一种氢燃料电池发动机环境模拟试验系统

技术领域

本发明涉及氢燃料电池发动机测试技术领域，具体涉及一种氢燃料电池发动机环境模拟试验系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池发动机是一种直接将氢气和空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能装置，具有转换效率高、零排放、无噪音等特点。近年来随着石化资源的枯竭和环保意识的增强，氢燃料电池在汽车行业中应用越来越广泛。

燃料电池汽车商业化推广前提为燃料电池汽车可靠性水平与燃油车持平，燃料电池汽车可靠性现阶段主要由燃料电池发动机决定。例如在高原环境下，发动机的进气压力较低、进气中氧气含量较低，导致燃料电池发动机出现“欠气现象”，引起燃料电池发动机启动困难，影响发动机性能；或是在低温环境下，燃料电池性的性能降低。因此，在燃料电池发动机开发过程中为验证其环境可靠性需要在低温高海拔等苛刻环境下对燃料电池发动机进行测试标定及可靠性验证。主要测试方法为燃料电池发动机提供具备高低温、高海拔环境模拟能力的试验舱。

与常规发动机测试不同，燃料电池发动机燃料为氢气，易燃易爆，最低爆炸极限仅为4％，测试过程中如果管路密封不当或样品损坏极易产生氢气泄露，如果操作不当甚至引起爆炸；此外燃料电池发动机工作时其尾气中含有未反应完全的氢气，如果对其进行处理不当同样存在爆炸风险。还有燃料电池发动机尾气中含有大量的水蒸气在低温试验时，尾气收集系统容易结冰造成堵塞，排气不畅后同样造成燃料电池发动机尾气直接泄露在舱内，造成发动机性能异常以及氢气泄露舱内造成的爆炸风险。

此外，具备普通环境舱舱体在高原环境及高低温环境下舱体承受负压负荷及温差变化形变双重载荷，其力学性能及密封性在长时间的使用中会发生衰减。燃料电池发动机尾气中产生的水蒸气以及舱内新风中的水蒸气在低温试验中极易凝结在舱内，造成舱内氢气泄露传感器等设备因水蒸气凝结而堵塞失效。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种氢燃料电池发动机环境模拟试验系统，以解决现有技术中涉氢试验的安全性及稳定性差，燃料电池发动机测试过程中氢气泄露、排放等氢气积累带来的安全隐患的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本申请一种氢燃料电池发动机环境模拟试验系统，包括：

试验舱体，其包括保温壳及套设在上述保温壳外的耐压壳，上述保温壳内具有用于放置氢燃料电池发动机的腔体，上述保温壳与上述耐压壳间隔设置以形成夹层，上述夹层与上述保温壳的腔体通过新风进入孔连通；

