CN215771233U - 一种用于pemfc燃料电池系统的一体化测试设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于PEMFC燃料电池系统的一体化测试设备，通过对在PEMFC电堆的氢气/空气进气侧的加温加湿段设第一旁通管道，将气体尾排管在所述PEMFC电堆的空气出口侧设置第二旁通管道，以使得空气过滤器实现对PEMFC燃料电池系统的管道进行快速吹扫，通过将小型冷却单元放置于冷却水进水管和冷却水出水管之间，能有效减少场地占用面积，例如，原有的常规的100KW电堆测试系统，及外部需配套匹配100KW等级的水、电、气供给单元热量冷却回路及电能馈网装置，预计花费400万，本实用新型则由于不需要外部配套设备，可节省100多万的直接费用及200㎡的场地。

Description

一种用于PEMFC燃料电池系统的一体化测试设备

技术领域

本实用新型涉及新能源领域，特别涉及一种用于PEMFC燃料电池系统的一体化测试设备。

背景技术

PEMFC电堆，如图1所示，对外仅有3对进出口和电能集流板，接口分别为氢气进气管道21、空气进气管道22、冷却水进水管道23、氢气出气管道24、空气出气管道25、冷却水出水管道26。PEMFC电堆只需连续供应原料，即能源源不断输出电和热能，为进一步提高效率，需对原料进行处理，使其具有适宜的湿度和温度。

氢通常采用高压储罐直接降压输送，氧从空气侧增压供给，两种气体经换热器增温加湿，调节气体温度在60～80℃，湿度80～100％RH范围，在电堆内高效充分转化，释放最佳效能。而转化过程中燃料电池释放的热能，由冷却液实时带出，以保持电池期望运行温度。

气体原料供应，加温、加湿和冷却水的供给如图2所示，流量控制物料的动态平衡，需各种类型的泵及动力源的参与。燃料电池电堆测试系统是一个集中了多种专业知识的复杂的多变量、综合性仪器装置，包括有电化学、热力学、流体力学、电力电子技术、计算机软硬件技术、自动控制技术等。

PEMFC发动机，入图3所示，相对电堆，外部接口种类增多，除了氢气进气管道31、空气进气管道32、冷却水进水管道33、氢气出气管道34、空气出气管道35、冷却水出水管道36，因PEMFC发动机系统集成了加湿功能单元接口37、流量控测功能单元接口38、压力控制功能单元接口39，对外除了控制，还需配置低压动力、气动辅助动力、发动机状态开关及模拟量反馈。测试台架在对PEMFC发动机进行测试时，仅需监控水、电、气单元，对各种运行工况进行效能分析，如图4所示，而PEMFC电堆与PEMFC发动机共同组成PEMFC燃料电池系统。

但是，现有的PEMFC燃料电池系统采用独立测试台架分别进行测试，PEMFC电堆及发动机测试台架及配套的BOP(Balance Of Plant辅助车间集中控制网)设备，价格不仅昂贵，其对每一型号的PEMFC燃料电池系统分别配置将占用大量场地资源，BOP设备及配套资源重复采购，将导致折旧费率高，企业经营运行负担加大，而且除了设备售后维护便捷性有待商榷外，还存在设备利用率低，时效性差等缺点，特别低，还存在场地占用面积过大的缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于PEMFC燃料电池系统的一体化测试设备，旨在实现降低测试系统的总预算和降低测试场地的占用。

一种用于PEMFC燃料电池系统的一体化测试设备，其特征在于，包括台架，设置于所述台架上的PEMFC燃料电池系统，设置于台架上的、且连接所述PEMFC燃料电池系统的空气过滤器，所述空气过滤器用于对PEMFC燃料电池系统的管道进行快速吹扫，空气过滤器设置一压缩空气管路连接所述PEMFC电堆的空气进气管道，在PEMFC电堆的氢气、空气进气侧的加温加湿段设第一旁通管道，将气体尾排管在所述PEMFC电堆的空气出口侧设置第二旁通管道；还包括设置于PEMFC电堆的冷却水进水管和冷却水出水管之间的小型冷却单元；还包括扩展接口，用于实现PEMFC测试系统对多组PEMFC发动机进行批量测试。

上述实用新型还可以作如下改进：

所述小型冷却单元包括小型储水罐，用于向所述小型储水罐内泵入冷却水的第一电磁阀，用于冷却从所述PEMFC电堆冷却水出水管流出的热水的换热器，用于将所述热水输送至所述换热器的循环泵，用于将所述热水泵向所述循环泵的第二电磁阀，以及连接连通小型储水罐、第一电磁阀、第二电磁阀、循环泵以及换热器的水管。

所述冷却水进水管和冷却水出水管上分别设置有进水管温度传感器和出水管温度传感器。

本实用新型相对于现有技术，具备如下优点：

通过对在PEMFC电堆的氢气/空气进气侧的加温加湿段设第一旁通管道，将气体尾排管在所述PEMFC电堆的空气出口侧设置第二旁通管道，以使得空气过滤器实现管路进行PEMFC燃料电池系统的管道进行快速吹扫，通过将小型冷却单元放置于冷却水进水管和冷却水出水管之间，能有效减少场地占用面积，例如，原有的常规的100KW电堆测试系统，及外部需配套匹配100KW等级的水、电、气供给单元热量冷却回路及电能馈网装置，预计花费400万，本实用新型则由于不需要外部配套设备，可节省100多万的直接费用及200㎡的场地。

