专利名称：一种质子交换膜燃料电池测试平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池技术领域的测试平台，尤其涉及一种兼 具燃料电池堆和燃料电池系统性能测试功能，并可以对燃料电池系统各零部件进行匹配测 试的智能化、多功能一体化的质子交换膜燃料电池测试平台。
背景技术：
燃料电池是通过电催化反应将氧化剂和还原剂的化学能直接转换成电能的装置， 是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。其中的质子交换膜燃料电池因其具有效率 高、能量密度大、反应温度低、无噪音、无污染等显著优点而在地面发电站、电动车和便携式 电源等方面具有广泛的应用前景。燃料电池内部主要由质子交换膜、电化学反应催化剂、扩 散层和双极板组成。当燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程反应气体在扩散层内扩 散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；阳极反应生成 的质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同氧分子反应结合成水， 同时放出热量。电极反应为阳极(负极):H2— 2H++2e阴极(正极):l/202+2H++2e— H20电池反应:Η2+1/202 — H20氢气的流量、温度、压力和湿度，空气的流量、温度、压力和湿度，冷却水的流量、温 度和压力，燃料电池堆流体出入口温差、压差，负载的加载频率变化，系统各零部件的响应 速度等工作参数对于燃料电池的正常运行和效率有着重要的影响。莫志军、朱新坚等在《计算机测量与控制》2005年13卷3期287-290上发表的“质 子交换膜燃料电池实时监测系统软件实现”一文中提到了一种利用VC的mscomm控件实现 上位机和PLC通讯的控制方法，用来实时监测燃料电池系统各参数性能。该系统灵活性较 差，使燃料电池运行起来后可监控调整的参数较少。专利号为200810036146. 6的实用新型专利和专利号为ZL200820114566. 7的实用 新型专利都提到了一种能测试燃料电池电堆性能的测试平台，该测试台能够监测各运行参 数与燃料电池堆性能之间的关系。专利号为200410093104. 8的实用新型专利提到一种具 有自我支持和电力输出功能的燃料电池测试系统，可以自己发电启动，自己运行，发出多余 的电力还可以输出供负载或其它电器实用，但是这些测试系统都不能对燃料电池系统进行 测试评估。专利号为CN200620046636. 0的实用新型专利提到了一种能够对燃料电池发动机 进行稳态特性和动态变工况特性测试的测试平台，可以模拟燃料电池发动机车载运行环 境，专利号为ZL200620046637. 5的实用新型专利提到一种燃料电池车用驱动电机及控制 系统的测试平台，但是该平台无法对燃料电池堆进行测试评估，无法对燃料电池系统以及 其中的零部件进行匹配测试。对于上述燃料电池测试平台具备对电堆本身或燃料电池系统性能进行测试，监测燃料电池运行时的参数，但是不能实现兼顾电堆和燃料电池系统测试，无法对燃料电池系 统中零部件进行匹配测试，导致燃料电池的开发需要大量的设备投入而大大增加研发和生 产成本。
实用新型内容为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提出一种质子交换膜燃料电池测试 平台，其针对现有燃料电池测试平台功能单一，无法测试和匹配燃料电池系统中各零部件 的不足，提出一种兼具燃料电池堆和燃料电池系统性能测试功能，并可以对燃料电池系统 各零部件进行匹配测试的智能化、多功能一体化的质子交换膜燃料电池测试平台。本实用新型可通过以下技术方案予以解决本实用新型一种质子交换膜燃料电池测试平台，其包括受一控制系统控制的空气 供应系统、氢气供应系统、增湿系统、散热系统，所述空气供应系统包括依次连接的空气过 滤器、风机及控制器；所述氢气供应系统包括依次连接的储气瓶、减压阀、流量计、电磁阀； 所述增湿系统包括氢气增湿系统和空气增湿系统；所述散热系统包括相连接的冷却水箱与 冷却循环水泵；所述控制系统包括中央控制器，所述空气增湿系统和氢气增湿系统分别包 括依次连接的增湿器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器，所述增湿器的一端分别与所 述氢气供应系统出口及所述空气供应系统的出口相连；所述控制系统还包括依次电连接的 电流传感器、电堆接触器、电子负载、单电池电压巡检；所述散热系统还包括在进水管和出 水管上分别设有温度传感器及压力传感器；所述各系统都与燃料电池电堆相连接。