新风机构，其设于上述试验舱体外，上述新风机构与上述夹层连通，用于向上述夹层供气；

负压机构，其用于调节上述保温壳内的压力，使上述腔体相对于上述夹层呈负压。

在一些可选的实施例中，还包括高低温空调系统，其用于调节上述保温壳内腔体的温度。

在一些可选的实施例中，上述保温壳的底部由多孔材料制件，上述多孔材料的孔洞形成上述新风进入孔。

在一些可选的实施例中，上述负压机构的抽风口通过上述试验舱体顶部的连通孔与上述腔体连通，上述试验舱体的顶部为穹顶。

在一些可选的实施例中，还包括排废抽吸机构，其通过用于将上述氢燃料电池发动机的尾气抽排出上述试验舱体，排废抽吸机构及负压机构所采用的风机为防爆风机。

在一些可选的实施例中，还包括尾气处理装置，其用于设在上述氢燃料电池发动机的尾气排放接口与上述排废抽吸机构之间的排废抽吸风道上。

在一些可选的实施例中，上述尾气处理装置包括水气分离器和加热器，分别用于将尾气中的水分进行分离收集，及对上述排废抽吸风道进行加热防止水汽结冰。

在一些可选的实施例中，还包括多个氢气浓度检测器，其设于上述腔体的顶部、上述负压机构的抽吸口和上述排废抽吸机构的抽吸口处。

在一些可选的实施例中，还包括控制机构，其与上述氢气浓度检测器信号连接，用于当上述氢气浓度检测器检测腔体内氢气浓度超过设定阈值时，控制上述氢燃料电池发动机停机并将新风机构、排废抽吸机构及负压机构的功率调整至最大。.如权利要求上述的氢燃料电池发动机环境模拟试验系统，其特征在于，上述耐压壳为防爆舱体，舱门为防爆舱门。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将试验舱体设置为双层结构，并在夹层之间通入新风，并通过夹层进入保温壳内，从而可以避免由于低温而使保温壳内结霜，且可以利用负压使新风单向流动至保温壳内，防止腔体内的气体泄漏而造成风险；双层壳体同时对负压具有缓冲作用，避免耐压壳暴露在极端高低温环境中，由于极大的温差造成热障冷缩而降低耐压壳的密封性和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种氢燃料电池发动机环境模拟试验系统的俯视示意图；

图2为本发明一种氢燃料电池发动机环境模拟试验系统的正视剖面示意图。

图中：1、试验舱体；11、保温壳；12、耐压壳；121、舱门；13、夹层；2、新风机构；21、新风风道；22、新风进入孔；3、负压机构；31、负压风道；4、排废抽吸机构；41、排废抽吸风道；42、尾气排放接口；5、氢燃料电池发动机；51、电子负载；52、控制系统；6、发动机散热系统；7、氢气浓度检测器；8、高低温空调系统；81、高温控制机组；82、低温控制机组；91、水气分离器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本申请提供一种氢燃料电池发动机环境模拟试验系统，包括试验舱体1、新风机构2和负压机构3。新风机构2和负压机构3均设置在试验舱体1内，并通过管路和试验舱体1连接，被测试的氢燃料电池发动机5则整体放置在试验舱体1内，通过在试验舱体1内模拟试验环境，测试氢燃料电池发动机及其配件和连接管路。

具体的，试验舱体1包括保温壳11及套设在上述保温壳11外的耐压壳12，上述保温壳11内具有用于放置氢燃料电池发动机5的腔体，上述保温壳11与上述耐压壳12间隔设置以形成夹层13，上述夹层13与上述保温壳11的腔体通过新风进入孔22连通；新风机构2设在上述试验舱体1外，上述新风机构2与上述夹层13连通，用于向上述夹层13供气；负压机构3用于调节上述保温壳11内的压力，使上述保温壳11相对于上述夹层13呈负压。

可以理解，试验舱体1具有双层的壳体，保温壳11和耐压壳12，并同时开设有供人员和设备进出的舱门121，当舱门121关闭且新风机构2和负压机构3均启动时，保温壳11和耐压壳12被完全封闭，为密封状态。当在保温壳11内通过负压机构3使腔体相对于夹层13呈负压后，新风机构2通入夹层13内的新风由于负压的作用，会从新风进入孔22进入至腔体内，为腔体内提供必要的新鲜空气，并进行温湿度调节，这适用于氢燃料电池发动机5的一般性温湿度试验供气。同时，由于负压作用，使腔体内的气体不会通过新风进入孔22进入至夹层13内，确保腔体内尾气中未反应的氢气或发动机泄露的氢气不会扩散至夹层，进一步确保了腔体内的涉氢试验的安全性和稳定性。

另一方面，将试验舱体1设置为双层的壳体，不仅可以在腔体呈负压状态时，为保温壳11提供压力缓冲作用，同时也可以对腔体内腔体的温度起到保温作用。

在本例中，负压机构3采用抽吸系统制造负压环境，为向氢燃料电池发动机5提供一个海拔模拟环境，以对氢燃料电池发动机5进行海拔模拟测试与验证。

需要说明的是，氢燃料电池发动机的控制系统52及电子负载51均位于试验舱体1外，通过线路和管路与腔体内的发动机连接，为发动机提供额定功率的电源和控制。氢燃料电池发动机包括电堆、氢气供给循环系统、空气供给系统、水热管理系统、电控系统(FCU,Fuel CellEngine)和数据采集系统六大组成部分，将上述系统均放置在试验舱体1的腔体内进行整体测试，从而不仅对各个系统进行测试，同时还对各个系统之间连接的线路和管路进行测试，提高发动机整体性能测试结果的可靠性。而电子负载等无法实现绝对的电气防爆，此外电子负载产热，置于舱外可以降低防爆成本，减小腔体内的散热量，避免对腔体内的环境造成影响。

