模拟车载工况燃料电池低温冷起动过程的测试装置及方法

技术领域

本发明属于氢燃料电池测试领域，尤其是涉及一种模拟车载工况燃料电池低温冷起动过程的测试装置及方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能量转换装置，可用于汽车、固定电站、便携式电源、潜艇和航天飞机等设备，燃料电池电动汽车可以在各种环境下使用，特别是极端环境，比如低温环境，且由于起动速度快、“零排放”、能量转化效率高，被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一。燃料电池堆的正常运行需要在流道和催化层中持续供应燃料和氧化剂，并最终产生水。低温工况时，多孔层甚至流道中产生的水可能发生冻结现象。随后，冰不断积聚，阻碍气体输送并覆盖反应界面，进而导致冷起动失败。因此，随着燃料电池电动汽车的逐步商业化，对车载工况燃料电池堆低温冷起动过程进行深入研究对于工程应用来说具有十分重要的研究意义。然而目前还没有系统成熟地车载工况燃料电池堆低温冷起动模拟技术。因此，开发模拟车载工况燃料电池堆低温冷起动过程的测试装置及测试方法对于氢燃料电池行业的发展具有十分重大的研究意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种模拟车载工况燃料电池低温冷起动过程的测试装置及方法，通过低温冷起动过程中大、小循环系统之间的相互切换，实现对车载工况下燃料电池堆低温冷起动过程的模拟与复现，用于满足标准规定的测试需求，推动氢燃料电池行业发展。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

模拟车载工况燃料电池低温冷起动过程的测试装置，包括：

燃料电池堆测试平台、电子负载、燃料电池堆、环境舱、大循环系统、小循环系统、气体预冷系统；

燃料电池堆位于环境舱内，燃料电池堆通过小循环系统、大循环系统、气体预冷系统与燃料电池堆测试平台连接；

环境舱，用于提供环境燃料电池堆测试环境的温度和湿度；

小循环系统，用于保证低温冷起动过程初期升温阶段燃料电池堆的冷却水流量按照制造厂规定进行循环，通过燃料电池堆运行自身产生的热量升温；

气体预冷系统，用于对燃料电池堆气体进口的气体进行预冷，以使气体进入燃料电池堆前达到规定的温度；

大循环系统，用于在低温冷起动过程后期为燃料电池堆提供冷却水，起到为燃料电池堆散热的功能。

进一步的，小循环系统包括冷却水进口温度压力传感器、冷却水出口温度压力传感器、冷却水出口节温器、冷却水进口节温器、水泵，燃料电池堆冷却水进口与燃料电池堆冷却水出口依次通过冷却水出口温度压力传感器、冷却水出口节温器、水泵、冷却水进口节温器、冷却水进口温度压力传感器连接。

其中，水泵的出水口与冷却水进口节温器第一进口连接，冷却水进口节温器的出口与冷却水进口温度压力传感器的进口连接，冷却水进口温度压力传感器的出口与燃料电池堆的冷却水进口连接，燃料电池堆的冷却水出口与冷却水出口温度压力传感器的进口连接，冷却水温度压力传感器的出口与冷却水出口节温器的进口连接，冷却水出口节温器的第一出口与水泵进水口连接。

进一步的，大循环系统包括冷却水进口温度压力传感器、冷却水出口温度压力传感器、冷却水出口节温器、冷却水进口节温器，燃料电池堆测试平台的冷却水进口与燃料电池堆冷却水进口通过冷却水进口温度压力传感器、冷却水进口节温器连接，燃料电池堆测试平台的冷却水出口与燃料电池堆冷却水出口通过冷却水出口温度压力传感器、冷却水出口节温器连接。

其中，燃料电池堆测试平台的冷却水进口与冷却水进口节温器第二进口连接，冷却水进口节温器的出口与冷却水进口温度压力传感器的进口连接，冷却水进口温度压力传感器的出口与燃料电池堆的冷却水进口连接，燃料电池堆的冷却水出口与冷却水出口温度压力传感器的进口连接，冷却水温度压力传感器的出口与冷却水出口节温器的进口连接，冷却水出口节温器的第二出口与燃料电池对测试平台的冷却水出口连接。