所述氢气供应系统还包括连接于所述流量计与电磁阀之间的压力传感器及压力 表。所述空气供应系统还包括与所述风机及控制器相连接的风速仪。所述散热系统还包括一散热风扇。所述散热系统还包括一涡轮流量传感器。所述中央控制器与各系统设备间的通讯方式采用CAN2. 0由于采用以上技术方案，本实用新型的特点是采用主控计算机进行集中控制，是 一种兼具燃料电池堆和燃料电池系统性能测试功能，并可以对燃料电池系统各零部件进行 匹配测试的智能化、多功能一体化的质子交换膜燃料电池测试平台，通过电子负载进行实 时加载，通过控制程序对温湿度和气体流量进行实时控制，测试燃料电池系统协同作用下 的燃料电池特性，确定燃料电池系统的最佳工作点。
图1是本实用新型一种质子交换膜燃料电池测试平台模块组成示意图；图2是燃料电池测试平台_电堆测试原理图；图3是燃料电池测试平台_燃料电池系统测试原理图。图中，I是氢气供应系统，II是空气供应系统，III是增湿系统，IV是散热系统，V 是控制系统。具体的零部件1是储气瓶，2是减压阀，3是流量计，4是氢前压力传感器，5是氢 前压力表，6是电磁阀，7是氢气增湿器，8是氢进温度传感器，9是氢进压力传感器，10是氢进湿度传感器，11是氢出电磁阀，12是氢进端口，13是氢出端口，14是空气过滤器，15是风 机及控制器，16是风速仪，17是空气增湿器，18是空进温度传感器，19是空进压力传感器， 20是空进湿度传感器，21是空进端口，22是空出端口，23是水出温度传感器，24是散热风 扇，25是冷却水箱，26是冷却循环水泵，27是涡轮流量传感器，28是水进压力传感器，29是 水进温度传感器，30是水出端口，31是水进端口，32是电流传感器，33是电堆接触器，34是 电子负载，35是单电池电压巡检，36是主控计算机，37是氢气入口接口，38是氢气出口接 口，39是空气入口接口，40是空气出口接口，41是水出端口，42是水入端口，A，燃料电池电 堆。
具体实施方式
下面结合具体实施方式
，进一步阐述本实用新型如图1所示，本实用新型一种质子交换膜燃料电池测试平台，其包括空气供应系 统II、氢气供应系统I、增湿系统III、散热系统IV及一控制系统V，空气供应系统II包括 依次连接的空气过滤器14、风机及控制器15、风速仪16 ；氢气供应系统I包括依次连接的 储气瓶1、减压阀2、流量计3、压力传感器4、压力表5、电磁阀6 ；增湿系统III包括氢气增 湿系统和空气增湿系统；散热系统包括相连接的冷却水箱25与冷却循环水泵26 ；该控制系 统包括中央控制器即主控计算机36，空气增湿系统和氢气增湿系统分别包括依次连接的增 湿器17及7、温度传感器18及8、压力传感器19及9、湿度传感器20及10，该增湿器的一 端分别与氢气供应系统出口及空气供应系统的出口相连；该控制系统还包括依次电连接的 电流传感器32、电堆接触器33、电子负载34、单电池电压巡检35，该中央控制器主控计算机 36控制以上各设备；该散热系统还包括在进水管和出水管上分别设有温度传感器23及29 及压力传感器28，还包括散热风扇24、涡轮流量传感器27 ；上述各系统都与燃料电池电堆A 相连接。氢气增湿系统通过氢进端口 12及氢出端口 13、空气增湿系统通过空进端口 21及 空出端口 22、散热系统通过水出端口 30及水进端口 31接入燃料电池电堆A。该氢气增湿系统通过氢气入口接口 37与氢气供应系统连接，并设有氢气出口接 口 38，该空气增湿系统通过空气入口接口 39与空气供应系统连接，并设有空气出口接口 40，该散热系统设有水出端口 41及水入端口 42。氢气供应系统、空气供应系统、增湿系统和散热系统等都为燃料电池系统提供发 电条件。主要零部件包括储氢瓶1，氢气减压阀2，氢进电磁阀6，氢气增湿器7，氢出电磁 阀11，空气过滤器14，风机及控制器15，空气增湿器17，散热风扇24，冷却水箱25，冷却循 环水泵26等。