在一些可选的实施例中，上述试验系统还包括高低温空调系统8，用于调节上述保温壳11内的温度。

在本例中，高低温空调系统8包括高温控制机组81和低温控制机组82，其主机均位于试验舱体1外，以避免对腔体内的环境造成影响。高低温空调系统8的入风口和腔体连通，从而控制腔体的温度。

当腔体内处于极端高低温环境时，夹层13起到保温作用，还可以避免耐压壳12直接暴露在极端高低温环境中而造成热胀冷缩，影响耐压壳12的密封性和使用寿命。同时，夹层13还避免在极端高低温环境中，保温壳11内产生水汽或结霜而影响试验环境的不变因素的一致性，进而影响试验效果。

需要说明的是，为降低对腔体内的负压环境的影响，高低温空调系统8可以采用热交换的方式来对腔体内的温度进行控制。例如在保温壳11内布置冷凝蒸发器使腔体内温度降低；通过加热管对腔体内的温度上升。当然，对腔体内的温度控制可以有多种形式，但均需考虑温度对腔体内压力的影响。本领域技术人员可以根据试验要求，将高低温空调系统8的设置参数与负压机构3的设置参数和新风机构2的通风量进行选择以满足上述条件。

由于设置了负压机构3和高低温空调系统8，因此可以对腔体内的温度及压力同时调节或分开调节。即可以在常压下进行高低温的模拟，或是在常温下进行海拔环境的模拟，或是在极限温度下进行海拔环境的模拟。这样可以测试多种不同环境的发动机性能，扩大了测试系统的测试范围。

在一些可选的实施例中，上述保温壳11的底部由多孔材料制件，上述多孔材料的孔洞形成上述新风进入孔。

可以理解，氢燃料电池发动机放置在保温壳11内，为确保新风系统产生的新风可以对腔体内进行充分的温湿度调节，及腔体内气体供给，将保温壳11的底部采用多孔材料制件，夹层13内的新风可以通过保温壳11底部的孔洞形成的上述新风进入孔22进入腔体内，避免由于负压机构3的抽吸而造成新风直接被抽排出腔体外。

上述多孔材料可以为泡沫材料或者陶瓷材料等，同时还可以起到隔热保温的作用。其中孔洞的大小及密度可以根据试验要求具体设置，以实现新风可以以设定要求的进气量进入至腔体内。

在本例中，上述保温壳11的底部为，保温壳11的底板及靠近底板的部分侧壁。侧壁上的新风进入孔22的最大设置面积，根据实验要求确定，在本例中不做赘述。

优选的，负压机构3的负压风道31抽风口通过试验舱体1顶部的连通孔与腔体连通，试验舱体1的顶部为穹顶，从而可以使较轻的氢气上升到试验舱体1的顶部，通过穹顶的汇集集中被负压机构3抽走，从而在新风为发动机提供需要的新风的同时，及时将未完全反应的氢气排出腔体，提高腔体内的试验安全性。

优选的，上述连通孔设置在穹顶的顶部。

保温壳11底部的新风进入孔22向腔体内通入新风，配合顶部的负压机构3的抽排，排出多余氢气，从而可以平衡腔体内的气压，以使腔体内的压力保持在试验所需的设定压力范围内，避免发动机出现“欠气现象”的同时，保证试验环境的稳定性。在一些可选的实施例中，上述氢燃料电池发动机环境模拟试验系统还包括排废抽吸机构4，用于将上述氢燃料电池发动机5的尾气抽排出上述试验舱体1。

在实际操作中，排废抽吸机构4可以直接通过排废抽吸风道41与氢燃料电池发动机5的尾气排放接口42连接，或是利用呈喇叭状的抽气口，与氢燃料电池发动机5的尾气排放口对齐，来对发动机排放的尾气进行抽排。但不论是哪种连接方式，都会存在没有燃烧完全的氢气泄漏到腔体内的风险。

因此，在一些可选的实施例中，在腔体内还设有多个氢气浓度检测器7，分别设在上述腔体的顶部、上述负压机构3的抽排口和上述排废抽吸机构4的抽排口处，以检测氢气的浓度。

由于氢气的密度较空气轻，因此将氢气浓度检测器7设置在腔体的顶部，检测数据更为准确。氢气浓度检测器的数量和分布，本领域技术人员可以根据安全要求和腔体的大小，选择适合的实施方式。

