一种燃料电池冷启动分区性能测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种燃料电池冷启动分区性能测试系统及测试方法，所述测试系统包括燃料电池、氧化剂供给单元、燃料供给单元、装夹单元、加湿单元、冷却管、高低温箱、分区测试板、负载单元、数据采集单元和数据处理单元；所述测试方法为：分区测试板替代燃料电池的阳极板；使高低温箱内的温度达到设定的低温环境温度；给燃料电池提供氧化剂和燃料，使其正常工作；数据采集单元实时采集各埋入电阻两端压降、各温度电阻的电压以及流过温度电阻的电流；数据处理单元根据接收到的信号计算燃料电池内部各分区的电流密度分布以及各时刻的分区温度，获得电流密度分布图和温度分布图。与现有技术相比，本发明具有操作方便、可实现可视化测量、稳定性高等优点。
【专利说明】一种燃料电池冷启动分区性能测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池冷启动分区性能测试系统及 测试方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石等传统能源的紧缺与全球气候不断变暖，人类面临着巨大的能源危机与 生存危机。亟需寻求新型、高效、清洁能源来逐步替代传统能源以应对能源危机。燃料电池 以其优异的性能成为世界各个国家研究的热点，在发电，移动电源，车载电源上发挥了巨大 作用。燃料电池汽车的研究日益深入，但其商业化仍然存在技术瓶颈问题，除了电池耐久性 和成本因素，提高低温启动性能也是关键问题之一。
[0003] 当燃料电池内局部温度低于冰点时，燃料电池工作产生的水会发生冻结。在电池 内的温度上升到零度之前，催化层内的水如果发生冻结，电化学反应将会因局部反应区域 的冰封而停止，同时冰的形成由于体积膨胀可能会对膜电极组件的结构产生严重的破坏。 其中温度分布主要影响燃料电池内部热量分布及水的结冰，电流密度分布主要影响水的生 成速率及水分布。因此，搭建一个燃料电池冷启动分区测试平台、测量燃料电池冷启动分区 的电流密度分布和温度分布、探究不同条件下燃料电池冷启动分区性能对提高质子交换膜 燃料电池的性能和寿命起着关键作用。
[0004] 目前发表的专利及论文中还没有关于燃料电池冷启动分区性能测试方面的内容， 大都只是侧重燃料电池冷启动整体性能的测试。因此建立一种燃料电池冷启动分区性能测 试系统，对于考察燃料电池冷启动下内部物质传递与局部电化学反应耦合的变化规律、考 察燃料电池内部水热分布特性及优化燃料电池的水热操作条件等研究具有很大的指导意 义。
【发明内容】
[0005] 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冷启 动分区性能测试系统及测试方法，用于测试冷启动时燃料电池各个分区的电流密度和温 度，具有操作方便、可实现可视化测量、稳定性高等优点。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] 一种燃料电池冷启动分区性能测试系统，所述的燃料电池包括依次连接的阳极 板、膜电极和阴极板，所述的测试系统包括燃料电池、氧化剂供给单元、燃料供给单元、装夹 单元、加湿单元、冷却管、高低温箱、分区测试板、负载单元、数据采集单元和数据处理单元， 所述的分区测试板在测试时替代阳极板与燃料电池的膜电极连接，并通过装夹单元夹紧， 所述的冷却管与燃料电池的阴极板连接，所述的燃料电池、分区测试板、装夹单元和冷却管 均设置在高低温箱内，所述的分区测试板、数据采集单元、数据处理单元依次连接，所述的 氧化剂供给单元、燃料供给单元分别连接加湿单元，所述的加湿单元与冷却管连接，所述的 负载单元与燃料电池连接。
[0008] 所述的高低温箱用于模拟燃料电池冷启动环境。