氢气通过氢气减压阀2与氢进电磁阀6相连，然后通过氢气增湿器7进入燃 料电池电堆A。空气过滤器14通过塑料钢丝软管与风机15相连，风机15出口与空气增湿 器17入口相连。散热风扇24、冷却循环水泵26和冷却水箱25与燃料电池电堆A水流场构 成冷却回路。燃料电池正负极电源线直接与电子负载34相连。风机15为双段式三相交流电机，可通过风机控制器调节输入频率来调节风机转 速，控制输入风量。冷却风扇使用2个24V的直流风扇。循环水泵使用12V外接电源供电。控制系统在燃料电池运行时，监控相关的各个参数，控制燃料电池另外4个系统， 采集燃料电池状态，燃料电池工作不正常时自动断开电子负载，保护燃料电池电堆。控制系 统通过主控计算机36可以监测到的参数包括氢气流量计3，氢前压力传感器4，氢前压力表5，氢进温度传感器8，氢进压力传感器9，氢气湿度传感器10，空进温度传感器18，空进压力 传感器19，空进湿度传感器20，水出温度传感器23，涡轮流量传感器27，水进压力传感器 28，水进温度传感器29，电流传感器32，电堆接触器33，单电池电压巡检35。上述所有传感 器与AMP80线接插件相连，通过CAN2. 0与主控计算机连接，通过FCT2. 0读数和控制。主控计算机设定控制系统各种参数，控制燃料电池运行条件，读取各种状态参量。下面进一步描述本实用新型质子交换膜燃料电池测试平台具体实施例实施例A 本实施例为一个IOKW燃料电池测试平台对5KW燃料电池电堆进行测试。具体测 试过程对于测试燃料电池堆，首先将燃料电池测试平台设置为燃料电池堆测试模式(如 图2所示)，接着启动测试平台开关，给系统中所有的设备上电。通过控制系统中的主控计 算机控制风机给燃料电池堆提供空气，电堆出口高湿度尾气通过增湿器给进口氢气和空气 增湿，氢气入口电磁阀接通给燃料电池堆提供氢气，测试系统启动起来，燃料电池电堆产生 直流电，根据测试要求控制电堆运行参数，主控计算机向燃料电池测试系统发送指令，燃料 电池测试系统接到指令后按照规定指令进行工作，并向主控计算机返回燃料电池测试系统 当前状态，主控计算机根据返回的指令判断燃料电池工作情况，根据判断结果向电子负载 发送加载命令。主控计算机同时采集试验数据，并实时监测测试过程。实施例B 本实施例为一个IOKW燃料电池测试平台对5KW燃料电池系统进行测试。具体测 试过程首先将燃料电池测试平台设置为燃料电池系统测试模式(如图3所示)，接着启动 测试平台开关，系统中所有的设备上电。风机给燃料电池系统提供空气，氢气入口电磁阀接 通给燃料电池堆提供氢气，测试系统启动起来，燃料电池系统产生直流电，根据测试要求控 制系统运行参数，主控计算机向燃料电池测试系统发送指令，燃料电池测试系统接到指令 后按照规定指令进行工作，并向主控计算机返回燃料电池测试系统当前状态，主控计算机 根据返回的指令判断燃料电池系统工作情况，根据判断结果向电子负载发送加载命令。主 控计算机同时采集试验数据，并实时监测测试过程。而对燃料电池系统各零部件进行匹配测试，需要单独测量循环水泵或风机等系统 组成部件的性能指标时，可以将相应的端口，如氢进端口 12和氢出端口 13、空进端口 20和 空出端口 21、水进端口 30和水出端口 29短接，打开主控计算机和待测部件外接电源，通过 FCT2. 0读取相应传感器参数来测量待测部件性能指标。对于压力、温湿度、电流电压传感器 等参数标定，可以使用主控计算机FCT2. 0程序，记录一系列数据所对应的程序参数，通过 对比分析，能准确的采集到数据上传到计算机界面上。实施例C 本实施例对燃料电池系统温度传感器进行测试标定将温度传感器放入恒温水箱 中加热，同时使用100°c水银温度计测量温度，打开控制系统主控计算机，通过FCT2. 0程序 监测温度传感器上报温度。调节恒温水箱温度，分别取10°C、20°C、30°C、40 V、50°C、60 V、 70°C、80°C、90°C各温度点读取水银温度计读数和FCT2. 0温度传感器读数并记录。拟合两 条温度曲线，得到公式Y = aX+b，其中Y为水银温度计显示的真实数据，X为FCT2. 0显示的 温度传感器读数。进入FCT2. 0程序界面找到温度传感器数据单元，将修正公式加入程序， 保存退出。这样以后通过FCT2. 0程序显示的就是准确的温度参数。