一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池测试技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高效率、低污染、低噪声的优点，适用范围非常广泛。温度是影响PEMFC性能与寿命指标的重要因素。电堆正常工作时长期处于高温，冬天停机时处于零下低温，以及快速、大范围温度变化状态下，PEMFC易发生冷-热疲劳、机械疲劳及蠕变等强度失效问题，进而导致损坏。PEMFC在使用前，对其关键材料和部件进行高低温热冲击耐久试验考察，对于提高整个电堆的可靠性和使用寿命具有重要意义。

当前，国内外对PEMFC的热冲击快速试验方法进行过研究，但尚没有制定国际公认的标准试验方法。在我国，也没有制定针对PEMFC热冲击试验的国家标准，试验方法和设备也各不相同。目前市场上主要是适用于电机、电池包的恒温箱设备，缺少针对PEMFC的高低温快速热冲击循环测试系统；而且现有热冲击实验设备的冲击频率不高，远远不能满足行业对快速评测密封材料与结构的要求。

中国专利申请CN109828176A提供了一种新能源汽车电机电池高低温循环测试系统，该系统主要由主控制系统和执行测试系统两部分构成，能够分别对新能源汽车电池和电机进行高低温循环试验。然而，该申请的研究重点在于提供一种同时适用于新能源汽车电池和电机的高低温循环测试系统，该系统通过设置加热支路和制冷支路对循环液进行加热与制冷，实现准确温控，然而该系统无法实现高低温快速切换，冲击频率低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统，该系统包括相互独立的低温循环冲击结构和高温循环冲击结构；

所述的低温循环冲击结构包括冷源、冷源工作通道和冷源自循环通道，所述的冷源通过冷源工作通道与待测试件连通形成低温循环冲击回路，所述的冷源还与所述的冷源自循环通道连通形成低温保温调节回路；

所述的高温循环冲击结构包括热源、热源工作通道和热源自循环通道，所述的热源通过热源工作通道与待测试件连通形成高温循环冲击回路，所述的热源还与所述的热源自循环通道连通形成高温保温调节回路；

所述的冷源、冷源工作通道、冷源自循环通道、热源、热源工作通道和热源自循环通道均连接至控制器。

优选地，所述的冷源工作通道、冷源自循环通道、热源工作通道和热源自循环通道均包括用于冷、热介质流通的流通管道。

优选地，所述的冷源工作通道和热源工作通道中均分别设有至少2个用于控制对应的工作通道通断的电磁阀，其中至少1个电磁阀设置于待测试件的冷、热介质入口端前方，至少1个电磁阀设置于待测试件的冷、热介质出口端后方，所述的冷源工作通道和热源工作通道中还分别设有至少1个用于限制冷、热介质流通方向的单向阀，所述的单向阀设置于待测试件的冷、热介质入口端前方，所述的电磁阀均连接至所述的控制器。

优选地，所述的冷源自循环通道和热源自循环通道中均分别设有至少1个用于控制对应的自循环通道通断的电磁阀以及至少1个用于限制冷、热介质流通方向的单向阀，所述的电磁阀均连接至所述的控制器。

优选地，所述的冷源工作通道和冷源自循环通道的冷介质入口以及冷介质出口分别通过独立的入口连通管道和出口连通管道连接至冷源，或者，所述的冷源工作通道和冷源自循环通道的冷介质入口以及冷介质出口通过共用的入口连通管道和出口连通管道连接至冷源。

优选地，所述的热源工作通道和热源自循环通道的热介质入口以及热介质出口分别通过独立的入口连通管道和出口连通管道连接至热源，或者，所述的热源工作通道和热源自循环通道的热介质入口以及热介质出口通过共用的入口连通管道和出口连通管道连接至热源。

优选地，所述的流通管道上包裹设置保温套。

优选地，所述的入口连通管道和出口连通管道上也包裹设置保温套。

优选地，所述的冷源工作通道、冷源自循环通道、热源工作通道和热源自循环通道中分别设有多个测温节点，每个测温节点分别设置温度传感器，所述的温度传感器连接至所述的控制器。

优选地，所述的控制器包括PLC控制器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明通过设置相互独立的低温循环冲击结构和高温循环冲击结构，可在常压下实现-30℃至+95℃的冷热循环试验环境的模拟，同时冷、热双通道方式可快速进行加热制冷切换，一个冷热循环周期可低至40秒，远低于相关国标的测试方法，因此，可实现电堆材料和关键部件耐久性的快速评测；

(2)本发明低温循环冲击结构、高温循环冲击结构分别设置工作通道和自循环通道，自循环通道能够实现冷源自身的控温，从而保障冷热快速切换的有效进行；

(3)本发明冷源工作通道和冷源自循环通道可以设置为单独与冷源连通的独立回路，也可设置为通过共用的入口连通管道和出口连通管道与冷源连通，同理，热源工作通道和热源自循环通道亦是如此，配置方案多样，可按需选择；