[0009] 所述的分区测试板包括上板和下板，所述的上板表面刻有用于替代阳极的流道， 上板被分割为若干个相互绝缘的分区，所述的各分区与下板间设有埋入电阻，所述的埋入 电阻通过金属柱分别连接分区与下板，所述的金属柱通过采样线与数据采集单元连接，所 述的上板下方设有多个串联的温度电阻，所述的温度电阻与数据采集单元连接。
[0010] 所述的埋入电阻个数、温度电阻个数及分区个数相同。
[0011] 所述的上板两端设有用于连接数据采集单元的接口。
[0012] 所述的分区测试板上设有用于装夹定位的圆孔。
[0013] 所述的装夹单元包括挡板和顶缸，顶缸固定在挡板内部，通过控制顶缸的伸缩实 现分区测试板的装夹。
[0014] 一种燃料电池冷启动分区性能测试方法，包括以下步骤：
[0015] 1)分区测试板替代燃料电池的阳极板，并通过装夹单元固定在燃料电池上；
[0016] 2)设定高低温箱的低温环境温度，并使高低温箱内的温度达到设定的低温环境温 度；
[0017] 3)氧化剂供给单元、燃料供给单元分别通过加湿单元和冷却管向高低温箱内的燃 料电池提供氧化剂和燃料，燃料电池连接负载单元，正常工作；
[0018] 4)数据采集单元实时采集各埋入电阻两端压降、各温度电阻的电压以及流过温度 电阻的电流，并将采集的信号传输给数据处理单元；
[0019] 5)数据处理单元根据接收到的信号计算燃料电池内部各分区的电流密度分布以 及各时刻的分区温度，输出并显示电流密度分布图和温度分布图。
[0020] 所述的燃料电池内部各分区的电流密度分布根据各埋入电阻两端压降和相应的 埋入电阻的阻值计算得到。
[0021] 所述的各时刻的分区温度的计算方法为：
[0022] 首先根据该时刻下每个温度电阻电压和流过温度电阻的电流计算出该温度点下 各温度电阻的阻值，然后通过电阻温升公式求出该时刻的分区温度。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0024] 1)本发明使用分区测试板测量燃料电池冷启动时内部各个分区电流密和温度分 布，同时实现燃料电池电流密度和温度分布可视化测量，操作方便。
[0025] 2)本发明利用高低温箱及冷却管等手段能够模拟低温下燃料电池冷启动状况，不 受外部环境限制。
[0026] 3)本发明通过控制装夹单元实现燃料电池自动化装夹，同时装夹压力均匀，操作 方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为本发明测试系统的电路原理图；
[0028] 图2为分区测试板结构图；
[0029] 图3为分区测试板剖视图；
[0030] 图4为本发明测试方法的流程图；
[0031] 图5为本发明燃料和氧化剂冷却示意图。
[0032] 图中：1、燃料电池；2、分区测试板；3、装夹单元；4、冷却管；5、高低温箱；6、氧化 剂供给单元；7、燃料供给单元；8、加湿单元；9、数据采集单元；10、数据处理单元；11、负载 单元；12、膜电极；13、阴极板；14、排气管，A、未反应燃料及氧化剂；21、接口；22、反应区域； 23、流道；24、圆孔；25、温度电阻；26、金属柱；27、采样线；28、埋入电阻。
【具体实施方式】
[0033] 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。
