CN219716911U - 一种燃料电池电堆水平衡检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种燃料电池电堆水平衡检测装置，分别与阴极出口和阳极出口连接，该装置包括依次连接并用于冷凝气体的热交换单元、用于存储冷凝水并称重的汽水分离单元、用于加热残留冷凝水使其完全气化的加热单元、用于为燃料电池电堆提供压力的背压控制单元、用于测量气体露点温度的露点仪、以及用于测量排出气体流量的质量流量计。所述汽水分离单元包括汽水分离器、第一储水罐、第二储水罐、以及称重单元。与现有技术相比，本实用新型能满足燃料电池电堆长时间检测水平衡的需求，且可准确分离不同时间点、不同电流点的液态水。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池电堆水平衡检测装置。
背景技术
目前全世界面临着能源短缺及环境污染等多重压力，各国开始重视绿色高效的新能源开发力度。由于氢燃料电池具有能量转化率高和排放零污染的重大优势，逐渐成为汽车发动机的重点研究对象，而水在质子交换膜燃料电池中起到至关重要的作用，主要是因为一方面质子在传导时，需保证膜含有足够的水，如果膜过干的话会影响电池性能或者导致膜的损坏；另一方面燃料电池在阴极又会有水生成，如果水过多无法迅速排出就会发生水淹现象，堵塞流道，不利于气体的流动，因此如何管理质子交换膜燃料电池中的水，是燃料电池研究的重点。
专利CN108169688A公布了一种燃料电池测试台加湿气体和电池堆水平衡检测装置及方法，该装置包括：水汽分离单元、冷凝单元、分离水称重单元、冷凝水称重单元、气体温度检测和处理器，通过对分离水储水罐的水及冷凝水储水罐的水进行称重，从而得出电堆排出的水量。但该装置存在以下缺点：(1)需要足够大的储水罐满足长时间收集燃料电池运行的水，不利于设备空间的利用；(2)若当储水罐满后，排水的同时又有新的水进入，则无法准确测量水的重量；(3)若需测量不同电流点的水平衡状态时，又无法准确区分每一个电流点的水量，且无法保证最后输出端无液态水残留，导致结果偏差较大。
因此亟需一种新的燃料电池电堆水平衡检测装置能长时间进行检测并进一步提高检测结果的准确性。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的检测设备以及检测偏差等缺陷而提供一种燃料电池电堆水平衡检测装置。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
本实用新型的技术方案为提供一种燃料电池电堆水平衡检测装置，分别与阴极出口和阳极出口连接，该装置包括依次连接并用于冷凝气体的热交换单元、用于存储冷凝水并称重的汽水分离单元、用于加热残留冷凝水使其完全气化的加热单元、用于为燃料电池电堆提供压力的背压控制单元、用于测量气体露点温度的露点仪、以及用于测量排出气体流量的质量流量计，
所述汽水分离单元包括汽水分离器、分别与所述汽水分离器的水路输出口连接并用于交替储水的第一储水罐和第二储水罐、以及与所述汽水分离器、所述第一储水罐和所述第二储水罐连接的称重单元，所述汽水分离器的输入口与所述热交换单元连接，所述汽水分离器的气体输出口与所述背压控制单元连接。
进一步地，所述热交换单元包括板式换热器、水泵、控制阀和水箱，所述板式换热器的输入口与所述电堆阴极出口和电堆阳极出口连接，输出口连接所述汽水分离器的输入口，所述板式换热器上还设有用于提供冷却水和收集热水的所述水箱，所述水箱还依次连接所述水泵和所述控制阀。
进一步地，所述阴极出口和所述阳极出口均高于所述板式换热器的输入口，所述板式换热器的输出口还高于所述汽水分离器的输入口。
进一步地，所述第一储水罐与所述汽水分离器之间还设有用于控制水流开关的第一电磁阀，所述第二储水罐与所述汽水分离器之间还设有用于控制水流开关的第二电磁阀。
进一步地，所述称重单元包括用于称重所述汽水分离器中水的重量的第一天平、用于称重所述第一储水罐中水的重量的第二天平、以及用于称重所述第二储水罐中水的重量的第三天平。
进一步地，所述第一储水罐和所述第二储水罐的底部均设有出水阀。
进一步地，所述加热单元包括缠绕在所述汽水分离器与所述背压控制单元之间连接管道上的加热带以及设于所述加热带上并调整所述加热带温度的控制器。
进一步地，所述背压控制单元包括背压阀以及设于所述背压阀上并调整所述背压阀压力的控制器。
进一步地，所述质量流量计为气体质量流量计。
进一步地，所述露点仪与所述质量流量计的距离短于所述露点仪与所述背压控制单元的距离。
具体地，当所述汽水分离器中的水高于设定液位时，打开所述第一电磁阀或者所述第二电磁阀，使得所述汽水分离器中的水对应流入所述第一储水罐或所述第二储水罐；若首先打开的是所述第一电磁阀，则当所述第一储水罐储满水后，则关闭所述第一电磁阀，打开所述第二电磁阀，使得所述汽水分离器中的水流入所述第二储水罐，所述第一储水罐中的水称重后即可排出，所述第一储水罐用于后续储水需求；若首先打开的是所述第二电磁阀，当所述第二储水罐储满水后，则关闭所述第二电磁阀，打开所述第一电磁阀，使得所述汽水分离器中的水流入所述第一储水罐，所述第二储水灌中的水称重后既可排出，所述第二储水罐用于后续储水需求。所述第一储水罐和所述第二储水罐可交替循环使用，保证了检测过程中的持续性。