(4)本发明全系统各节点进行自动控温，可以达到精准的控温效果，温度误差在0.5℃以内；

(5)本发明待测试件是正常可发电的单电池和电堆，充分利用其冷却液通路作为冷媒和热媒的通路，无需要设计专门的夹具和通路，使用方便、效果直接；

(6)本发明该系统结构简单、设计合理、便于控制，能高效地实现针对PEMFC的高低温循环试验要求。

附图说明

图1为实施例1中一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统的结构示意图；

图2为实施例1中一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统的高低温冲击循环温度曲线图；

图3为实施例2中一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统的结构示意图；

图4为实施例3中一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统的结构示意图；图中，1为冷源，2为第一电磁阀，3为第一单向阀，4为第二电磁阀，5为第三电磁阀，6为第二单向阀，7为待测试件，8为第四电磁阀，9为第三单向阀，10为第五电磁阀，11为第四单向阀，12为第六电磁阀，13为热源，141、142、143、144、145、146为入口连通管道，151、152、153、154、155、156为出口连通管道，16为控制器，17为上位机，18为人机交互界面，19为安全预警系统，201、202为驱动泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统，该系统包括相互独立的低温循环冲击结构和高温循环冲击结构；

低温循环冲击结构包括冷源1、冷源工作通道和冷源自循环通道，冷源1通过冷源工作通道与待测试件连通形成低温循环冲击回路，冷源1还与冷源自循环通道连通形成低温保温调节回路；

高温循环冲击结构包括热源13、热源工作通道和热源自循环通道，热源13通过热源工作通道与待测试件连通形成高温循环冲击回路，热源13还与热源自循环通道连通形成高温保温调节回路；

冷源1、冷源工作通道、冷源自循环通道、热源13、热源工作通道和热源自循环通道均连接至控制器16，控制器16包括PLC控制器。

本实施例中待测试件是正常可发电的单电池和电堆，充分利用其冷却液通路作为冷媒和热媒的通路，无需要设计专门的夹具和通路；使用方便、效果直接。

冷源工作通道、冷源自循环通道、热源工作通道和热源自循环通道均包括用于冷、热介质流通的流通管道。

冷源工作通道和热源工作通道中均分别设有至少2个用于控制对应的工作通道通断的电磁阀，其中至少1个电磁阀设置于待测试件的冷、热介质入口端前方，至少1个电磁阀设置于待测试件的冷、热介质出口端后方，冷源工作通道和热源工作通道中还分别设有至少1个用于限制冷、热介质流通方向的单向阀，单向阀设置于待测试件的冷、热介质入口端前方，电磁阀均连接至控制器16。冷源自循环通道和热源自循环通道中均分别设有至少1个用于控制对应的自循环通道通断的电磁阀以及至少1个用于限制冷、热介质流通方向的单向阀，电磁阀均连接至控制器16。在本实施例中冷源自循环通道上设置1个电磁阀和1个单向阀，分别为第一电磁阀2和第一单向阀3，冷源工作通道上设置2个电磁阀和1个单相阀，分别为第二电磁阀4、第三电磁阀5和第二单向阀6，热源自循环通道上设置1个电磁阀和1个单向阀，分别为第五电磁阀10和第四单向阀11，热源工作通道上设置2个电磁阀和1个单相阀，分别为第四电磁阀8、第六电磁阀12和第三单向阀9。

冷源工作通道和冷源自循环通道的冷介质入口以及冷介质出口分别通过独立的入口连通管道和出口连通管道连接至冷源1，或者，冷源工作通道和冷源自循环通道的冷介质入口以及冷介质出口通过共用的入口连通管道和出口连通管道连接至冷源1。热源工作通道和热源自循环通道的热介质入口以及热介质出口分别通过独立的入口连通管道和出口连通管道连接至热源13，或者，热源工作通道和热源自循环通道的热介质入口以及热介质出口通过共用的入口连通管道和出口连通管道连接至热源13。在本实施例中，在冷源侧共用入口连通管道141和出口连通管道151，在热源侧共用入口连通管道142和出口连通管道152，从而冷源工作通道和冷源自循环通道的冷介质入口通过共用的入口连通管道141连通至冷源1，冷源工作通道和冷源自循环通道的冷介质出口通过共用的出口连通管道151连接至冷源1，热源工作通道和热源自循环通道的热介质入口通过共用的入口连通管道142连通至热源13，热源工作通道和热源自循环通道的热介质出口通过共用的出口连通管道152连接至热源13。流通管道、入口连通管道141、142和出口连通管道151、152上均包裹设置保温套。

冷源工作通道、冷源自循环通道、热源工作通道和热源自循环通道中分别设有多个测温节点，每个测温节点分别设置温度传感器，温度传感器连接至控制器16。由此实现全系统各节点进行自动控温，可以达到精准的控温效果，温度误差在0.5℃以内。