[0034] 如图1所示，一种燃料电池冷启动分区性能测试系统，所述的测试系统包括燃料 电池1、氧化剂供给单元6、燃料供给单元7、装夹单元3、加湿单元8、冷却管4、高低温箱5、 分区测试板2、负载单元11、数据采集单元9和数据处理单元10,所述的燃料电池包括依次 连接的阳极板、膜电极12和阴极板13,所述的分区测试板2在测试时替代阳极板与燃料电 池1的膜电极12连接，并通过装夹单元3夹紧，所述的冷却管4与燃料电池1的阴极板13 连接，所述的燃料电池1、分区测试板2、装夹单元3和冷却管4均设置在高低温箱5内，所 述的分区测试板2、数据采集单元9、数据处理单元10依次连接，所述的氧化剂供给单元6、 燃料供给单元7分别连接加湿单元8,所述的加湿单元8与冷却管4连接，所述的负载单元 11与燃料电池1连接。加湿单元8和冷却管4均设有两个，分别对应连接。本测试系统能 够模拟低温下燃料电池冷启动状况，测量燃料电池冷启动时分区性能参数，操作简单，同时 实现燃料电池电流密度和温度分布可视化测量。燃料电池1上连接有用于排出未反应燃料 及氧化剂A的排气管14。
[0035] 所述的高低温箱5用于模拟燃料电池冷启动环境，将燃料电池放入高低温箱中测 试。
[0036] 如图2-图3所示，所述的分区测试板2包括上板和下板，上板上表面与膜电极接 触的反应区域22及下板下表面渡金，其它部分由绝缘材料制成。所述的上板表面的反应区 域22上刻有用于替代阳极的流道23,上板被分割为若干个相互绝缘的分区，使得分区之间 电流不会横向流动，所述的各分区与下板间设有埋入电阻28,所述的埋入电阻28通过金属 柱26分别连接分区与下板，所述的金属柱26通过采样线27与数据采集单元9连接，所述 的上板下方设有多个串联的温度电阻25,所述的温度电阻25与数据采集单元9连接，温度 电阻不和上下板相连。所述的埋入电阻个数、温度电阻个数及分区个数相同，均为η。
[0037] 所述的上板两端设有用于连接数据采集单元9的接口 21。分区测试板2上设有两 个用于装夹定位的圆孔24。
[0038] 所述的装夹单元3包括挡板和顶缸，顶缸固定在挡板内部，通过控制顶缸的伸缩 实现分区测试板的装夹。
[0039] 如图4所示，一种燃料电池冷启动分区性能测试方法，包括以下步骤：
[0040] 1)分区测试板2替代燃料电池1的阳极板，并通过装夹单元3固定在燃料电池1 上；
[0041] 2)设定高低温箱5的低温环境温度，并使高低温箱5内的温度达到设定的低温环 ^&温度；
[0042] 3)氧化剂供给单元6、燃料供给单元7分别通过加湿单元8和冷却管4向高低温 箱5内的燃料电池1提供氧化剂和燃料，燃料电池1连接负载单元11，正常工作；
[0043] 4)数据采集单元9实时采集各埋入电阻两端压降、各温度电阻的电压以及流过温 度电阻的电流，并将采集的信号传输给数据处理单元10 ;
[0044] 5)数据处理单元10根据接收到的信号计算燃料电池内部各分区的电流密度分布 以及各时刻的分区温度，输出并显示电流密度分布图和温度分布图。
[0045] 所述的燃料电池内部各分区的电流密度分布根据各埋入电阻两端压降和相应的 埋入电阻的阻值计算得到。
[0046] 所述的各时刻的分区温度的计算方法为：当燃料电池工作时，数据采集单元给其 中布置的电源给温度电阻供电，由于温度电阻随温度升高而上升，通过数据采集单元采集 每个温度电阻电压和流过温度电阻的电流计算出该温度点下各温度电阻的阻值，然后通过 电阻温升公式求出该时刻的分区温度。
[0047] 图5为本发明燃料和氧化剂冷却示意图。蛇形的冷却管放置在高低温箱中，燃料 及氧化剂进气温度T1，通过冷却管后温度降到T 2，和高低温箱内部温度相同，模拟低温环境 下燃料电池进气。对于25cm2单电池，最大气体流量3L/min，质量流量大约3g/min，由空气 带来热量Q 1:
[0048] = cXmgXAT = cXmgX (T「T2)
[0049] 氧化剂冷却管内径04mm,燃料管内径03mm,冷却管用的铝合金材料，导热系数 162W/(m*K)，由于冷却管外是强制对流，导热系数20?100W/(m*K)不好确定，所以按最小 导热系数计算，按传热过程计算（Q2 = Q1)得出氧化剂冷却管大致长度1. 0416m，燃料冷却 管大致长度1. 38mm。为了安全起见，实际采用氧化剂冷却管长2. 3m，燃料冷却管长3. 6m，满 足计算传热要求。所采用的流体传热公式： Q2 = kAAt = -：-?---x2roilxi - -S--T2 j 〇 _ 丄 4 +丄 1 l 2 2J h| λ h2