附图说明

图1为PEMFC电堆接口的结构示意图；

图2为现有外挂测试台架的PEMFC电堆的结构框图及各管路功能示意图；

图3为燃料电池发动机总成接口结构示意图；

图4为现有外挂测试台架的PEMFC燃料电池系统的结构框图及各管路功能示意图；

图5为本实用新型所述一体化测试设备的结构框图；

图6为本实用新型所述小型冷却单元的结构框图；

图7为本发明所述PEMFC发动机测试系统及其扩展接口的系统逻辑图；

图8为本发明所述PEMFC发动机测试系统及其扩展接口的通讯网络图；

图9为本发明用于输出直流电压的模拟量信号单元的电路结构图；

图10为本发明用于输出直流电流的模拟量信号单元的电路结构图；

图11为本发明用于输出数字信号的数字量信号单元的电路结构图；

图12为本发明用于输入数字信号的数字量信号单元的电路结构图；

图13为本发明所述扩展接口面板的结构示意图；

图14为本发明所述联接接口的结构示意图；

图15为图9部分结构的放大图；

图16为图10部分结构的放大图；

图17为图11部分结构的放大图；

图18为图12部分结构的放大图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图5所示，本实用新型提供了一种用于PEMFC燃料电池系统的一体化测试设备，包括台架，设置于所述台架上的PEMFC燃料电池系统，设置于台架上的、且连接所述PEMFC燃料电池系统的空气过滤器，所述空气过滤器用于对PEMFC燃料电池系统的管道进行快速吹扫，相对于图2，空气过滤器设置一压缩空气管路10连接所述PEMFC电堆的空气进气管道，在PEMFC电堆的氢气进气侧的加温加湿段设第一旁通管道11，空气进气侧的加温加湿段设二旁通管道12，将气体尾排管在所述PEMFC电堆的空气出口侧设置第三旁通管道13；还包括设置于PEMFC电堆的冷却水进水管和冷却水出水管之间的小型冷却单元；还包括扩展接口，用于实现PEMFC测试系统对多组PEMFC发动机进行批量测试。

所述小型冷却单元包括小型储水罐Bx-01，用于向所述小型储水罐内泵入冷却水的第一电磁阀Sc1，用于冷却从所述PEMFC电堆冷却水出水管流出的热水的换热器Hex-01，用于将所述热水输送至所述换热器Hex-01的循环泵m1，用于将所述热水泵向所述循环泵的第二电磁阀Sc2，以及连接连通小型储水罐Bx-01、第一电磁阀Sc1、第二电磁阀Sc2、循环泵m1以及换热器Hex-01的水管。

所述冷却水进水管和冷却水出水管上分别设置有进水管温度传感器Te-02和出水管温度传感器Te-01。

通过对在PEMFC电堆的氢气进气侧的加温加湿段设第一旁通管道、空气进气侧的加温加湿段设第二旁通管道，将气体尾排管在所述PEMFC电堆的空气出口侧设置第三旁通管道，以使得空气过滤器实现管路进行PEMFC燃料电池系统的管道进行快速吹扫，通过将小型冷却单元放置于冷却水进水管和冷却水出水管之间，能有效减少场地占用面积，例如，原有的常规的100KW电堆测试系统，及外部需配套匹配100KW等级的水、电、气供给单元热量冷却回路及电能馈网装置，预计花费400万，本实用新型则由于不需要外部配套设备，可节省100多万的直接费用及200㎡的场地。

其中扩展接口，结构形式如图7所示，内部安装有具备地线和用于提供直流电压的母线的整定电路板，还包括通讯可编程智能网关，模拟量信号单元，数字量信号单元，扩展接口面板以及联接接口。

通讯可编程智能网关用于连接PEMFC发动机测试系统以对其所发出的网络信号进行转换，并经多种不同协议的通讯接口输出至PEMFC发动机，采用GACN品牌的型号为GCAN-204/205 的Modbus转CAN模块。该Modbus转CAN模块集成1路CAN接口、1路以太网接口、1路RS485 接口、1路RS232接口的总线模拟控制器，引脚定义见表1，用于连接CAN总线、RS232/485 总线、以太网总线，并支持常见的工业现场总线，如：CAN open、Modbus RTU、ModbusTCP 等，如图3所示，可利用这些通讯总线实现PEMFC发动机测试系统扩展以及其与PEMFC发动机的实时通信。

表1

如图9和图15所示，模拟量信号单元用于输出直流电压，其包括16组直流电压输出接口，通过连接母线的限压电阻R1～R16，以及分别串联所述限压电阻R1～R16的电压调整电位器WR1～WR16，搭载于所述整定电路板之上的、且分别串联于所述电压调整电位器WR1～ WR16的电量变送模块BV1～BV16，用于DC 0～5V范围内的动态响应至直流电压输出接口时，由分别并联在各直流电压输出接口的线路上的显示表B1～B16实时显示当前的电压给定值。

