CN220585268U - 一种燃料电池的测试系统 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供的一种燃料电池的测试系统，可通过快速变换气体类型、湿度及电池温度实现燃料电池多参数检测模式的快速切换。测试系统包括：供气与气体快速切换模块、干湿气体混合模块、电池温度控制模块、背压控制模块和数据采集模块；供气与气体快速切换模块可以提供氢气、空气和氮气，通过氮气旁路可以实现阴极气体类型的快速切换，达到氢空模式与氢氮模式快速切换的目的；干湿气体混合模块可通过调节流入干气路和湿气路的气体流量比例实现对气体相对湿度的快速切换；电池温度控制模块通过对加热或制冷的方式实现电池温度的快速变换；数据采集模块可以实现燃料电池伏安曲线、线性扫描伏安曲线和循环伏安曲线等多参数的采集功能。

Description

一种燃料电池的测试系统

技术领域

本公开属于燃料电池测试技术领域，特别是涉及一种燃料电池的测试系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种通过化学反应将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的装置，由于其具有清洁无污染、转换效率高、功率密度大、启动速度快等优点,在交通运输等多领域都具有广阔的应用前景。燃料电池开发时，为了了解其极化特性、漏氢特性、电化学活性面积、双电层电容等电化学特性，需要对伏安曲线(IV)、线性扫描伏安曲线(LSV)和循环伏安曲线(CV)等多参数进行测试。但由于不同参数测试所需的气体类型和温湿度不同，而传统测试系统中气体类型和温湿度切换需要较长等待时间，严重影响测试效率。因此，开发具有多参数检测模式快速切换功能的检测设备，对燃料电池行业具有十分重大的研究意义。

实用新型内容

本公开是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

由于不同参数测试所需的气体类型和温湿度不同，而传统测试系统中气体类型和温湿度切换需要较长等待时间，严重影响测试效率。具体表现为管路残留气体吹扫慢，当从伏安曲线IV测试模式切换成线性扫描伏安曲线LSV或循环伏安曲线CV模式时，需要将通入燃料电池阴极侧的气体由空气切换为纯氮气，氮气吹扫空气的过程耗时；气体湿度切换慢，由于不同参数测试需要频繁变换气体的湿度，传统测试系统采用单一气体加湿罐，气体湿度的切换需要等待加湿罐自然升降温，此过程耗时严重；电池温度切换慢，由于不同参数测试需要频繁变换燃料电池运行温度，传统电池温度的切换需要等待自然降温，此过程耗时严重。因此，现有的燃料电池测试设备存在着电池温度、通入气体的湿度切换速度慢，阴极气体类型切换和吹扫速度慢的问题。

为此，本公开提出一种燃料电池的测试系统，用于实现燃料电池多参数检测模式的快速切换。

本公开第一方面提供的一种燃料电池的测试系统，包括：

燃料电池；

供气与气体快速切换模块，包括通过设有若干阀门的管道相连接的氢气路、空气路和氮气旁路；所述氢气路与所述燃料电池的阳极气体入口相连通，所述空气路和所述氮气旁路与所述燃料电池的阴极气体入口相连通，通过控制所述阀门使所述氮气旁路对所述氢气路和所述空气路的管道进行吹扫，或者使所述氮气旁路、所述氢气路和/或所述空气路对所述燃料电池供气；

三个干湿气体混合模块，分别设置于所述氮气旁路、所述氢气路和所述空气路与所述燃料电池的相应气体入口连通的管路上，用于调节各气路向所述燃料电池通入的气体的相对湿度，以满足不同测试模式对气体相对湿度的要求；