或者当前一个电流点测量结束后，切换至下一个电流点的水平衡状态时，通过切换所述第一电磁阀至所述第二电磁阀或者切换所述第一电磁阀至所述第二电磁阀，使得所述第一储水罐与所述第二储水罐分别装载不同电流点产生的水，便于各自的称重记录，简化计算，准确计算不同电流点的含水量。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
(1)本发明装置设有两个储水罐，通过切换电磁阀，可精确分离不同时间段或者电流点产生的水，方便称重记录，减少收集水量结果的误差。
(2)本发明装置设有的两个储水罐可在长时间检测时交替储水，解决了由于当只有一个储水罐储满水时，同时进行排水与进水而无法测量水的重量的问题。
(3)本发明装置对汽水分离器处理后的气体进行了加热，使得后续管道通路内残留的液态水被完全气化，提高了计算排出水量的精确度。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例2的结构示意图。
图中标识如下：
1为热交换单元；2为第一温度传感器；3为汽水分离器；4为加热单元；5为背压控制单元；6为露点仪；7为质量流量计；8为第一储水罐；9为第二储水罐；10为称重单元；11为第一电磁阀；12为第二电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
以下各实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。
实施例1：
如图1所示，为一种燃料电池电堆水平衡检测装置，分别与阴极出口和阳极出口连接，该装置包括依次连接并用于冷凝气体的热交换单元1、用于存储冷凝水并称重的汽水分离单元、用于加热残留冷凝水使其完全气化的加热单元4、用于为燃料电池电堆提供压力的背压控制单元5、用于测量气体露点温度的露点仪6、以及用于测量排出气体流量的质量流量计7。汽水分离单元包括汽水分离器3，分别与汽水分离器3的水路输出口连接并用于交替储水的第一储水罐8和第二储水罐9，以及与汽水分离器3、第一储水罐8和第二储水罐9连接的称重单元10，第一储水罐8与汽水分离器3之间还设有用于控制水流开关的第一电磁阀11，第二储水罐9与汽水分离器3之间还设有用于控制水流开关的第二电磁阀12，第一储水罐8和第二储水罐9的底部均设有出水阀，称重单元10包括用于称重汽水分离器3中水的重量的第一天平、用于称重第一储水罐8中水的重量的第二天平、以及用于称重第二储水罐9中水的重量的第三天平，汽水分离器3的气体输出口与背压控制单元5连接。热交换单元1包括板式换热器、水泵、控制阀和水箱，板式换热器的输入口与电堆阴极出口和电堆阳极出口连接，输出口连接汽水分离器3的输入口，板式换热器上还设有用于提供冷却水和收集热水的水箱，水箱还依次连接水泵和控制阀。具体的阴极出口和阳极出口均高于板式换热器的输入口，使得阴极出口和阳极出口与板式换热器之间的连接管道中无积水；板式换热器的输出口还高于汽水分离器3的输入口，使得板式换热器与汽水分离器3之间的连接管道中无积水。背压控制单元5包括背压阀以及设于背压阀上并调整背压阀压力的控制器。质量流量计7优选为气体质量流量计。加热单元4包括缠绕在汽水分离器3与背压控制单元5之间连接管道上的加热带、以及设于加热带上并调整加热带温度的控制器。露点仪6与质量流量计7的距离短于露点仪6与背压控制单元5的距离。
本实施例还提供一种燃料电池电堆水平衡检测装置的测试方法，包括如下步骤：
(1)收集阳极侧的各种数据。开始收集水量前，称量汽水分离器3的重量为ma1。当汽水分离器3中的水到液位上限时，启动第一电磁阀11，水流至第一储水罐8，当第一储水罐8装满水后，关闭第一电磁阀11，称重第一储水罐8中水的重量为ma3后可排出；当第一储水罐8到液位上限时，开启第二电磁阀12，到设定时间后，若第二储水罐9未满，称重第二储水罐9中水的重量为ma4、汽水分离器3的重量为ma2；若第二储水罐9储满之后，再次打开第一电磁阀11，使得第一储水罐8开始储水，并称重储水重量累计至ma3。露点仪6测量露点温度为Ta1，湿度RHa1，质量流量计7测量输出流量为La1。
计算阳极侧排出的水量：Ya1＝ma2+ma3+ma4-ma1+La1×ma5×RHa1×t，其中ma5为Ta1温度下饱和气体时含水的重量，单位为g；RHa1为阳极侧输出气体的相对湿度；t是水平衡测试的时间，单位为min。
(2)收集阴极侧的各种数据。开始收集水量前，称量汽水分离器3重量为mc1；当汽水分离器3中的水到液位上限时，启动第一电磁阀11，水流至第一储水罐8，当第一储水罐8装满水后，关闭第一电磁阀11，称重第一储水罐8中水的重量为mc3后可排出，当第一储水罐8到液位上限时，开启第二电磁阀12，到设定时间后，若第二储水罐9未满，称重第二储水罐9中水的重量为mc4、汽水分离器3的重量为mc2；若第二储水罐9储满之后，再次打开第一电磁阀11，使得第一储水罐8开始储水，并称重储水重量累计至mc3。露点仪6测量露点温度为Tc1，湿度RHc1，质量流量计7测量输出流量为Lc1。