进一步的，气体预冷系统包括阳极气体预冷装置、阴极气体预冷装置，燃料电池堆的阳极进气口通过阳极气体预冷装置与燃料电池堆测试平台对应的阳极供气端连接，燃料电池堆的阴极进气口通过阴极气体预冷装置与燃料电池堆测试平台对应的阴极供气端连接，燃料电池堆的阳极出气口与燃料电池堆测试平台对应的阳极排气端连接，燃料电池堆的阴极出气口与燃料电池堆测试平台对应的阴极排气端连接。

进一步的，燃料电池堆连接有用于消耗燃料电池产生电能的电子负载。

模拟车载工况燃料电池低温冷起动过程的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、设定环境舱温度至规定温度，当环境舱内温度达到设定温度的±2℃内后开始计时，在此环境下进行静置，静置时间大于等于12h；

S2、开启燃料电池堆低温冷起动测试装置下的小循环系统，使小循环系统中的冷却水按照规定流量循环；

S3、根据规定的流量向被测样品内通入预冷至规定温度的阴极气体、阳极气体，经过预冷的阴极气体、阳极气体的温度控制在环境舱设定温度的±2℃范围内；

S4、根据规定的低温冷起动程序控制小循环系统内的冷却水升温，当小循环系统内冷却水温度达到规定值时，切换至大循环系统；

S5、根据规定的低温冷起动程序控制大循环系统升温，直至燃料电池堆达到额定电流点；

S6、在额定电流点持续稳定运行10min，运行过程中记录需要测量的参数，逐步降低电流和对应的气体、水的流量，停机并使用氮气对阴阳极进行吹扫。

进一步的，记录需要测量的参数包括：

记录从测试人员向燃料电池堆测试平台发送工作指令至燃料电池堆冷却水出口温度达到0℃的时间；

记录从测试人员向燃料电池堆测试平台发送工作指令至燃料电池堆达到额定功率点的时间；

记录从测试人员向燃料电池堆测试平台发送工作指令至燃料电池堆达到额定功率点的阴阳极气体流量；

记录从测试人员向燃料电池堆测试平台发送工作指令至燃料电池堆达到额定功率点的辅助加热能耗；

记录从测试人员向燃料电池堆测试平台发送工作指令至燃料电池堆达到额定功率点的燃料电池堆的电流电压。

相对于现有技术，本发明所述的模拟车载工况燃料电池低温冷起动过程的测试装置及方法具有以下优势：

(1)本发明所述的模拟车载工况燃料电池低温冷起动过程的测试装置，充分考虑了车载工况下的气体状态、启动时冷却液切换过程及电流加载的过程；通过设计大循环系统、小循环系统、气体预冷系统及对应的压力温度监控装置；

(2)本发明所述的模拟车载工况燃料电池低温冷起动过程的测试装置，通过在冷起动过程的不同阶段对冷却水进口节温器和冷却水出口节温器的控制，实现大小循环的切换，车载冷起动工况的模拟与复现，用于满足标准法规规定的测试需求；

(3)本发明所述的模拟车载工况燃料电池低温冷起动过程的测试装置，有助于实现脱离燃料电池汽车和燃料电池系统，在燃料电池堆层面即可进行低温冷启动现象的研究，降低冷起动策略研发成本，提高效率，助力燃料电池电动汽车商业化，推动氢燃料电池行业发展。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种模拟车载工况燃料电池堆低温冷起动过程的测试装置示意图。

附图标记说明：

1、电子负载；2、燃料电池堆；3、环境舱；4、冷却水口温度压力传感器；5、冷却水进口温度压力传感器；6、冷却水出口节温器；7、冷却水进口节温器；8、水泵；9、阳极气体预冷装置；10、阴极气体预冷装置；11、燃料电池堆测试平台。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例：

如图1所示，模拟车载工况燃料电池堆低温冷起动过程的测试装置，包括燃料电池堆测试平台11、电子负载1、燃料电池堆2、环境舱3、大循环系统、小循环系统、气体预冷系统。

