一种燃料电池电堆测试的阳极脉冲尾排模拟系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池电堆测试的阳极脉冲尾排模拟系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)是一种电化学反应装置，可以直接、高效地将反应物的化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池具有能量密度高、转换效率高、质量轻、响应速度快、体积小等优点，成为新一代车用电源、固定电源和便携式电源的研究热点。
3.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。尽管燃料电池发动机与内燃机相比具有众多优点，但是燃料电池发动机要取代内燃机成为汽车发动机的主流，还有许多问题需要解决。
4.为了用相对简单的系统获得相对较高的氢气利用率，pemfc的阳极尾气排放通常采用脉冲排气的方式。而采用空气作为氧化剂的pemfc，由于阴阳极之间存在水和氮气的浓度梯度，水和氮气由阴极向阳极的渗透和积累，导致阳极流道内的燃料分布不均，影响pemfc的电流密度分布均匀性，严重时，甚至使pemfc出现局部燃料饥饿，发生炭腐蚀，从而使电池性能发生不可逆衰减。
5.因此，急需一种测试系统，来测试不同脉冲排气周期内氮气浓度及湿度对燃料电池性能的影响。


技术实现要素：

6.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测试的阳极脉冲尾排模拟系统，可以精确的控制氮气与氢气的混合比例，从而在阳极侧获得氮气比例连续可调的混合气体，以此达到模拟不同脉冲排气周期内氮气浓度及湿度对燃料电池性能的影响的目的，不仅有利于探究产品性能发生可逆衰减的原因及操作条件的优化，还可以为脉冲排气的优化和系统的改进提供指导意见。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种燃料电池电堆测试的阳极脉冲尾排模拟系统，包括电堆、氢气预处理系统、氮气预处理系统、氮气流量控制系统、阳极流量控制系统、阳极加湿系统、阳极控温系统和出堆系统；
9.所述氢气预处理系统的一端连接氢气源，另一端通过进口管道连接至电堆的进口，进口管道上设有第一连接点和第二连接点；
10.所述氮气预处理系统的一端连接氮气源，另一端通过氮气支管连接至第一连接点；
11.所述氮气流量控制系统包括氮气质量流量控制器和氮气电磁阀，所述氮气质量流量控制器和氮气电磁阀沿氮气流动方向依次设置在氮气支管上；
12.所述阳极流量控制系统包括氢气质量流量控制器、电动三通阀、质量流量计和湿气体电磁阀，所述氢气质量流量控制器设置在氢气预处理系统与第一连接点之间的进口管道上，电动三通阀和质量流量计设置在第一连接点和第二连接点之间的进口管道上，阳极加湿系统的进气端和出气端分别与电动三通阀和第二连接点相连，所述湿气体电磁阀设置在阳极加湿系统的出气端与第二连接点之间；
13.所述阳极控温系统设置在第二连接点与电堆进口之间，电堆的出口连接有出口管道，所述出堆系统设置在出口管道上。
14.进一步地，所述氢气预处理系统包括氢气输送管，所述氢气输送管上设置有第一减压阀、第一过滤器和第一电磁阀。
15.进一步地，所述氮气预处理系统包括氮气输送管，所述氮气输送管上设置有第二减压阀、第二过滤器和第二电磁阀。
16.进一步地，所述阳极加湿系统包括加湿罐和循环水路，所述循环水路上设有水泵、水泵出口压力传感器、第一加热器和第一换热器，所述第一换热器的热侧和冷侧分别设有第一换热器热侧温度传感器和第一换热器冷侧比例阀。
17.进一步地，所述加湿罐设有液位传感器、补水电磁阀和排水阀，在长时间持续工作后，气体带走大量水，可以通过液位计检测对加湿罐进行补水，通过加湿罐的气体均为100％rh湿度。
18.进一步地，所述阳极控温系统包括第二加热器、第二板式换热器、电堆进口温度传感器和电堆出口温度传感器，所述第二加热器的出口设有第二加热器出口温度传感器，所述第二换热器的热侧和冷侧分别设有第二换热器热侧温度传感器和第二换热器冷侧比例阀，所述电堆进口温度传感器和电堆出口温度传感器分别设置在电堆的进口和出口。
19.进一步地，所述出堆系统包括水气分离系统，电堆出口与水气分离系统之间还设有阳极降温系统和阳极控压系统。