[0040]实施例D 本实施例为测量风机转速与流量之间的关系将空进端口 20和空出端口 21短 接，给风机提供380V三相交流电使风机运转，通过风机控制器调节风机频率，分别取15Hz， 20Hz，25Hz，27Hz，30Hz，32Hz，35Hz，40Hz，42Hz，45Hz，47Hz，50Hz，52Hz，55Hz，60Hz 等工作 点，通过FCT2. 0读取风速仪上传的电流参数XmA，流速Ym/s计算公式为Y = 3. 75X-15，测 量空气管路截面积Sm2，通过公式YXSX60X 1000计算出流量L/min。从而得到相应频率 下风机的风量。将空进端口 20和空出端口 21接到燃料电池上，启动燃料电堆，通过实时加 载电堆电流，调节风机频率找到电堆最佳工作点上所需风机风量。温度，湿度和压力传感器 上传读数到主控计算机，通过FCT2. 0读取电堆最佳工作点上相应的温度，湿度和压力。但是，上述的具体实施方式
只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够 理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所 作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。
权利要求一种质子交换膜燃料电池测试平台，其包括受一控制系统控制的一空气供应系统、一氢气供应系统、一增湿系统及一散热系统，所述空气供应系统包括依次连接的空气过滤器、风机及控制器；所述氢气供应系统包括依次连接的储气瓶、减压阀、流量计、电磁阀；所述增湿系统包括氢气增湿系统和空气增湿系统；所述散热系统包括相连接的冷却水箱与冷却循环水泵；所述控制系统包括一中央控制器，其特征在于所述空气增湿系统和氢气增湿系统分别包括依次连接的增湿器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器，所述增湿器的一端分别与所述氢气供应系统出口及所述空气供应系统的出口相连；所述控制系统还包括依次电连接的电流传感器、电堆接触器、电子负载、单电池电压巡检；所述散热系统还包括在进水管和出水管上分别设有温度传感器及压力传感器；所述各系统都与燃料电池电堆相连接。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征在于所述氢气供应 系统还包括连接于所述流量计与电磁阀之间的压力传感器及压力表。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池测试平台测试平台，其特征在于所述 空气供应系统还包括与所述风机及控制器相连接的风速仪。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池测试平台测试平台，其特征在于所述 散热系统还包括一散热风扇。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池测试平台测试平台，其特征在于所述 散热系统还包括一涡轮流量传感器。
6.根据以上权利要求1-5中任一项所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征在 于所述中央控制器与各系统间的通讯方式采用CAN2. 0。
专利摘要本实用新型公开一种质子交换膜燃料电池测试平台，其包括一空气供应系统、一氢气供应系统、一增湿系统、一散热系统及一控制系统，控制系统还包括依次电连接的电流传感器、电堆接触器、电子负载、单电池电压巡检，中央控制器控制各系统中的设备；散热系统还包括在进水管和出水管上分别设有温度传感器及压力传感器；各系统都与燃料电池电堆相连接。本实用新型的一种质子交换膜燃料电池测试平台，是一种兼具燃料电池堆和燃料电池系统性能测试功能，并可以对燃料电池系统各零部件进行匹配测试的智能化、多功能一体化的质子交换膜燃料电池测试平台。
文档编号G01R31/36GK201689163SQ20102016072
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者张超, 徐先朝, 徐麟, 沈军, 章波, 蔡武久, 陈凌云, 陈捷, 马天才 申请人:昆山弗尔赛能源有限公司