本实施例中，气体预冷系统包括阳极气体预冷装置9和阴极气体预冷装置10，燃料电池堆测试平台11的阳极供气端与燃料电池堆2阳极气体进口通过阳极气体预冷装置9连接，燃料电池堆测试平台11的阴极供气端与燃料电池堆2阴极气体进口通过阴极气体预冷装置10连接，燃料电池堆测试平台11的阳极排气端与燃料电池堆2阳极气体出口连接，燃料电池堆测试平台11的阴极排气端与燃料电池堆2阴极气体出口连接。阳极气体预冷装置9和阴极气体预冷装置10为气体预冷器，用于对阳极和阴极进口气体进行预冷，型号为QL-006。燃料电池堆测试台用于测试燃料电池进出口气体温度、湿度、压力、体积流量等参数及进行性能测试，型号为Greenlight Innovation G700。燃料电池堆2为被测样品。

如图1所示，燃料电池堆测试平台11通过阳极供气端、阴极供气端向燃料电池堆2供应燃料和氧化剂，然后通过燃料电池堆2的阳极出气口、阴极出气口输出到燃料电池堆测试平台11的阳极排气端、阴极排气端排出，为使燃料电池堆测试平台11供应的燃料和氧化剂达到规定温度，因此在阳极进气口、阴极进气口分别安装有阳极气体预冷装置9、阴极气体预冷装置10。

本实施例中，电子负载1与燃料电池堆2连接。电子负载1用于消耗燃料电池产生的电能。

本实施例中，燃料电池堆2置于环境舱3中。环境舱3用于提供被测样品(即燃料的电池堆2)的环境温度和湿度，型号为EPO-1500-SP-AR。

本实施例中，大循环系统包括燃料电池堆冷却水进口温度压力传感器5、冷却水进口节温器7、冷却水出口节温器6、冷却水出口温度压力传感器4，燃料电池堆测试平台11的冷却水进口与燃料电池堆2冷却水进口通过冷却水进口节温器7、冷却水进口温度压力传感器5连接，燃料电池堆2冷却水出口与燃料电池堆测试平台11的冷却水出口通过冷却水出口温度压力传感器4、冷却水出口节温器6连接。冷却水进口温度压力传感器5与冷却水出口温度压力传感器4用于测量冷却水进出口温度，型号为OMEGA KTSS-HH。冷却水出口节温器6与冷却水进口节温器7用于大、小循环系统切换，型号为ETS-V80。

本实施例中，小循环系统包括燃料电池堆冷却水进口温度压力传感器5、冷却水进口节温器7、冷却水出口节温器6、冷却水出口温度压力传感器4和水泵8，燃料电池堆2冷却水进口与燃料电池堆2冷却水出口依次通过冷却水出口温度压力传感器4、冷却水出口节温器6、水泵8、冷却水进口节温器7、冷却水进口温度压力传感器5连接。水泵8用于驱动小循环冷却水循环，型号为LQY-P60。

本实例的工作方式

试验开始前，燃料电池堆2应处于冷机状态。燃料电池堆低温冷起动测试过程中不应有人工干预、加热保温及外接热源等措施。

测试步骤如下：

（1）按照制造厂规定对燃料电池堆进行静置前吹扫；

（2）设定环境舱3温度为制造厂规定温度，当环境温度达到设定温度的±2℃内后开始计时，将燃料电池堆在此环境下静置，静置时间不少于12h；

（3）开启燃料电池堆低温冷起动测试装置小循环系统，使小循环系统中冷却水按制造厂规定的流量循环；

（4）按照制造厂规定的流量通入预冷系统预冷至规定温度的阴极气体、阳极气体，经过预冷的阴极气体、阳极气体的温度应控制在环境舱3设定温度的±2℃范围内；

（5）按照制造厂规定的低温冷起动程序进行加载，使小循环系统内的冷却水升温，当小循环系统内冷却水温度达到制造厂规定值时切换至大循环系统，使燃料电池堆在允许的温度范围内运行；继续加载，直至达到额定电流点；

（6）在额定电流点持续稳定运行10min，并记录从测试人员向燃料电池堆测试平台11发送工作指令（如通入气体、冷却水循环等）至燃料电池堆2冷却水出口温度达到0℃的时间、燃料电池堆测试平台11发送工作指令（如通入气体、冷却水循环等）至燃料电池堆2达到额定功率点的时间、阴阳极气体流量、辅助加热能耗及燃料电池堆的电流电压等参数；

（7）逐步降低电流和对应的气体、水的流量，停机并使用氮气对阴阳极进行吹扫。

测试结果如表1。

表1 低温冷起动测试结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。