电池温度控制模块，用于通过加热或制冷的方式对所述燃料电池的温度进行调节，以满足不同检测模式对燃料电池温度的要求；

背压控制模块，设置于所述燃料电池的阴极气体出口和阳极气体出口所在的管路上，用于对燃料电池出口的气体进行气液分离和对燃料电池出口的气体压力进行控制；

数据采集模块，与所述燃料电池电连接，包括电子负载和电化学工作站，用于对不同测试模式下所述燃料电池的测试数据进行采集。

在一些实施例中，所述氮气旁路中依次设有高压氮气罐、第一减压阀、第一压力表、第一单向阀、第一电磁阀、第一三通阀和第二三通阀；所述氢气路中依次设有高压氢气罐、第二减压阀、第二压力表、第二单向阀、第三三通阀和第四三通阀；所述空气路中依次设有高压空气罐、第三减压阀、第三压力表、第三单向阀、第五三通阀和第六三通阀；

所述氮气旁路经过所述第一电磁阀后形成吹扫支路和氮气支路，所述吹扫支路依次通过所述第一三通阀、第四单向阀和所述第三三通阀接入所述氢气路，所述吹扫支路还依次通过所述第一三通阀、第五单向阀和所述第五三通阀接入所述空气路；所述氮气支路和所述空气路通过第二电磁阀连接所述燃料电池的阴极气体入口；

第一干湿气体混合模块设置在所述第二三通阀与所述第二电磁阀之间，第二干湿气体混合模块设置在所述第四三通阀与所述燃料电池的阳极气体入口之间，第三干湿气体混合模块设置在所述第六三通阀与所述第二电磁阀之间。

在一些实施例中，各所述干湿气体混合模块均分别包括通过相应的三通阀形成的干气路和湿气路，以及用于混合所述干气路和所述湿气路的出口处气体的混合罐；所述干气路中依次设有第一气体流量计和第六单向阀，所述湿气路中依次设有第二气体流量计、第七单向阀和加湿罐，所述混合罐的出气口与所述燃料电池的相应气体入口连通。

在一些实施例中，所述加湿罐为储水容器，气体由所述加湿罐的下部进入、上部流出，达到气体加湿的目的。

在一些实施例中，各条所述干气路和所述湿气路中，从所述加湿罐到所述混合罐再到所述燃料电池的相应气体入口的管路上均包裹有加热带进行保温处理。

在一些实施例中，所述背压控制模块包括气液分离器和背压阀。

在一些实施例中，所述燃料电池的阴阳极气体的入口和出口均安装有压力传感器，用于检测气体压力。

在一些实施例中，在所述燃料电池的阴阳极气体入口处均安装有气体露点仪，用于检测进入所述燃料电池的气体的相对湿度。

在一些实施例中，所述电池温度控制模块包括安装于所述燃料电池的测试夹具上的加热棒和电制冷片，通过控制所述加热棒和所述电制冷片的工作实现所述燃料电池高低温度快速的转换。

本公开的特点及有益效果为：

由上述技术方案可知，本公开实施例提供的燃料电池的测试系统及使用方法，可以通过实现气体类型、干湿度、电池温度的快速切换，最终实现了燃料电池多参数检测模式的快速切换，提高了燃料电池的测试效率。其中，供气与气体快速切换模块可以提供氢气、空气和氮气，通过氮气旁路可以实现阴极气体类型的快速切换，达到氢空模式与氢氮模式快速切换的目的。干湿气体混合模块可通过调节流入干气路和湿气路的气体流量比例实现对气体相对湿度的快速切换。电池温度控制模块通过对加热或制冷的方式实现电池温度的快速变换。

附图说明

为了更清楚地说明本公开的实施例，在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际物体绘制。

图1为本公开实施例提供的燃料电池的测试系统的结构示意图。

图2为本公开实施例提供的燃料电池的测试系统中电池温度控制模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

参照图1和图2，本公开第一方面实施例提供的一种燃料电池的多参数检测模式快速切换测试系统，可实现燃料电池多参数检测模式的快速切换，包括：

燃料电池000；

供气与气体快速切换模块，包括通过设有若干阀门的管道相连接的氢气路、空气路和氮气旁路；其中，氢气路与燃料电池000的阳极气体入口相连通，空气路和氮气旁路与燃料电池000的阴极气体入口相连通，通过控制阀门使氮气旁路对氢气路和空气路的管道进行吹扫，或者使氮气旁路、氢气路和/或空气路对燃料电池000供气；