【权利要求】
1. 一种燃料电池冷启动分区性能测试系统，所述的燃料电池包括依次连接的阳极板、 膜电极和阴极板，其特征在于，所述的测试系统包括燃料电池、氧化剂供给单元、燃料供给 单元、装夹单元、加湿单元、冷却管、高低温箱、分区测试板、负载单元、数据采集单元和数据 处理单元，所述的分区测试板在测试时替代阳极板与燃料电池的膜电极连接，并通过装夹 单元夹紧，所述的冷却管与燃料电池的阴极板连接，所述的燃料电池、分区测试板、装夹单 元和冷却管均设置在高低温箱内，所述的分区测试板、数据采集单元、数据处理单元依次连 接，所述的氧化剂供给单元、燃料供给单元分别连接加湿单元，所述的加湿单元与冷却管连 接，所述的负载单元与燃料电池连接。
2. 根据权利要求1所述的一种燃料电池冷启动分区性能测试系统，其特征在于，所述 的高低温箱用于模拟燃料电池冷启动环境。
3. 根据权利要求1所述的一种燃料电池冷启动分区性能测试系统，其特征在于，所述 的分区测试板包括上板和下板，所述的上板表面刻有用于替代阳极的流道，上板被分割为 若干个相互绝缘的分区，所述的各分区与下板间设有埋入电阻，所述的埋入电阻通过金属 柱分别连接分区与下板，所述的金属柱通过采样线与数据采集单元连接，所述的上板下方 设有多个串联的温度电阻，所述的温度电阻与数据采集单元连接。
4. 根据权利要求3所述的一种燃料电池冷启动分区性能测试系统，其特征在于，所述 的埋入电阻个数、温度电阻个数及分区个数相同。
5. 根据权利要求3所述的一种燃料电池冷启动分区性能测试系统，其特征在于，所述 的上板两端设有用于连接数据采集单元的接口。
6. 根据权利要求1所述的一种燃料电池冷启动分区性能测试系统，其特征在于，所述 的分区测试板上设有用于装夹定位的圆孔。
7. 根据权利要求1所述的一种燃料电池冷启动分区性能测试系统，其特征在于，所述 的装夹单元包括挡板和顶缸，顶缸固定在挡板内部，通过控制顶缸的伸缩实现分区测试板 的装夹。
8. -种如权利要求3所述的燃料电池冷启动分区性能测试方法，其特征在于，包括以 下步骤： 1) 分区测试板替代燃料电池的阳极板，并通过装夹单元固定在燃料电池上； 2) 设定高低温箱的低温环境温度，并使高低温箱内的温度达到设定的低温环境温度； 3) 氧化剂供给单元、燃料供给单元分别通过加湿单元和冷却管向高低温箱内的燃料电 池提供氧化剂和燃料，燃料电池连接负载单元，正常工作； 4) 数据采集单元实时采集各埋入电阻两端压降、各温度电阻的电压以及流过温度电阻 的电流，并将采集的信号传输给数据处理单元； 5) 数据处理单元根据接收到的信号计算燃料电池内部各分区的电流密度分布以及各 时刻的分区温度，输出并显示电流密度分布图和温度分布图。
9. 根据权利要求8所述的一种燃料电池冷启动分区性能测试方法，其特征在于，所述 的燃料电池内部各分区的电流密度分布根据各埋入电阻两端压降和相应的埋入电阻的阻 值计算得到。
10. 根据权利要求8所述的一种燃料电池冷启动分区性能测试方法，其特征在于，所述 的各时刻的分区温度的计算方法为： 首先根据该时刻下每个温度电阻电压和流过温度电阻的电流计算出该温度点下各温 度电阻的阻值，然后通过电阻温升公式求出该时刻的分区温度。
【文档编号】G01R31/36GK104111425SQ201310136186
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月18日 优先权日:2013年4月18日
【发明者】林瑞, 翁元明, 张轶之, 黄海灵, 崔馨予 申请人:同济大学