此外，该系统控制器16还连接上位机17、人机交互界面18和安全预警系统19，其中上位机17可实现远程监控，人机交互界面18可实现系统运行数据的设定与查看等，安全预警系统19可接受系统运行数据并进行分析，能够实现热源13过热保护、高低压保护、水箱液位预警、未达设定温度异常预警等安全防护功能，同时设置有急停开关，用以手动紧急装置运行。

采用本实施例中质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统进行高低温循环测试的具体工作过程为：

冷源1内部包含能够驱动循环液流动的驱动泵，热源13内部含有能够驱动循环液流动的驱动泵。

冷源1工作时，第一电磁阀2关闭，第二电磁阀4和第三电磁阀5打开，循环液作为冷介质经过由第二电磁阀4和第三电磁阀5控制的工作通道经过PEMFC电池堆后回到冷源1；此时热源13处于自循环工作状态，第五电磁阀10打开，第四电磁阀8和第六电磁阀12关闭，循环液经过由第五电磁阀10控制的自循环通道回到热源13。

热源13工作时，第五电磁阀10关闭，第四电磁阀8和第六电磁阀12打开，循环液作为热介质经过由第四电磁阀8和第六电磁阀12控制的工作通道经过PEMFC电池堆后回到热源13；此时冷源1处于自循环工作状态，第一电磁阀2打开，第二电磁阀4和第三电磁阀5关闭，循环液经过由第一电磁阀2控制的自循环通道回到冷源1。

通过对系统管路长度以及各管路上保温套的优化设计，本实施例系统可以做到对单电池进行-26℃～86℃的高低温循环冲击。高温与低温的冲击频率均为20秒，一次完整的高低温冲击循环时长为40秒，循环温度示意图如图2所示。通过对系统保温结构的进一步优化，可在常压下实现-30℃至+95℃的冷热循环试验环境的模拟，同时冷、热双通道方式可快速进行加热制冷切换，一个冷热循环周期可低至40秒，远低于相关国标的测试方法，因此，可实现电堆材料和关键部件耐久性的快速评测。

实施例2

如图3所示，本实施例提供一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统，该系统与实施例1大致相同。

不同之处在于：实施1中，冷源1内部包含能够驱动循环液流动的驱动泵。热源13内部含有能够驱动循环液流动的驱动泵。而在实施例2中，低温循环冲击结构中包含驱动泵201，且驱动泵201安装在低温循环冲击结构的入口连接通道141；高温循环冲击结构包含驱动泵202，且驱动泵202安装在低温循环冲击结构的入口连接通道142。

冷源1工作时，第一电磁阀2关闭，第二电磁阀4和第三电磁阀5打开，循环液经过由第二电磁阀4和第三电磁阀5控制的工作通道经过PEMFC电池堆后回到冷源1；此时热源13处于自循环工作状态，第五电磁阀10打开，第四电磁阀8和第六电磁阀12关闭，高温循环液经过由第五电磁阀10控制的自循环通道回到热源13。

热源13工作时，第五电磁阀10关闭，第四电磁阀8和第六电磁阀12打开，循环液经过由第四电磁阀8和第六电磁阀12控制的工作通道经过PEMFC电池堆后回到热源13；此时冷源1处于自循环工作状态，第一电磁阀2打开，第二电磁阀4和第三电磁阀5关闭，循环液经过由第一电磁阀2控制的自循环通道回到冷源1。

实施例3

如图4所示，本实施例提供一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统，该系统与实施例1大致相同。

不同之处在于：冷源工作通道和冷源自循环通道的冷介质入口以及冷介质出口分别通过独立的入口连通管道和出口连通管道连接至冷源1，热源工作通道和热源自循环通道的热介质入口以及热介质出口分别通过独立的入口连通管道和出口连通管道连接至热源13。具体地，如图3所示，冷源工作通道的冷介质入口通过入口连通管道143连通冷源1，冷源自循环通道的冷介质入口通过入口连通管道144连通冷源1，冷源工作通道的冷介质出口通过出口连通管道153连通冷源1，冷源自循环通道的冷介质出口通过出口连通管道154连通冷源1，热源工作通道的热介质入口通过入口连通管道145连通热源13，热源自循环通道的热介质入口通过入口连通管道146连通热源13，热源工作通道的热介质出口通过出口连通管道155连通热源13，热源自循环通道的热介质出口通过出口连通管道156连通热源13。与实施例1相同，冷源1内部包含能够驱动循环液流动的驱动泵，热源13内部含有能够驱动循环液流动的驱动泵。流通管道、入口连通管道143、144、145、146和出口连通管道153、154、155、156上均包裹设置保温套。除上述不同，本实施例提供的一种质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统的其余部分均与实施例1相同，采用本实施例的质子交换膜燃料电池高低温循环测试系统进行高低温循环测试的具体工作过程也与实施例1相同，本实施例中不再赘述。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。