一种高原用燃料电池低温低气压模拟试验方法和装置

技术领域

本发明属于一种直接液体燃料电池系统技术领域，具体涉及一种高原用燃料电池低温低气压模拟试验方法和装置。

背景技术

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。该产品具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等特点，可广泛应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站、载人航天、水下潜艇等领域。

高原用燃料电池一般应用于海拔较高的高原地区(4000m-6000m)，工作的环境温度、工作气压、氧气含量等都比普通环境的条件更为苛刻。燃料电池的性能对阴极的空气压力与过量系数非常敏感，尤其在高海拔地区，由于空气稀薄，燃料电池系统输出会受到较大的限制。(参考文献：陈骏-车用燃料电池系统高海拔运行研究)在燃料电池运行过程中，氧气需求的突然变化，如启动变化和负荷变化，以及水含量过量都会导致氧气不足并形成氧饥饿，氧饥饿进一步导致电池反转产生局部热点，对电池造成损害。(参考文献：方思雨-车用燃料电池空气供给系统控制方法研究)在产品选型和产品设计过程中均需要开展大量的试验，用于验证和考核产品的功能，确认产品的性能参数，实现对燃料电池是否满足高原环境温度和低气压环境需求的有效评价。

现有技术存在的缺点主要为，常规低气压试验装置无法实现与外部换气功能，不能满足燃料电池工作时对氧气的需求。对于如何控制换气量，保证气压、氧气含量、温度等参数的稳定维持无法实现。目前缺少模拟高原环境的实验室试验方法，现有国家标准、国家军用标准中缺少该类环境下产品的具体试验方法和要求。((1)GB/T10590-2006高低温/低气压试验箱技术条件；(2)汪志东-一种高低温、低气压试验箱；(3)罗发乾-新型高低温低气压试验箱(4)于洋-简谈低气压环境对产品的影响及低气压试验方法标准的应用)

发明内容

本发明提供一种高原用燃料电池低气压模拟试验方法和装置，实现气压、温度、氧气含量、电池废气含量等参数能够满足电池实际工作的需求，实现电池低气压环境的精确控制。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：(暂时先空缺)

一种高原用燃料电池低温低气压模拟试验装置，包括低气压试验装置1、换气装置2、空气过滤与换热装置3、内部气氛监测装置4、温度与压力反馈装置5、燃料电池控制以及运行监测装置6；

低气压试验装置1的主体部分为低气压试验箱，用于提供稳定的低气压和温度条件，箱壁采用高强度钢板压制而成，中间采用保温材料；为了实现温度条件的快速下降，采用两级空气压缩机满足快速降温的目的，采用高功率加热系统实现快速升温；为了便于试验件以及其他测试线缆的安装，在箱子侧面设置多个不同孔径的法兰接口，用于箱内外信号线、电源线等各类线路的走线；

换气装置2用于实现低气压及低温状态下的换气功能，换气装置为变频可调，可以实现不同压力下的换气速率调整。换气装置2也是采用市售大功率换气设备，保证低气压下的换气率调节；

换气装置2与低气压试验装置1采用进口通道相连，在进口通道增加阀门控制，实现进气速率的控制，更改真空泵为变频控制真空泵，实现真空泵抽气与空气吸入的稳定平衡，使得吸入空气不影响温度变化±3℃、气压波动±3％的精确控制要求，

空气过滤与换热装置3设置在低气压试验箱的进气口位置，主要用于去除空气中的各种灰尘和杂质以及水分，保证进入低气压试验箱体的空气不会被冷凝积冰；

为了保证进入的新鲜空气能够与箱体内原有空气达到一致，增加预冷、预热试验箱，通过大型集热片，使进入的空气提前在管道内实现预热、预冷，从而在最终的进气口位置的气体温度可以维持与低气压试验箱内气体一致，保证了箱子温度变化±3℃的要求；

内部气氛监测装置4包括数字显示屏、灯光报警器、声音报警器；实时显示装置内气体成分含量，在超过限定值时通过灯光闪烁、高分贝喇叭等方式向工作人员及时发出警报；内部气氛监测装置4主要监测气体中的氧气和燃料电池的排放废气；

增设独立的温度与压力与温度反馈装置5，具体是在低气压试验箱箱体内增加多个温度与压力传感器，采用算术平均的方式获取温度压力的平均值，用于反馈给控制系统个，及时的采用相应的调整策略；

