一种燃料电池电堆歧管配气测试系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池电堆歧管配气测试系统。

背景技术

燃料电池发动机作为一种新型的绿色动力源，因其所具有的高效率和低排放等优良特性，正逐渐成为车载发动机的研发重点之一。燃料电池发动机是基于负载的输出，对于整车而言具有良好的控制性；同时，燃料电池发动机的能量输出为电能，简化了传统汽车的传动和调速结构。随着目前燃料电池在重卡、公交车上配套越来越多，燃料电池整体功率需求越来越大，单堆已无法满足整体使用需求，然而多堆的并联测试则需要对氢气、空气、循环水路的歧管分配特性进行分析。

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燃料电池电堆歧管配气测试系统，本发明可实现电堆的气路歧管不同流量、温度、湿度、压力情况下的各种工况模拟，达到歧管分配特性分析，实现电堆的水路歧管不同流量、温度、压力情况下的各种工况模拟，达到歧管分配特性分析。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一在于，提供一种燃料电池电堆歧管配气测试系统，该系统包括阳极系统、阴极系统和水路系统；

所述的阳极系统包括依次连接的阳极进气系统、阳极流量分配三通阀、阳极进堆温湿度传感器、阳极进堆歧管及压力检测系统、阳极出堆歧管及压力检测系统、阳极出堆歧管及流量检测系统、阳极尾排降温板换、阳极背压阀和阳极水汽分离罐，所述阳极流量分配三通阀的一处出口端连接阳极进堆温湿度传感器，另一处出口端经过阳极加湿系统连接阳极进堆温湿度传感器，进行干湿气体混合；

所述的阴极系统包括依次连接的阴极进气系统、阴极流量分配三通阀、阴极进堆温湿度传感器、阴极进堆歧管及压力检测系统、阴极出堆歧管及压力检测系统、阴极出堆歧管及流量检测系统、阴极尾排降温板换、阴极背压阀和阴极水汽分离罐，所述阴极流量分配三通阀的一处出口端连接阴极进堆温湿度传感器，另一处出口端经过阴极加湿系统连接阴极进堆温湿度传感器，进行干湿气体混合；

所述的水路系统包括依次连接的循环水路水箱、循环水路水泵、水路进堆温度流量传感器、水路进堆歧管及压力检测系统、水路出堆歧管及压力检测系统、水路出堆歧管及流量检测系统和水路加热器，所述的循环水路水箱连接水路背压阀，所述的水路加热器连接循环水路水箱；

所述的阳极进堆歧管及压力检测系统与阳极出堆歧管及压力检测系统之间、阴极进堆歧管及压力检测系统与阴极出堆歧管及压力检测系统之间以及水路进堆歧管及压力检测系统与水路出堆歧管及压力检测系统之间连接燃料电池电堆。

进一步地，所述的阳极进气系统前端氢气由氢气主管路提供，包括氢气输送管以及设置在氢气输送管上的减压阀、过滤器、电磁阀和质量流量控制器，用于整体氢气过滤、开关和流量控制。

所述的阳极流量分配三通阀用于控制氢气干气和进加湿罐流量，用于实现温度和湿度的精确控制。

进一步地，所述的阳极加湿系统包括加湿罐、加湿罐循环水管路以及设置在加湿罐循环水管路上的变频水泵、变频水泵出口压力传感器、加热器、板式换热器、板式换热器热侧出口温度传感器和板式换热器冷侧出口比例阀，用于控制进加湿罐气体湿度。

所述的阳极进堆温湿度传感器检测阳极进堆氢气的湿度和温度。

进一步地，所述的阳极进堆歧管及压力检测系统包括分配均匀的管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管的气体压力；

所述的阳极出堆歧管及压力检测系统包括分配均匀的管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管出堆的压力；

所述的阳极出堆歧管及流量检测系统包括分配均匀的管路以及管路上的流量计，用于检测每路歧管出堆的流量。

所述的阳极尾排降温板换包括板换和相应管路，所述板换的热侧为电堆出口氢气，冷侧冷却水由实验室冷却水主管路提供，用于对尾排高温高湿氢气降温，保护后端背压阀同时减少进入实验室管路的尾排水。

所述的阳极背压阀用于控制整体管路压力。

进一步地，所述的阳极水汽分离罐和阴极水汽分离罐设置液位传感器、电磁阀、球阀和相应管路，用于对整体管路液态水进行收集排放。

进一步地，所述的阴极进气系统前端空气由空气主管路提供，包括空气输送管以及设置在空气输送管上的减压阀、过滤器、电磁阀和质量流量控制器，用于整体空气过滤、开关和流量控制。

所述的阴极流量分配三通阀用于控制空气干气和进加湿罐流量，用于实现温度和湿度的精确控制。

进一步地，所述的阴极加湿系统包括加湿罐、加湿罐循环水管路以及设置在加湿罐循环水管路上的变频水泵、变频水泵出口压力传感器、加热器、板式换热器、板式换热器热侧出口温度传感器和板式换热器冷侧出口比例阀，用于控制进加湿罐气体湿度。