三个干湿气体混合模块，分别设置于氮气旁路、氢气路和空气路与燃料电池000的相应气体入口连通的管路上，用于调节各气路向燃料电池000通入气体的相对湿度，以满足不同测试模式对气体相对湿度的要求；

电池温度控制模块，用于通过加热或制冷的方式对燃料电池000的温度进行调节，以满足不同检测模式对燃料电池温度的要求；

背压控制模块，设置于燃料电池000的阴极气体出口和阳极气体出口所在的管路上，用于对燃料电池000出口的气体进行气液分离和对燃料电池出口的气体压力进行控制；

数据采集模块(该数据采集模块在图中未示意出)，与燃料电池000电连接，包括电子负载和电化学工作站，用于对不同测试模式下燃料电池000的测试数据进行采集。

在一些实施例中，供气与气体快速切换模块包括氢气路、空气路和氮气旁路；氮气旁路中依次设有高压氮气罐100、第一减压阀101、第一压力表102、第一单向阀103、第一电磁阀104、第一三通阀105和第二三通阀108；氢气路中依次设有高压氢气罐200、第二减压阀201、第二压力表202、第二单向阀203、第三三通阀204和第四三通阀205；空气路中依次设有高压空气罐300、第三减压阀301、第三压力表302、第三单向阀303、第五三通阀304和第六三通阀305。其中，氮气旁路经过第一电磁阀104后形成吹扫支路和氮气支路，吹扫支路依次通过第一三通阀105、第四单向阀106和第三三通阀204接入氢气路，吹扫支路还依次通过第一三通阀105、第五单向阀107和第五三通阀304接入空气路；氮气支路和空气路通过设置燃料电池阴极气体入口处的第二电磁阀117接入燃料电池000的阴极气体入口，空气路和氮气旁路的连通和截止由第一电磁阀104和第二电磁阀117控制，从而实现燃料电池阴极气体类型的快速切换。

可以理解的是，本公开实施例通过增设氮气旁路并通过电磁阀104、117的控制，一方面，可以实现通入燃料电池阴极气体类型的快速切换；另一方面，由于增设了氮气旁路，可直接将空气切换为氮气，省去了氮气对空气的吹扫，从而节省了氮气吹扫空气的时间。

在一些实施例中，第一干湿气体混合模块设置在氮气旁路中的第二三通阀108与第二电磁阀117之间，第二干湿气体混合模块设置在氢气路中的第四三通阀205与燃料电池000的阳极气体入口之间，第三干湿气体混合模块设置在空气路中的第六三通阀305与第二电磁阀117之间。

在一些实施例中，设置在氢气路、空气路和氮气旁路中的干湿气体混合模块的结构均相同，均包括干气路、湿气路与混合罐。设置在氢气路中的第二干湿气体混合模块包括设有气体流量计206和单向阀211的第二干气路，设有气体流量计207、单向阀208和加湿罐210的第二湿气路以及连接于第二干气路和第二湿气路出口处的混合罐212。设置在空气路中的第三干湿气体混合模块包括设有气体流量计306和单向阀311的第三干气路，设有气体流量计307、单向阀308和加湿罐310的第三湿气路以及连接于第三干气路和第三湿气路出口处的混合罐312。设置在氮气旁路中的第一干湿气体混合模块包括设有气体流量计109和单向阀114的第一干气路，设有气体流量计110、单向阀111和加湿罐113的第一湿气路以及连接于第一干气路和第一湿气路出口处的混合罐115。