燃料电池控制与运行监测装置6包括数据线、控制线、控制计算机、操控软件系统；在低气压状态下样品无法实现直接接触及操作，控制与运行监测装置实现样品的远程操作与监控。

进一步的，换气装置2的主要指标如下：

1)转速：5000转/min；

2)使用温度：-40℃-130℃

3)真空度：0.098MPa

4)功率：3kW

5)噪音：50db

6)流量：500L/min

一种高原用燃料电池低温低气压模拟试验方法，采用一种高原用燃料电池低温低气压模拟试验装置实现，主要包括如下步骤：

步骤1、试验准备

1.1试验前准备

试验开始前，根据相关测试任务要求，确认试验程序、试件的技术状态、试验高度、换气速率、贮存时间、持续时间的参数量值；

1.2初始检测

试验前所有试件均要在标准大气条件下进行检测，以取得基线数据；

检测按下列步骤进行：

a)对试件进行全面的目视检查和性能检测，并记录检查和检测结果；

b)按技术文件规定进行工作性能检测，并记录检测结果。若试件正常工作，则继续进行相应的试验程序；

步骤2、试验样品的安装

在标准大气条件下，按产品说明书，样机充电或添加燃料至满容量状态，将样机通过1-2米线连接负载及控制与监测系统，按正常工作位置放置在试验装置内，多个样机时应保持一定的互相间距；

3)降温

采取3℃/min的降温速率，使装置内的温度从常温降至-40℃，为加快降温速率，降温过程中暂不开启换气系统，减少装置内的热量损耗；

4)降压

温度到达设定值后，开启降压模式，压力值降至47.2kPa，降压速率高于10m/s；

5)贮存与换气调节

温度与压力达到设定值后，样机贮存4h，贮存期间开启换气条件装置，按照规定换气速率的1/5逐次增加换气速率，调整后稳定运行30min后继续增大换气速率，保证箱内温度和压力波动范围小于规定值；

6)测试

打开主机开关，连接电子负载按规定功率连续工作4h，运行控制与监测系统，实时保存监测数据；

试验结束后，将试验箱升温、升压，恢复至标准大气条件下，恢复常温后保持2小时，目视检查外观结构。

进一步的，多个样机时互相间距应大于25cm。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过变频真空泵实现低气压状态的通气换气，通过大面积冷热换热板实现了低气压条件下的大容量快速降温，能够精确控制换气速率、换气量、换气温度等参数，实现低气压环境模拟试验方法。

2、本发明专利的优势是在能够实现高原及其他低气压环境的精确模拟，实现低温、低气压、可换气的试验环境及试验方法，为产品的考核以及对燃料电池是否满足高原环境温度和低气压环境评价提供了有效的依据和方法。

附图说明

图1为本发明燃料电池模拟试验装置原理示意图；

图2为本发明燃料电池模拟试验方法流程图。

其中，1-低气压试验装置、2-换气装置、3-空气过滤与换热装置、4-内部气氛监测装置、5-温度与压力反馈装置、6-燃料电池控制以及运行监测装置

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的解释和说明。

本发明内容提供了一种能够实现高原及其他低气压环境的精确模拟的试验装置和一种燃料电池低温、低气压试验方法。该装置由低气压试验装置、换气装置、空气过滤与换热装置、内部气氛监测装置、温度与压力反馈装置、燃料电池控制以及运行监测装置构成。为了实现温度条件的快速下降，试验装置采用两级空气压缩机满足快速降温的目的，采用高功率加热系统实现快速升温。换气装置为变频可调，可以实现不同压力下的换气速率调整，同时增加预冷、预热试验箱，通过大型集热片，使进入的空气提前在管道内实现预热、预冷，保证了箱子温度变化要求。试验的流程和步骤主要分为试验前准备与初始检测、样品的安装、降温、降压、贮存|、换气率调节、测试。

本发明的试验装置的原理如图1所示，包括低气压试验装置1、换气装置2、空气过滤与换热装置3、内部气氛监测装置4、温度与压力反馈装置5、燃料电池控制以及运行监测装置6。

低气压试验装置1的主体部分为低气压试验箱。主要提供稳定的低气压和温度条件，箱壁采用高强度钢板压制而成，中间采用保温材料。为了实现温度条件的快速下降，采用两级空气压缩机满足快速降温的目的，采用高功率加热系统实现快速升温。为了便于试验件以及其他测试线缆的安装，在箱子侧面设置多个不同孔径的法兰接口，用于箱内外信号线、电源线等各类线路的走线。

低气压试验箱为市售产品，一般为长方体试验箱，箱子的结构和形状无特殊要求，低气压试验箱的尺寸与试验样品的功率和耗氧量存在密切的关联。功率一定的情况下箱子的尺寸越大越好，但是也会给相应的降温、降压速率带来影响。箱子尺寸太小，箱内空气含量不足，无法满足样品的正常工作。

高原用燃料电池工作时需要消耗大量氧气，模拟试验时需保证试验箱内氧气的含量等效真实大气工作环境下的氧气含量，确保试验数据的科学、公正、有效。根据电池实际的耗氧量，试验箱大小如表1所示：