20.进一步地，所述水气分离系统包括水气分离罐和排水电磁阀。
21.进一步地，所述阳极降温系统包括第三换热器，所述第三换热器的热侧设有第三换热器热侧温度传感器，所述第三换热器的冷侧设有球阀和第三换热器冷侧温度传感器。
22.进一步地，阳极控压系统包括背压比例阀、电堆进口压力传感器和电堆出口压力传感器，所述背压比例阀设置在出口管道上，所述电堆进口压力传感器和电堆出口压力传感器分别设置在电堆的进口和出口。
23.进一步地，所述阳极控温系统与电堆进口之间还设有环境仓，在气体经过阳极控温系统后，可通过环境仓进行预冷，达到零下温度效果。
24.进一步地，各管路中还设有相应的过滤器、单向阀、泄压阀等常规管道配件。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.(1)提供一种阳极脉冲尾排模拟系统，可以精确的控制氮气与氢气的混合比例，从而在阳极侧获得氮气比例连续可调的混合气体，以此达到模拟不同脉冲排气周期内氮气浓度及湿度对燃料电池性能的影响的目的，并通过调节氮气比例模拟不同海拔高度下电堆的输出特性及效率，不仅有利于探究产品性能发生可逆衰减的原因及操作条件的优化，还可
以为脉冲排气的优化和系统的改进提供指导意见。
27.(2)利用电动三通阀、质量流量计和阳极加湿系统可以精确控制湿度，通过干湿混合模拟高海拔状态下由于温度较低，氢气较为干燥的状态。
28.(3)设计了氮气流量控制系统、阳极流量控制系统、阳极加湿系统、阳极控温系统、阳极降温系统、阳极控压系统和水气分离系统，保证了整体脉冲尾排系统模拟的进行和温度、湿度、压力、气体流量及混合比例的精确控制。
附图说明
29.图1为本发明的结构示意图；
30.附图标记：
31.1、氢气预处理系统，2、氢气质量流量控制器，3、电动三通阀，4、质量流量计，5、阳极加湿系统，6、湿气体电磁阀，7、阳极控温系统，8、电堆进口压力传感器，9、电堆进口温度传感器，10、电堆出口温度传感器，11、电堆出口压力传感器，12、阳极降温系统，13、阳极控压系统，14、水气分离系统，15、氮气预处理系统，16、氮气质量流量控制器，17、氮气电磁阀。
具体实施方式
32.下面结合附图和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。
33.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。在本技术实施例的描述中，需要理解的是，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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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技术的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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技术中的具体含义。
36.实施例1：
37.一种燃料电池电堆测试的阳极脉冲尾排模拟系统，包括电堆、氢气预处理系统1、氮气预处理系统15、氮气流量控制系统、阳极流量控制系统、阳极加湿系统5、阳极控温系统7和出堆系统；
38.(1)氢气预处理系统1的一端连接氢气源，另一端通过进口管道连接至电堆的进口，进口管道上设有第一连接点和第二连接点；
39.氢气预处理系统1包括氢气输送管，氢气输送管上设置有第一减压阀、第一过滤器和第一电磁阀，氢气经过第一减压阀、第一过滤器进行调节压力和过滤杂质后，通过第一电磁阀进行氢气通断开关控制。
40.(2)氮气预处理系统15的一端连接氮气源，另一端通过氮气支管连接至第一连接点；
41.氮气预处理系统15包括氮气输送管，氮气输送管上设置有第二减压阀、第二过滤器和第二电磁阀；氢气经过第二减压阀、第二过滤器进行调节压力和过滤杂质后，通过第二电磁阀进行氮气通断开关控制。
42.(3)氮气流量控制系统包括氮气质量流量控制器16和氮气电磁阀17，氮气质量流量控制器16和氮气电磁阀17沿氮气流动方向依次设置在氮气支管上；
