意图。

图中：1-流量调节阀，2-加热装置，3-第一温度传感器，4-第二温度传感器，5-加湿罐液位计，6-电磁阀，7-控制计算元件，8-电动截止阀，9-第一湿度传感器，10-第二湿度传感器，11-背压控制阀，12-液态水收集器，13-加湿罐，14-电堆，15-电子秤。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

一般地，由于质子交换膜燃料电池的电化学反应在水-气体-质子(电子)三相界面上进行，且自身电化学反应还会生成水，当催化层中的水含量过多时，造成水淹电极从而影响电池性能；质子交换膜中水含量过少会引起质子交换膜的质子传导能力下降，导致电池性能的下降。因此，保持燃料电池水平衡是提高电池性能和寿命的关键。

理论上，计算燃料电池内部水分是否平衡，应通过气体的含湿量(g/kg)计算，即每千克干空气中混合的水蒸气的质量。但现有水平衡测试方法均通过湿度传感器测量进出气体的相对湿度，来测量进出气体内水分的含量，未考虑到不同温度下，每千克干空气能够容纳水汽的质量是不同的，如20℃条件下，空气的饱和含湿量为14g/kg(每千克干空气能容纳14g水汽)，相对湿度为50％，则每千克空气中的水分为7g。33℃条件下，空气的饱和含湿量为32g/kg，若气体的相对湿度还是50％，此时每千克空气中的水分则变为16g。现有水平衡测试方法默认电堆通入气体和排出气体温度相同，仅测定通入气体、排出气体的相对湿度来测量电堆内部的保留水量，计算并不准确。

如图1所示，本实用新型提供了一种燃料电池水平衡测试系统，包括：电堆14；湿度传感器，包括：第一湿度传感器9，与电堆14的气体进口连接，测量电堆14通入气体的湿度；第二湿度传感器10，与电堆14的气体出口连接，测量电堆14排出气体的湿度；温度传感器，包括：第一温度传感器3，与电堆14的气体进口连接，测量电堆14通入气体的温度；第二温度传感器4，与电堆14的气体出口连接，测量电堆14排出气体的温度；控制计算元件7，与湿度传感器、温度传感器电连接，根据电堆14通入气体和排出气体的温度及湿度，计算电堆14内部的保留水量。

本实用新型通过第一温度传感器3、第一湿度传感器9测量电堆14通入气体的温度及湿度，通过第二温度传感器4、第二湿度传感器10测量电堆14排出气体的温度及湿度，根据通入气体和排出气体的温度及湿度，得出电堆14内的保留水量，判断电堆14内是否发生水淹或膜干，较传统液态水测量方法具有更高的精度。

一些实施例中，电堆14通入的气体经流量调节阀1控制流速后，再经过第一温度传感器3和第一湿度传感器9测量温湿度，提高温湿度测量的准确性。

一些实施例中，本实用新型的燃料电池水平衡测试系统还包括：加湿罐13，所述加湿罐13设在电堆14的气体进口处，对通入气体进行加湿。加湿罐13设有加湿罐液位计5，以检测加湿罐13内液位的高低。加湿罐13还设有电磁阀6，以控制加湿罐13送出水汽的开关。

一些实施例中，加湿罐13与第一湿度传感器9之间设有电动截止阀8，以控制通入气体的开关。

本实用新型的燃料电池水平衡测试系统还包括：加热装置2，加热装置2设在电堆14气体进口处，对电堆14的通入气体进行加热。优选地，加热装置2可以设于加湿罐13远离电堆14的一侧，先利用加热装置2加热再混入饱和水蒸汽，饱和水蒸汽不易冷凝。

本实用新型电堆14的内部设有电流测量装置，所述电流测量装置用于测量电化学反应的电流大小，电流测量装置与控制计算元件7连接，将电流参数传送给控制计算元件7，控制计算元件7根据电化学反应中生成水量与电流之间的比例关系，得出电化学反应的生成水量D5。

本实用新型的燃料电池水平衡测试系统还包括：液态水收集器12及电子秤15，所述液态水收集器12与电堆14的气体出口连通，收集电堆14气体出口冷凝的液态水。所述电子秤15与液态水收集器12连接，称量液态水的质量D6。电子秤15还与控制计算元件7电连接，将液态水的质量D6传送至控制计算元件7。

一些实施例中，电堆14的气体出口还设有背压控制阀11，以防止排出气体的回流。

如图2所示，本实用新型提供的燃料电池水平衡测试系统的测试方法包括如下步骤：

步骤S1，参数采集：第一温度传感器3采集电堆14通入气体的温度，第一湿度传感器9采集电堆14通入气体的湿度；第二温度传感器4采集电堆14排出气体的温度，第二湿度传感器10采集电堆14排出气体的湿度；电流测量装置采集电堆14电流的大小，电子秤15采集电堆14气体出口冷凝水的质量。