表1试验箱与电池功率的对应关系

换气装置2主要实现低气压及低温状态下的换气功能，换气装置为变频可调，可以实现不同压力下的换气速率调整。换气装置2也是采用市售大功率换气设备，保证低气压下的换气率调节。

主要指标如下：

1)转速：5000转/min；

2)使用温度：-40℃-130℃

3)真空度：0.098MPa

4)功率：3kW

5)噪音：50db

6)流量：500L/min

在进口通道(换气装置的进口通道即为箱子的进气口)增加阀门控制，实现进气速率的控制，更改真空泵为变频控制真空泵，实现真空泵抽气与空气吸入的稳定平衡，使得吸入空气不影响温度变化±3℃、气压波动±3％(温度变化值参考GJB150，气压波动为经验值)的精确控制要求，

空气过滤与换热装置3设置在低气压试验箱的进气口位置，主要用于去除空气中的各种灰尘和杂质以及水分，保证进入低气压试验箱体的空气不会被冷凝积冰。

为了保证进入的新鲜空气能够与箱体内原有空气达到一致，增加预冷、预热试验箱，通过大型集热片，使进入的空气提前在管道内实现预热、预冷，从而在最终的进气口位置的气体温度可以维持与低气压试验箱内气体一致，保证了箱子温度变化±3℃的要求。

内部气氛监测装置4包括数字显示屏、灯光报警器、声音报警器等。实时显示装置内气体成分含量，在超过限定值时通过灯光闪烁、高分贝喇叭等方式向工作人员及时发出警报。内部气氛监测装置4主要监测气体中的氧气和燃料电池的排放废气，一方面保证合理的氧气浓度和氧气含量(14％)，能够维持燃料电池的正常工作。另一方面监测排放气体尾气含量，例如氢气、甲醇、甲醛等各种气体，保证低气压空气中尾气含量浓度小于安全值，防止燃料电池因尾气含量超标而发生死机、爆炸等事故。

在系统原有的温度与压力控制系统基础上，增加一套独立的温度与压力与温度反馈装置5，箱体内增加多个温度与压力传感器，采用算术平均的方式获取温度压力的平均值，用于反馈给控制系统个，及时的采用相应的调整策略。

燃料电池控制与运行监测装置6包括数据线、控制线、控制计算机、操控软件系统等。在低气压状态下样品无法实现直接接触及操作，控制与运行监测装置实现了样品的远程操作与监控。在低温低气压等严苛条件下，可以实现样品的预热、启动、加载等各种工况的运行，实时监测保存电池的各项运行参数和指标。保证实时掌控电池的安全运行状态和工作情况，为试验提供数据支撑。

本发明的试验装置的试验方法主要包括如下7步：(1)试验前准备与初始检测、(2)样品的安装、(3)降温、(4)降压、(5)贮存|、(6)换气率调节、(7)测试，试验方法流程如图2所示。

步骤1、试验准备

1.1试验前准备

试验开始前，根据相关测试任务要求，确认试验程序、试件的技术状态、试验高度、换气速率、贮存时间、持续时间的参数量值等

1.2初始检测

试验前所有试件均要在标准大气条件下进行检测，以取得基线数据。检测按下列步骤进行：

a)对试件进行全面的目视检查和性能检测，并记录检查和检测结果。

b)按技术文件规定进行工作性能检测，并记录检测结果。若试件正常工作，则继续进行相应的试验程序。

步骤2、试验样品的安装

在标准大气条件下，按产品说明书，样机充电或添加燃料至满容量状态，将样机通过1-2米线连接负载及控制与监测系统，按正常工作位置放置在试验装置内，多个样机时互相间距应大于25cm(该取值是经验值，燃料电池在工作中会释放尾气，尾气会对相邻样机的正常工作造成不利的影响，为了减少相互之间影响，故增加样机间距。针对影响程度没有具体的数值描述)。

3)降温

采取3℃/min的降温速率，使装置内的温度从常温降至-40℃，为加快降温速率，降温过程中暂不开启换气系统，减少装置内的热量损耗。

4)降压

温度到达设定值后，开启降压模式，压力值降至47.2kPa，降压速率高于10m/s。

5)贮存与换气调节

温度与压力达到设定值后，样机贮存4h，贮存期间开启换气条件装置，按照规定换气速率的1/5逐次增加换气速率，调整后稳定运行30min后继续增大换气速率，保证箱内温度和压力波动范围小于规定值。

6)测试

打开主机开关，连接电子负载按规定功率连续工作4h，运行控制与监测系统，实时保存监测数据。

试验结束后，将试验箱升温、升压，恢复至标准大气条件下，恢复常温后保持2小时，目视检查外观结构。