可以理解的是，各干气路和湿气路分别通过各自的气体流量计对流过气体的流量进行控制，流出干气路和湿气路的气体在相应的混合罐中混合。由于干气路和湿气路中的气体流量计可在量程许可范围内的任意值调节，因此混合罐中混合后的气体的相对湿度可以在0到100％之间任意调节，因而可以实现对气体超低相对湿度加湿的目的。避免了传统测试系统采用单一气体加湿罐，气体湿度的切换需要等待加湿罐自然升降温而导致的耗时严重的问题。

进一步地，各湿气路中的加湿罐210、310、113均为储水容器，加湿罐外部设有加热带或加热棒(在图中未示出)，在温控器209、309、112的控制下将相应加湿罐210、310、113内的温度升高至设定温度。通入加湿罐的气体由罐体下部进入、上部流出，达到气体加湿的目的。

进一步地，各条干气路和湿气路中，从加湿罐210、310、113到混合罐212、312、116再到燃料电池000相应气体入口的管路上均包裹有加热带116进行保温处理，且管路的保温温度不应低于加湿罐内的温度，以防止管路中的气体发生凝结。

在一些实施例中，设置在燃料电池000的阴极和阳极气体出口所在管路上的背压控制模块包括气液分离器405、409和背压阀406、410，可实现对出口气体进行气液分离和对燃料电池气体压力进行控制的目的。

在一些实施例中，在燃料电池000的阴阳极气体的入口和出口均安装有压力传感器403、404、407、408，用于检测气体压力。

在一些实施例中，在燃料电池000的阴阳极气体入口处均安装有气体露点仪(在图中未示出)，用于检测进入燃料电池000的气体的相对湿度。

在一些实施例中，电池温度控制模块包括安装于燃料电池000的测试夹具上的加热棒401和电制冷片402，其中，测试夹具上设有穿过加热棒401的安装孔，制冷片402贴敷在燃料电池000的外围并由测试夹具加紧。通过控制加热棒401和电制冷片402的工作可以实现燃料电池000高低温度快速的转换，以满足不同参数检测对燃料电池运行温度的要求，避免了因传统电池温度的切换需要等待自然降温而导致的耗时严重问题。

在一些实施例中，数据采集模块中的电子负载用于实现燃料电池伏安曲线IV测试过程中的数据采集，电化学工作站用于实现线燃料电池线性扫描伏安曲线LSV和循环伏安曲线CV测试过程中的数据采集。

本公开提供的上述测试系统的使用方法，包括以下步骤：

测试燃料电池的伏安曲线IV时，首先通过第一电磁阀104和第二电磁阀117控制开启氮气对氢气路和空气路进行吹扫，同时根据燃料电池伏安曲线测试所需的温度和气体湿度，分别设置燃料电池000、加湿罐210、310、113和加热带116的温度并开启加热，且管路的保温温度不能低于加湿罐的温度，等待升温完成。随后通过第一电磁阀104控制关闭氮气，第二电磁阀117的状态不变，开启氢气和空气分别流入燃料电池000的阳极和阴极气体入口；其中，氢气和空气的流量由气体流量计206、207、306、307控制，氢气和空气的相对湿度通过控制氢气路和空气路中干气路与湿气路气体的流量比例调节。待测试系统的温湿度达到伏安曲线IV的测试要求后，由电子负载测试并进行数据采集，从而得到伏安曲线IV。

快速切换参数检测模式至线性扫描伏安曲线LSV模式或循环伏安曲线CV模式时，使得燃料电池000的阳极气体类型不变、阴极气体类型需由空气切换为氮气，具体地，可通过控制第一电磁阀104和第二电磁阀117控制关闭空气路供气、开启氮气路供气，氮气流量由气体流量计109和110控制，并分别调节燃料电池000、加湿罐210、113的温度至线性扫描伏安曲线LSV测试或循环伏安曲线CV测试所需的温度。待测试系统的温湿度达到线性扫描伏安曲线LSV或循环伏安曲线CV的测试要求后，由电化学工作站测试并进行数据采集，得到线性扫描伏安曲线LSV或循环伏安曲线CV。