一些实施例中，上述通入气体为空气及氢气，通入电堆14的空气及氢气在电堆14内发生电化学反应后由气体出口排出。

步骤S2，保留水量计算：第一温度传感器3、第一湿度传感器9、第二温度传感器4、第二湿度传感器10、电流测量装置、及电子秤15将采集的数据传输到控制计算元件7，由控制计算元件7计算电堆14的保留水量。

一些实施例中，电堆14的保留水量＝通入电堆14水分的质量+电堆14的生成水量-排出电堆14水分的质量。

其中，上述通入电堆14水分的质量为通入氢气含湿量与通入空气含湿量之和。

具体地，通入氢气的含湿量D1＝622×A1×Ps/(C-A1×Ps)(A1为通入氢气的湿度，B1为通入氢气的温度；C为当地大气压，Ps为温度B1对应的水蒸气的饱和分压力，由饱和水与饱和蒸汽表查得)。

具体地，通入空气的含湿量D2＝622×A2×Ps/(C-A2×Ps)(A2为通入空气的湿度，B2为通入空气的温度；C为当地大气压，Ps为温度B2对应的水蒸气的饱和分压力，由饱和水与饱和蒸汽表查得)。

其中，上述电堆14的生成水量D5为控制计算元件7根据电流与生成水量的比例关系计算得到。

其中，上述排出电堆14水分的质量为排出氢气的含湿量、排出空气含湿量、电堆14气体出口冷凝水质量之和。

具体地，排出氢气的含湿量D3＝622×A3×Ps/(C-A3×Ps)(A3为排出氢气的湿度，B3为排出氢气的温度；C为当地大气压，Ps为温度B3对应的水蒸气的饱和分压力，由饱和水与饱和蒸汽表查得)。

具体地，排出空气的含湿量D4＝622×A4×Ps/(C-A4×Ps)(A4为排出空气的湿度，B4为排出空气的温度；C为当地大气压，Ps为温度B4对应的水蒸气的饱和分压力，由饱和水与饱和蒸汽表查得)。

具体地，电堆14气体出口冷凝水质量D6通过电子秤15称量气体出口冷凝水的质量得到。

综上，电堆14的保留水量D＝D1+D2+D5-D3-D4-D6。

步骤S3，电堆水合状态判断及调整：若所述保留水量D为零，则判定电堆14内水处于平衡状态；若所述保留水量D大于零，则判定电堆14内发生水淹，将会阻碍气体扩散，此时控制计算元件7控制加湿罐13减少通入气体的湿度；若所述保留水量D小于零，则判定电堆14内发生膜干，此时控制计算元件7控制加湿罐13增加通入气体的湿度。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型在电堆的气体进口和气体出口均设置了温度传感器和湿度传感器，测得通入气体、排出气体的温度及湿度，根据测得的温度及湿度准确得到通入气体、排出气体的含湿量，从而准确得出通入电堆、排出电堆水分的质量，进而能够准确得出电堆内的保留水量。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种燃料电池水平衡测试系统，其特征在于，包括：

电堆；

湿度传感器，包括：第一湿度传感器，与所述电堆的气体进口连接，测量电堆通入气体的湿度；第二湿度传感器，与所述电堆的气体出口连接，测量电堆排出气体的湿度；

温度传感器，包括：第一温度传感器，与所述电堆的气体进口连接，测量电堆通入气体的温度；第二温度传感器，与所述电堆的气体出口连接，测量电堆排出气体的温度；

控制计算元件，与所述湿度传感器、所述温度传感器电连接，根据电堆通入气体和排出气体的温度及湿度，计算电堆内部的保留水量。

2.如权利要求1所述的燃料电池水平衡测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括：

电流测量装置，与所述控制计算元件连接，用于测量电堆内电流的大小。

3.如权利要求1所述的燃料电池水平衡测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括：

液态水收集器，与所述电堆的气体出口连通，用于收集电堆气体出口冷凝的液态水。

4.如权利要求3所述的燃料电池水平衡测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括：

电子秤，与所述液态水收集器及所述控制计算元件连接，用于称量收集的液态水并将数据传送至所述控制计算元件。

5.如权利要求1所述的燃料电池水平衡测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括：

加湿罐，与所述控制计算元件连接，由控制计算元件控制加湿罐对通入气体进行加湿。

6.如权利要求5所述的燃料电池水平衡测试系统，其特征在于，所述加湿罐上设有电磁阀，以控制加湿罐的开启或关闭。

7.如权利要求6所述的燃料电池水平衡测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括：用于对电堆通入气体加热的加热装置。

8.如权利要求7所述的燃料电池水平衡测试系统，其特征在于，所述加湿罐设于所述加热装置和所述电堆之间。

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