如图10和图16所示，模拟量信号单元用于输出直流电流，其包括16组直流电流输出接口，通过连接母线的限压电阻R1～R16，以及分别串联所述限压电阻R1～R16的电压调整电位器WR1～WR16，搭载于所述整定电路板之上的、且分别串联于所述电压调整电位器WR1～ WR16的电量变送模块BV1～BV16，用于输出DC 4～20mA范围内的动态响应至直流电流输出接口时，由分别串联在各直流电压输出接口的线路上的显示表B1～B16实时显示当前的电流给定值。

数字量信号单元，分为数字量信号输出单元和数字量信号输入单元，其分别包括16组的数字信号输出接口和16组的数字信号输入接口。

如图11和图17所示，数字量信号输出单元包括重联双位置开关K1～K16，重联双位置开关K1～K16的一侧两触点均分别连接供电母线和地线，另一侧则与所述数字信号输出接口连接。

如图12和图18所示，数字量信号输入单元包括重联双位置开关，用于控制所述重联双位置开关启闭的固态继电器Km1～Km16，每一固态继电器的线圈外接所述数字信号输入接口形成回路，所述重联双位置开关一侧的两触点分别连接供电母线和地线，另一侧分别连接 1A’～16A’、1B’～16B’，以使所述PEMFC发动机以向测试系统回传数字信号。

如图18所示，通讯可编程智能网关、模拟量信号单元以及数字量信号单元继承为一套含 2路CAN总线、2路485、2路232、2路以太网、16组直流电流输出接口、16组直流电流输入接口、16组直流电压输出接口、16组直流电压输入接口、16组的数字信号输出接口和16组的数字信号输入接口继承为扩展接口面板。

如图14所示，联接接口由插头2、导线3以及探针4组成，所述导线一端连接可插入所述模拟信号输出接口或数字信号输出接口的插头2，另一端连接用于插入PEMFC发动机各接口内触点的插针4。

扩展接口对PEMFC发动机的驱动过程如下：

预先检测PEMFC发动机其中一个接口的内触点的信号类型、信号流向以及信号量；

若检测到所述接口内的其中一个触点用于输入模拟信号，如直流电压，并获得所述触点所需要的直流电压值，则将如图9所示联接接口的插头插入模拟量信号单元的直流电压输出接口，并通过电压调整电位器调节直流电压输出接口所输出的直流电压与触点所需要的直流电压值相一致后，将联接接口的探针4插入PEMFC发动机接口与该触点连通；

若检测到所述接口内的其中一个触点用于输入数字信号，并获得所述触点的数字信号量，则将联接接口的插头2插入数字量信号单元的数字信号输出接口，并调节所述数字信号输出接口所输出的数字信号量与触点的数字信号量相一致后，将联接接口的探针插入PEMFC发动机接口与所述触点连通；

若检测到所述接口内的其中一个触点用于输出模拟信号，则直接将联接接口的插头2插入模拟量信号单元的模拟信号输入接口，并将联接接口的探针4插入PEMFC发动机接口与该触点连通；

若检测到所述接口内的其中一个触点用于输出数字信号，则将联接接口的插头2直接插入数字量信号单元的数字信号输入接口，并将联接接口的探针4插入PEMFC发动机接口与所述触点连通；

以此类推，用联接接口的探针4与所述PEMFC发动机接口的所有触点连通，实现PEMFC 发动机测试系统对所述PEMFC发动机接口的驱动。

上面结合附图对本实用新型的实施方式做了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种用于PEMFC燃料电池系统的一体化测试设备，其特征在于，包括台架，设置于所述台架上的PEMFC燃料电池系统，设置于台架上的、且连接所述PEMFC燃料电池系统的空气过滤器，所述空气过滤器用于对PEMFC燃料电池系统的管道进行快速吹扫，空气过滤器设置一压缩空气管路连接所述PEMFC电堆的空气进气管道，在PEMFC电堆的氢气、空气进气侧的加温加湿段设第一旁通管道，将气体尾排管在所述PEMFC电堆的空气出口侧设置第二旁通管道；还包括设置于PEMFC电堆的冷却水进水管和冷却水出水管之间的小型冷却单元；还包括扩展接口，用于实现PEMFC测试系统对多组PEMFC发动机进行批量测试。

2.根据权利要求1所述用于PEMFC燃料电池系统的一体化测试设备，其特征在于，所述小型冷却单元包括小型储水罐，用于向所述小型储水罐内泵入冷却水的第一电磁阀，用于冷却从所述PEMFC电堆冷却水出水管流出的热水的换热器，用于将所述热水输送至所述换热器的循环泵，用于将所述热水泵向所述循环泵的第二电磁阀，以及连接连通小型储水罐、第一电磁阀、第二电磁阀、循环泵以及换热器的水管。

3.根据权利要求2所述用于PEMFC燃料电池系统的一体化测试设备，其特征在于，所述冷却水进水管和冷却水出水管上分别设置有进水管温度传感器和出水管温度传感器。

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