不同参数检测模式下燃料电池温度值需要调整时，可以通过加热棒401和电制冷片402实现电池温度的快速切换。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种燃料电池的测试系统，其特征在于，包括：

燃料电池；

供气与气体快速切换模块，包括通过设有若干阀门的管道相连接的氢气路、空气路和氮气旁路；所述氢气路与所述燃料电池的阳极气体入口相连通，所述空气路和所述氮气旁路与所述燃料电池的阴极气体入口相连通，通过控制所述阀门使所述氮气旁路对所述氢气路和所述空气路的管道进行吹扫，或者使所述氮气旁路、所述氢气路和/或所述空气路对所述燃料电池供气；

三个干湿气体混合模块，分别设置于所述氮气旁路、所述氢气路和所述空气路与所述燃料电池的相应气体入口连通的管路上，用于调节各气路向所述燃料电池通入的气体的相对湿度，以满足不同测试模式对气体相对湿度的要求；

电池温度控制模块，用于通过加热或制冷的方式对所述燃料电池的温度进行调节，以满足不同检测模式对燃料电池温度的要求；

背压控制模块，设置于所述燃料电池的阴极气体出口和阳极气体出口所在的管路上，用于对燃料电池出口的气体进行气液分离和对燃料电池出口的气体压力进行控制；

数据采集模块，与所述燃料电池电连接，包括电子负载和电化学工作站，用于对不同测试模式下所述燃料电池的测试数据进行采集。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述氮气旁路中依次设有高压氮气罐、第一减压阀、第一压力表、第一单向阀、第一电磁阀、第一三通阀和第二三通阀；所述氢气路中依次设有高压氢气罐、第二减压阀、第二压力表、第二单向阀、第三三通阀和第四三通阀；所述空气路中依次设有高压空气罐、第三减压阀、第三压力表、第三单向阀、第五三通阀和第六三通阀；

所述氮气旁路经过所述第一电磁阀后形成吹扫支路和氮气支路，所述吹扫支路依次通过所述第一三通阀、第四单向阀和所述第三三通阀接入所述氢气路，所述吹扫支路还依次通过所述第一三通阀、第五单向阀和所述第五三通阀接入所述空气路；所述氮气支路和所述空气路通过第二电磁阀连接所述燃料电池的阴极气体入口；

第一干湿气体混合模块设置在所述第二三通阀与所述第二电磁阀之间，第二干湿气体混合模块设置在所述第四三通阀与所述燃料电池的阳极气体入口之间，第三干湿气体混合模块设置在所述第六三通阀与所述第二电磁阀之间。

3.根据权利要求2所述的测试系统，其特征在于，各所述干湿气体混合模块均分别包括通过相应的三通阀形成的干气路和湿气路，以及用于混合所述干气路和所述湿气路的出口处气体的混合罐；所述干气路中依次设有第一气体流量计和第六单向阀，所述湿气路中依次设有第二气体流量计、第七单向阀和加湿罐，所述混合罐的出气口与所述燃料电池的相应气体入口连通。

4.根据权利要求3所述的测试系统，其特征在于，所述加湿罐为储水容器，气体由所述加湿罐的下部进入、上部流出，达到气体加湿的目的。

5.根据权利要求3所述的测试系统，其特征在于，各条所述干气路和所述湿气路中，从所述加湿罐到所述混合罐再到所述燃料电池的相应气体入口的管路上均包裹有加热带进行保温处理。

6.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述背压控制模块包括气液分离器和背压阀。

7.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述燃料电池的阴阳极气体的入口和出口均安装有压力传感器，用于检测气体压力。

8.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，在所述燃料电池的阴阳极气体入口处均安装有气体露点仪，用于检测进入所述燃料电池的气体的相对湿度。

9.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述电池温度控制模块包括安装于所述燃料电池的测试夹具上的加热棒和电制冷片，通过控制所述加热棒和所述电制冷片的工作实现所述燃料电池高低温度快速的转换。