43.氮气质量流量控制器16用于精确控制氮气流量，在无需混合氮气时，氮气电磁阀17关闭，可以防止氢气压力对氮气质量流量控制器16进行反向冲击。
44.(4)阳极流量控制系统包括氢气质量流量控制器2、电动三通阀3、质量流量计4和湿气体电磁阀6，氢气质量流量控制器2设置在氢气预处理系统1与第一连接点之间的进口管道上，电动三通阀3和质量流量计4设置在第一连接点和第二连接点之间的进口管道上，阳极加湿系统5的进气端和出气端分别与电动三通阀3和第二连接点相连，湿气体电磁阀6设置在阳极加湿系统5的出气端与第二连接点之间；
45.氢气质量流量控制器2用于精确控制氢气流量，电动三通阀3为一进两出三通阀，用于控制分配湿气体和干气体混合比例，氢气和氮气的混合气体为干气体，送入电动三通阀3的进口，电动三通阀3的一个出口通向质量流量计4，从而由质量流量计4监测干气体流量，电动三通阀3的另一个出口通向阳极加湿系统5，从而进行气体加湿，湿气体再汇入进口管道，湿气体电磁阀6用于进行湿气体通断开关控制。可以理解的是，实际应用时，通过湿度计算可以得出当前所需干湿混合比例，质量流量计4监测当前干气流量，通过pid算法控制电动三通阀3改变开度，实现干气湿气实际流量等于需求流量。
46.(5)阳极加湿系统5包括加湿罐和循环水路，循环水路上设有水泵、水泵出口压力传感器、第一加热器和第一换热器，第一换热器的热侧和冷侧分别设有第一换热器热侧温度传感器和第一换热器冷侧比例阀。
47.加湿罐上的进气口和出气口即阳极加湿系统5的进气端和出气端，水泵用于控制循环水路流量和压力，水泵出口压力传感器用于实时反馈水泵出口压力，第一加热器、第一换热器、第一换热器热侧温度传感器和第一换热器冷侧比例阀用于对循环水进行升温和降温从而精准控制回路温度，气体进入加湿罐后进行喷淋加湿，达到所设定露点温度。
48.加湿罐设有液位传感器、补水电磁阀和排水阀，在长时间持续工作后，气体带走大量水，可以通过液位计检测对加湿罐进行补水，通过加湿罐的气体均为100％rh湿度。
49.(6)阳极控温系统7设置在第二连接点与电堆进口之间；
50.阳极控温系统7包括第二加热器、第二板式换热器、电堆进口温度传感器9和电堆出口温度传感器10，第二加热器的出口设有第二加热器出口温度传感器，第二换热器的热侧和冷侧分别设有第二换热器热侧温度传感器和第二换热器冷侧比例阀，电堆进口温度传感器9和电堆出口温度传感器10分别设置在电堆的进口和出口，用于测量电堆的进口温度和出口温度；通过第二加热器、第二板式换热器、电堆进口温度传感器9和电堆出口温度传
感器10对氢氮混合气体的进堆温度进行精确控制。
51.(7)电堆的出口连接有出口管道，出堆系统设置在出口管道上，出堆系统包括水气分离系统14，电堆出口与水气分离系统14之间还设有阳极降温系统12和阳极控压系统13。
52.阳极降温系统12包括第三换热器，第三换热器的热侧设有第三换热器热侧温度传感器，第三换热器的冷侧设有球阀和第三换热器冷侧温度传感器，利用第三换热器对尾排高温气体进行降温。
53.阳极控压系统13包括背压比例阀、电堆进口压力传感器9和电堆出口压力传感器11，背压比例阀设置在出口管道上，电堆进口压力传感器9和电堆出口压力传感器11分别设置在电堆的进口和出口，用于测量电堆的进口压力和出口压力；通过背压比例阀控制整条管路背压，从而控制进堆气体压力。
54.水气分离系统14包括水气分离罐和排水电磁阀，可以收集经过降温之后冷凝析出的液态水。
55.8阳极控温系统7与电堆进口之间还设有环境仓，在气体经过阳极控温系统7后，可通过环境仓进行预冷，达到零下温度效果。
56.此外，上述的进口管路、出口管路并非物理意义上的一根管道，而是气体的流道，实际可能是多段管道连接的，相关从业人员可以理解。另外，上述各个管路中还设有相应的过滤器、单向阀、泄压阀等常规管道配件，在此不再赘述。
57.电堆即被测件，使用本技术进行燃料电池测试时，通过氮气流量控制系统和阳极流量控制系统等部件，可以精确的控制氮气与氢气的混合比例，从而在阳极侧获得氮气比例连续可调的混合气体，以此达到模拟不同脉冲排气周期内氮气浓度及湿度对燃料电池性能的影响的目的，不仅有利于探究产品性能发生可逆衰减的原因及操作条件的优化，还可以为脉冲排气的优化和系统的改进提供指导意见。
58.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。