所述的阴极进堆温湿度传感器检测阴极进堆空气的湿度和温度。

进一步地，所述的阴极进堆歧管及压力检测系统包括分配均匀的管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管的气体压力；

所述的阴极出堆歧管及压力检测系统包括分配均匀的管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管出堆的压力；

所述的阴极出堆歧管及流量检测系统包括分配均匀的管路以及管路上的流量计，用于检测每路歧管出堆的流量。

所述的阴极尾排降温板换包括板换和相应管路，所述板换的热侧为电堆出口空气，冷侧冷却水由实验室冷却水主管路提供，用于对尾排高温高湿空气降温，保护后端背压阀同时减少进入实验室管路的尾排水。

所述的阴极背压阀用于控制整体管路压力。

进一步地，所述的循环水路水箱设置进水过滤器、电磁阀和液位传感器，用于整体循环水路补水和储水。

所述的水路背压阀用于提供循环水路密闭回路增压。

所述的循环水路水泵用于控制整个循环水路流量。

所述的水路进堆温度流量传感器用于检测进堆水温和流量。

进一步地，所述的水路进堆歧管及压力检测系统包括分配均匀的管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管的水压；

所述的水路出堆歧管及压力检测系统包括分配均匀的管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管出堆的压力；

所述的水路出堆歧管及流量检测系统包括分配均匀的管路以及管路上的流量计，用于检测每路歧管出堆的流量。

所述的水路加热器用于控制水路温度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的水汽分离罐包含气体尾排液态水收集功能，对实验室管路进行保护；

(2)本发明的阳极系统和阴极系统具备气体流量、压力、温度、湿度控制功能；

(3)本发明的水路系统具备循环水流量、压力、温度控制功能。

附图说明

图1为本发明实施例中燃料电池电堆歧管配气测试系统的结构示意图。

图中标记说明：

1—阳极进气系统、2—阳极流量分配三通阀、3—阳极加湿系统、4—阳极进堆温湿度传感器、5—阳极进堆歧管及压力检测系统、6—阳极出堆歧管及压力检测系统、7—阳极出堆歧管及流量检测系统、8—阳极尾排降温板换、9—阳极背压阀、10—阳极水汽分离罐、11—阴极进气系统、12—阴极流量分配三通阀、13—阴极加湿系统、14—阴极进堆温湿度传感器、15—阴极进堆歧管及压力检测系统、16—阴极出堆歧管及压力检测系统、17—阴极出堆歧管及流量检测系统、18—阴极尾排降温板换、19—阴极背压阀、20—阴极水汽分离罐、21—循环水路水箱、22—水路背压阀、23—循环水路水泵、24—水路进堆温度流量传感器、25—水路进堆歧管及压力检测系统、26—水路出堆歧管及压力检测系统、27—水路出堆歧管及流量检测系统、28—水路加热器、29—燃料电池电堆。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。

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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

一种燃料电池电堆歧管配气测试系统，如图1所示，由阳极系统、阴极系统和水路系统组成；

阳极系统包括依次连接的阳极进气系统1、阳极流量分配三通阀2、阳极进堆温湿度传感器4、阳极进堆歧管及压力检测系统5、阳极出堆歧管及压力检测系统6、阳极出堆歧管及流量检测系统7、阳极尾排降温板换8、阳极背压阀9和阳极水汽分离罐10，阳极加湿系统3的进气端连接阳极流量分配三通阀2的一处出口端，阳极加湿系统3的出气端与阳极流量分配三通阀2的另一处出口端一同连接阳极进堆温湿度传感器4，进行干湿气体混合；

阴极系统包括依次连接的阴极进气系统11、阴极流量分配三通阀12、阴极进堆温湿度传感器14、阴极进堆歧管及压力检测系统15、阴极出堆歧管及压力检测系统16、阴极出堆歧管及流量检测系统17、阴极尾排降温板换18、阴极背压阀19和阴极水汽分离罐20，阴极加湿系统13的进气端连接阴极流量分配三通阀12的一处出口端，阴极加湿系统13的出气端与阴极流量分配三通阀12的另一处出口端一同连接阴极进堆温湿度传感器14，进行干湿气体混合；

水路系统包括依次连接的循环水路水箱21、循环水路水泵23、水路进堆温度流量传感器24、水路进堆歧管及压力检测系统25、水路出堆歧管及压力检测系统26、水路出堆歧管及流量检测系统27和水路加热器28，水路背压阀22连接循环水路水箱21，水路加热器28连接循环水路水箱21；

阳极进堆歧管及压力检测系统5与阳极出堆歧管及压力检测系统6之间、阴极进堆歧管及压力检测系统15与阴极出堆歧管及压力检测系统16之间以及水路进堆歧管及压力检测系统25与水路出堆歧管及压力检测系统26之间连接燃料电池电堆29。