优选的，上述的氢燃料电池发动机环境模拟试验系统还包括控制机构，并与氢气浓度检测器7信号连接，用于当氢气浓度检测器7检测腔体内氢气浓度超过设定阈值时，控制氢燃料电池发动机5停机，并将新风机构2、排废抽吸机构4和负压机构3的功率调整至最大。

具体的，相应的氢气浓度检测器7设有阈值，当任意一个氢气浓度检测器7检测到的氢气浓度超过设定阈值，控制系统即控制氢燃料电池发动机5的氢气供给循环系统立即停止工作，并对氢燃料电池发动机5停机；然后将新风机构2、负压机构3和排废抽吸机构4调节至最大功率进行紧急换风，从而快速将腔体内的氢气排出；当氢气浓度小于设定阈值时，才可以再次启动氢燃料电池发动机5，并将新风机构2、负压机构3和排废抽吸机构4恢复至正常工作状态。

与常规发动机测试不同，燃料电池发动机燃料为氢气，易燃易爆，最低爆炸极限仅为4％，因此，在本例中，上述阈值设置为1％。

在一些可选的实施例中，上述负压机构3的抽风口与上述保温壳11的顶部连通。

由于负压机构3用于对保温壳11内的腔体进行抽吸以模拟高海拔下的负压环境，因此，为避免进入腔体内的新风还未来得及对腔体内的湿度进行调节，就被负压机构3抽出，需要将新风机构2的出风口与负压机构的抽风口设置的足够远。同时，腔体内若出现氢气的泄漏，位于顶部的抽风口可以将氢气抽吸排出至试验舱体1外。

可以看到，在一些可选的实施例中，既有负压机构3，还设有排废抽吸机构4，两套抽排系统可以提高试验舱体1的安全性，避免腔体内氢气泄漏积累带来的安全隐患。

在一些可选的实施例中，上述氢燃料电池发动机环境模拟试验系统还包括压力传感器，用于检测腔体内的压力并控制新风机构2、负压机构3的进气和出气量。

具体的，获取压力传感器测量得到腔体内的压力，将采集到的数据通过处理模块处理后，输出对应的控制信号来调节新风机构2、负压机构3的进气和出气量，可以采用调整新风机构2、负压机构3的进气口和出气口的数量或进气口和出气口的大小来进行调节。

显然，相比于通过动态调整遮挡板等机械构件，以此来调节进气量和出气量，直接调整拥有固定不变的进气或出气速度的开口的数量，则在数据处理以及机械构件控制上可以带来更简便的处理，简单而实用。

可以理解的是，在实际应用中，对于本领域技术人员来说，通常是通过控制进气口或出气口的开口大小来达到调节流量，而本申请则引入调节大小固定不变的开口的数量，以此来调节进气和出气量，这样对于通过多孔材料的孔洞形成的新风进入孔来说，更容易实现，且不仅不容易想到，在调节效果上还具有显著提高的稳定性。

在一些可选的实施例中，还包括尾气处理装置，其用于设在上述氢燃料电池发动机5的尾气排放接口42与上述排废抽吸机构4之间的排废抽吸风道41上。

优选的，上述尾气处理装置包括水气分离器91和加热器，分别用于将尾气中的水分进行分离收集，及对上述连接管路进行加热。

可以理解，氢燃料电池发动机工作后会产生水分，因此需要将尾气和水进行收集和处理，一方面是避免对腔体环境造成影响，另一方面，避免高温或低温环境下水分的蒸发或凝结堵塞排废抽吸风道41，影响发动机工作。

优选的，高低温空调系统8也使用该水气分离器91对产生的水气进行收集和处理，避免对腔体环境产生影响。

在一些可选的实施例中，上述系统还包括机发动机散热系统6，用于为发动机散热，将发动机工作时产生的热量排出，以尽量减少对试验环境的温度影响。

这里设置发动机散热系统6的目的还在于，在发动机低温冷起动或高温热启动状态的试验中，应该使发动机散热系统6置于腔体内，以完成浸机过程，保持发动机的环境温度控制在设定温度的±2℃内。