计算阴极侧排出的水量：Yc1＝mc2+mc3+mc4-mc1+Lc1×mc5×RHc1×t，其中mc5为Tc1温度下饱和气体的含水的重量，单位为g；RHc1为阴极输出气体的相对湿度；t是水平衡测试的时间，单位为min。
(3)根据燃料电池电堆运行时通入气体的湿度及露点温度，利用气体湿度及含水量的关系计算出进入燃料电池电堆的氢气及空气携带的水量分别为Y1、Y2，根据燃料电池电堆在测量电流下的电化学反应计算出阴极侧生成水的重量为Y3。Y1、Y2、Y3的计算方式均为本领域公知。
(4)最后计算燃料电池电堆内保留的水量为Y＝Y1+Y2+Y3-Ya1-Yc1。当Y为零时，则表明该燃料电池电堆内达到了水平衡；若Y大于零，则表明该燃料电池电堆内发生水淹；若Y小于零，则表明该燃料电池电堆内发生莫干。
实施例2：
与实施例1相比，绝大部分都相同，区别在于，在热交换单元1与汽水分离器3之间还设有用于显示热交换单元1出水温度的第一温度传感器2，以及在加热带上设有用于显示加热带温度的第二温度传感器。
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使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所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 (10)
1.一种燃料电池电堆水平衡检测装置，分别与阴极出口和阳极出口连接，其特征在于，该装置包括依次连接并用于冷凝气体的热交换单元(1)、用于存储冷凝水并称重的汽水分离单元、用于加热残留冷凝水使其完全气化的加热单元(4)、用于为燃料电池电堆提供压力的背压控制单元(5)、用于测量气体露点温度的露点仪(6)、以及用于测量排出气体流量的质量流量计(7)，
所述汽水分离单元包括汽水分离器(3)、分别与所述汽水分离器(3)的水路输出口连接并用于交替储水的第一储水罐(8)和第二储水罐(9)、以及与所述汽水分离器(3)、所述第一储水罐(8)和所述第二储水罐(9)连接的称重单元(10)，所述汽水分离器(3)的输入口与所述热交换单元(1)连接，所述汽水分离器(3)的气体输出口与所述背压控制单元(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆水平衡检测装置，其特征在于，所述热交换单元(1)包括板式换热器、水泵、控制阀和水箱，所述板式换热器的输入口与所述电堆阴极出口和电堆阳极出口连接，输出口连接所述汽水分离器(3)的输入口，所述板式换热器上还设有用于提供冷却水和收集热水的所述水箱，所述水箱还依次连接所述水泵和所述控制阀。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆水平衡检测装置，其特征在于，所述阴极出口和所述阳极出口均高于所述板式换热器的输入口，所述板式换热器的输出口还高于所述汽水分离器(3)的输入口。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆水平衡检测装置，其特征在于，所述第一储水罐(8)与所述汽水分离器(3)之间还设有用于控制水流开关的第一电磁阀(11)，所述第二储水罐(9)与所述汽水分离器(3)之间还设有用于控制水流开关的第二电磁阀(12)。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆水平衡检测装置，其特征在于，所述称重单元(10)包括用于称重所述汽水分离器(3)中水的重量的第一天平、用于称重所述第一储水罐(8)中水的重量的第二天平、以及用于称重所述第二储水罐(9)中水的重量的第三天平。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆水平衡检测装置，其特征在于，所述第一储水罐(8)和所述第二储水罐(9)的底部均设有出水阀。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆水平衡检测装置，其特征在于，所述加热单元(4)包括缠绕在所述汽水分离器(3)与所述背压控制单元(5)之间连接管道上的加热带以及设于所述加热带上并调整所述加热带温度的控制器。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆水平衡检测装置，其特征在于，所述背压控制单元(5)包括背压阀以及设于所述背压阀上并调整所述背压阀压力的控制器。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆水平衡检测装置，其特征在于，所述质量流量计(7)为气体质量流量计。
10.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆水平衡检测装置，其特征在于，所述露点仪(6)与所述质量流量计(7)的距离短于所述露点仪(6)与所述背压控制单元(5)的距离。
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