阳极进气系统1前端氢气由实验室氢气主管路提供，包括氢气输送管以及设置在氢气输送管上的减压阀、过滤器、电磁阀和质量流量控制器，用于整体氢气过滤、开关和流量控制；

阳极流量分配三通阀2用于控制氢气干气和进加湿罐流量，用于实现温度和湿度的精确控制；

阳极加湿系统3包括加湿罐、加湿罐循环水管路以及设置在加湿罐循环水管路上的变频水泵、变频水泵出口压力传感器、加热器、板式换热器、板式换热器热侧出口温度传感器和板式换热器冷侧出口比例阀，用于控制进加湿罐气体湿度；

阳极进堆温湿度传感器4检测阳极进堆氢气的湿度和温度；

阳极进堆歧管及压力检测系统5包括分配均匀的三支管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管的气体压力；

阳极出堆歧管及压力检测系统6包括分配均匀的三支管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管出堆的压力；

阳极出堆歧管及流量检测系统7包括分配均匀的三支管路以及管路上的流量计，用于检测每路歧管出堆的流量；

阳极尾排降温板换8包括板换和相应管路，板换热侧为电堆出口氢气，冷侧冷却水由实验室冷却水主管路提供，用于对尾排高温高湿氢气降温，保护后端背压阀同时减少进入实验室管路的尾排水；

阳极背压阀9用于控制整体管路压力；

阳极水汽分离罐10还包括液位传感器、电磁阀、球阀和相应管路，用于对整体管路液态水进行收集排放；

阴极进气系统11前端空气由实验室空气主管路提供，包括空气输送管以及设置在空气输送管上的减压阀、过滤器、电磁阀和质量流量控制器，用于整体空气过滤、开关和流量控制；

阴极流量分配三通阀12用于控制空气干气和进加湿罐流量，用于实现温度和湿度的精确控制；

阴极加湿系统13包括加湿罐、加湿罐循环水管路以及设置在加湿罐循环水管路上的变频水泵、变频水泵出口压力传感器、加热器、板式换热器、板式换热器热侧出口温度传感器和板式换热器冷侧出口比例阀，用于控制进加湿罐气体湿度；

阴极进堆温湿度传感器14检测阴极进堆空气的湿度和温度；

阴极进堆歧管及压力检测系统15包括分配均匀的三支管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管的气体压力；

阴极出堆歧管及压力检测系统16包括分配均匀的三支管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管出堆的压力；

阴极出堆歧管及流量检测系统17包括分配均匀的三支管路以及管路上的流量计，用于检测每路歧管出堆的流量；

阴极尾排降温板换18包括板换和相应管路，板换热侧为电堆出口空气，冷侧冷却水由实验室冷却水主管路提供，用于对尾排高温高湿空气降温，保护后端背压阀同时减少进入实验室管路的尾排水；

阴极背压阀19用于控制整体管路压力；

阴极水汽分离罐20还包括液位传感器、电磁阀、球阀和相应管路，用于对整体管路液态水进行收集排放；

循环水路水箱21同时包括进水过滤器、电磁阀和液位传感器等，用于整体循环水路补水和储水；

水路背压阀22用于提供循环水路密闭回路增压；

循环水路水泵23用于控制整个循环水路流量；

水路进堆温度流量传感器24用于检测进堆水温和流量；

水路进堆歧管及压力检测系统25包括分配均匀的三支管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管的水压；

水路出堆歧管及压力检测系统26包括分配均匀的三支管路以及管路上的压力传感器，用于检测每路歧管出堆的压力；

水路出堆歧管及流量检测系统27包括分配均匀的三支管路以及管路上的流量计，用于检测每路歧管出堆的流量；

水路加热器28用于控制水路温度。

气路所有控制参数包括流量、温度、湿度、压力，此处控制流量为质量流量(单位NLPM，0℃，101.3kPa)，在不同流量下歧管管损不同；不同湿度(露点温度下)，气体包含水蒸气量不同，随着露点温度越高，水蒸气分压及含量越高，同样会造成歧管管损不同；不同温度会影响气体密度，在同质量流量下，温度越高气体体积越大流速越快，同样会对歧管管阻和分配性产生影响；不同压力下，在同质量流量下，气体体积不同，需同时检测。通过MFC控制的为干气体质量流量，过加湿混合后，可通过质量流量计检测混合水蒸气后的总质量流量，或者根据各歧管分流量进行累加。

水路所有控制参数包括流量、温度、压力，其中在不同流量下歧管管损不同；通过电堆的防冻液(50％乙二醇和50％去离子水)不同温度下粘度系数不同，所以需要进行分析检测；压力除进行歧管分析外，同时可进行三腔平衡。

所有气路管路应缠绕加热带和保温棉为防止冷凝。

本实施例中，燃料电池电堆29采用150kW，三通阀采用电动三通阀，两个出口开度为0-100％可调，温湿度传感器采用0-100℃量程和0-100％ RH量程，背压阀采用0-300kPa背压可控范围，水泵采用30-300NLPM量程，阳极加湿加热器采用80kW加热器，阴极加湿加热器采用150kW加热器，阳极质量流量控制器采用30-3000NLPM量程，阴极质量流量控制器采用100-10000NLPM量程，变频水泵采用0-50Hz变频和30-300NLPM量程，压力传感器采用0-400kPa量程，温度传感器采用0-100℃量程。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。