在一些可选的实施例中，上述耐压壳12为防爆舱体，并设有防爆舱门121。

为防止可能在试验过程中出现的不可控因素造成的危险，将耐压壳12设置为防爆舱体，并设有防爆舱门121，进一步提高试验舱体1的安全性。

本申请实施例的工作原理为：当需要在常压高低温条件下测试发动机性能时，将被测样品的氢燃料电池发动机5放置在保温壳11的腔体内，将氢燃料电池发动机5与控制系统52、电子负载51之间必要的氢气管路、高压低压线路及控制通讯线路进行连接，并向氢燃料电池发动机5加注冷却液，完成准备工作后，利用氮气、氦气或氢气对氢燃料电池发动机5及连接管路进行泄露检测，确认无泄露后，关闭防爆舱门121。然后将腔体内设置为试验所需要的温度，并对氢燃料电池发动机5进行浸机。浸机前应完成一次氢燃料电池发动机5的开关机过程。在低温试验条件时，在达到设定温度前,可在腔体温度降至厂商指定温度后并持续一定时间(制造商根据产品技术要求确定),进行一次开关机操作，氢燃料电池发动机应起动至息速状态(或氢燃料电池发动机最低功率点)。持续时间(含起动)不超过3min然后立即关闭氢燃料电池发动机。当环境温度达到设定温度的时候，开始计时,有效浸机时间应不少于12h；在高温试验条件时，当环境温度达到设定温度的时候开始计时,有效浸机时间应不少于12h。需要说明的是，在浸机期间,不应对燃料电池发动机做任何改动。

浸机完成后，此时高低温空调系统8开始工作使环境温度达到设定温度，浸机过程中新风机构2、负压机构3及排废抽吸机构4等均不工作。完成浸机后，新风机构2启动，排废抽吸机构4开始工作，高低温空调系统8维持试验设定温度，此时，通过试验室控制室将控制系统52及电子负载51开启，然后通过控制系统52向氢燃料电池发动机5发送开机及运行工况指令，试验过程中新风机构2向腔体中输送必要的新鲜空气，高低温空调系统8维持设定的温度，控制系统52向氢燃料电池发动机5输送氢气，氢燃料电池发动机5发出的电能通过高压线路被电子负载51吸收，氢燃料电池发动机5产生的尾气经过带加热功能的发动机尾排接口被排废抽吸机构4排出试验舱体1外，尾气中的水份经水气分离器91进行分离收集。此时即可进行在常压高低温环境模拟试验。

当需要模拟海拔环境来对发动机进行测试时，浸机前应完成一次氢燃料电池发动机开关机过程，关闭氢燃料电池发动机5，将氢燃料电池发动机5(冷却液加注完成)在设定下温度下静置，浸机时间应不少于12h。在完成浸机后，新风机构2启动，排废抽吸机构4开始工作，负压机构3开始工作，高低温空调系统8维持试验设定温度，通过获取的压力传感器测量得到腔体内的压力，将采集到的数据通过处理模块处理后，输出对应的控制信号来调节新风机构2、负压机构3的进气和出气量，以维持腔体内的负压值。

本申请的一种氢燃料电池发动机环境模拟试验系统，通过将试验舱体设置为双层结构，并在夹层之间通入新风，并通过夹层进入保温壳内，从而可以避免由于低温而使保温壳内结霜，且可以利用负压使新风单向流动至保温壳内；双层壳体同时对负压具有缓冲作用，避免耐压壳暴露在极端高低温环境中，由于极大的温差造成热障冷缩而降低耐压壳的密封性和使用寿命；由于设置了负压机构和高低温控制机组，因此可以对腔体内的温度及压力同时调节或分开调节。即可以在常压下进行高低温的模拟，或是在常温下进行海拔环境的模拟，或是在极限温度下进行海拔环境的模拟。这样可以测试多种不同环境的发动机性能，扩大了测试系统的测试范围；将保温壳的底部由多孔材料制件，上述多孔材料的孔洞形成上述新风进入孔，可以确保新风系统产生的新风可以对腔体内进行充分的温湿度调节，避免由于负压机构的抽吸而造成新风直接被抽排出腔体外；通过设置氢气浓度检测器并与控制系统连接，以提高试验舱体内的安全性；将负压机构的抽风口与上述保温壳的穹顶的顶部连通，可以及时将氢气抽吸排出至试验舱体外；通过压力传感器检测腔体内的压力并控制新风机构、负压机构的进气和出气量，以维持腔体内的实验环境；连接管路上加装加热设备对连接管路加热，避免由于底端低温条件下，尾气中的水分凝结而造成排气管的堵塞，使尾气直接排放在腔体内。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。