燃料电池测试平台的制作方法

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池测试平台。

背景技术：

质子交换膜燃料电池是一种通过化学反应将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的装置，由于其噪音低、能量转换效率高、污染零排放、室温条件下启动速度快等优点，在备用电源、汽车、船舶、航海等领域具有广阔的应用前景。燃料电池测试平台可以测试不同模拟条件下电池堆的性能和稳定性，获取精确的实验数据，用于深入研究燃料电池系统的运行机制、电池堆的破坏机理以及催化剂的改良，是优化燃料电池系统、降低成本研究过程中必不可少的工具。

技术实现要素：

因此，本发明目的是测试不同模拟条件下电池堆的性能和稳定性，从而提供一种燃料电池测试平台。

为了解决上述问题，本发明提供一种质子交换膜燃料电池测试平台，包括：

燃料电池；

气体供应系统，气体供应系统与燃料电池连接，用于向燃料电池供应氢气、氮气和空气；

气体增湿系统，气体增湿系统设置在气体供应系统与燃料电池之间，用于将气体供应系统输送的氢气、氮气和空气进行增湿处理；

循环冷却系统，循环冷却系统与燃料电池连接，用于燃料电池的温度控制；

电子负载系统，电子负载系统与燃料电池连接，用于模拟燃料电池的用电设备；

背压控制系统，背压控制系统与燃料电池连接，用于控制燃料的气体背压；

cvm巡检系统，cvm巡检系统与燃料电池电堆连接，检测燃料电池中单片电压值；

平台控制系统，平台控制系统分别与气体供应系统、气体增湿系统、循环冷却系统、电子负载系统、背压控制系统、cvm巡检系统连接，并能够对各系统运行状态进行检测、控制。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选地，气体供应系统包括氢气供应子系统、空气供应子系统、氮气供应子系统。

优选地，氢气供应子系统包括氢气源，氢气源依次连接有第一减压阀、第一压力表、第一电磁阀、第一流量计，第一流量计连接至气体增湿系统。

优选地，空气供应子系统包括空气源，空气源依次连接第二减压阀、过滤器、第二压力表、第二电磁阀、第二流量计，第二流量计连接至气体增湿系统。

优选地，氮气供应子系统包括氮气源，氮气源依次连接第三减压阀、第三压力表、第三电磁阀、第四电磁阀，第四电磁阀连接第二压力表。

优选地，第三电磁阀、第四电磁阀之间的还设有氢气补偿回路，氢气补偿回路上设有第五电磁阀。

优选地，气体增湿系统包括氢气增湿子系统、空气增湿子系统，氢气增湿子系统包括依次连接的氢气循环罐、氢气喷淋罐，空气增湿子系统包括依次连接的空气循环罐、空气喷淋罐。

优选地，循环冷却系统包括水泵、压力表、温度计、加热器。

优选地，背压控制系统包括氢气背压控制子系统、空气背压控制子系统。

优选地，氢气背压控制子系统包括氢气背压控制器，氢气背压控制器依次连接有第一汽水分离器、第一脉冲阀、第一气动阀，和/或空气背压控制子系统包括空气背压控制器，空气背压控制器依次连接有第二汽水分离器、第二脉冲阀、第二气动阀。

本发明提供的质子交换膜燃料电池至少具有下列有益效果：

本发明的质子交换膜燃料电池测试平台，能够对燃料电池的温度、湿度、流量、压力标定等检测项目提供了有效的测试手段，通过对燃料电池电堆的计划曲线性能测试及乙二醇冷却系统对电堆性能的影响测试，充分证明本发明具有较好的燃料电池电堆的测试能力，具有广泛的推广意义。

附图说明

图1为本发明实施例的质子交换膜燃料电池测试平台的模块组成示意图；

图2为本发明实施例的质子交换膜燃料电池测试平台的原理图；

图3为使用本发明实施例的测试平台测试燃料电池性能测试图；

图4为测试平台乙二醇冷却系统稳定性测试图。

附图标记表示为：

1、燃料电池；2、气体供应系统；3、气体增湿系统；4、循环冷却系统；5、电子负载系统；6、cvm巡检系统；7、背压控制系统；8、平台控制系统；11、氢气源；12、第一减压阀；13、第一压力表；14、第一电磁阀；15、第一流量计；16、空气源；17、第二减压阀；18、过滤器；19、第二压力表；110、第二电磁阀；111、第二流量计；112、氮气源；113、第三减压阀；114、第三压力表；115、第三电磁阀；116、第四电磁阀；117、第五电磁阀；31、氢气增湿子系统；32、空气增湿子系统；71、氢气背压控制器；72、第一汽水分离器；73、第一脉冲阀；74、第一气动阀；75、第二汽水分离器；76、第二脉冲阀；77、第二气动阀；78、空气背压控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1至图4所示，本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池测试平台，包括：燃料电池1；气体供应系统2，气体供应系统2与燃料电池1连接，用于向燃料电池1供应氢气、氮气和空气；气体增湿系统3，气体增湿系统3设置在气体供应系统2与燃料电池1之间，用于将气体供应系统2输送的氢气、氮气和空气进行增湿处理；循环冷却系统4，循环冷却系统4与燃料电池1连接，用于燃料电池1的温度控制；电子负载系统5，电子负载系统5与燃料电池1连接，用于模拟燃料电池1的用电设备；背压控制系统7，背压控制系统7与燃料电池1连接，用于控制燃料的气体背压；cvm巡检系统6，cvm巡检系统6与燃料电池1电堆连接，检测燃料电池1中单片电压值；平台控制系统8，平台控制系统8分别与气体供应系统2、气体增湿系统3、循环冷却系统4、电子负载系统5、背压控制系统7、cvm巡检系统6连接，对系统中温度、流量、压力等进行实时检测，并能够对各系统运行状态进行检测、控制。

本实施例的质子交换膜燃料电池测试平台，能够对燃料电池的温度、湿度、流量、压力标定等检测项目提供了有效的测试手段，能够实现对燃料电池的智能控制，通过对燃料电池电堆的计划曲线性能测试及乙二醇冷却系统对电堆性能的影响测试，充分证明本发明具有较好的燃料电池电堆的测试能力，具有广泛的推广意义。

本实施例的质子交换膜燃料电池测试平台还克服了现有技术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评估的问题，能够实现对电池堆、电池系统及零部件进行匹配测试的问题。

本实施例中，气体供应系统2包括氢气供应子系统、空气供应子系统、氮气供应子系统。

本实施例中，氢气供应子系统包括氢气源11，氢气源11依次连接有第一减压阀12、第一压力表13、第一电磁阀14、第一流量计15，第一流量计15连接至气体增湿系统3。

本实施例中，空气供应子系统包括空气源16，空气源16依次连接第二减压阀17、过滤器18、第二压力表19、第二电磁阀110、第二流量计111，第二流量计111连接至气体增湿系统3。

本实施例中，氮气供应子系统包括氮气源112，氮气源112依次连接第三减压阀113、第三压力表114、第三电磁阀115、第四电磁阀116，第四电磁阀116连接第二压力表19。

本实施例中，第三电磁阀115、第四电磁阀116之间的还设有氢气补偿回路，氢气补偿回路上设有第五电磁阀117。

本实施例中，气体增湿系统3包括氢气增湿子系统31、空气增湿子系统32，氢气增湿子系统31包括依次连接的氢气循环罐、氢气喷淋罐，空气增湿子系统32包括依次连接的空气循环罐、空气喷淋罐。

本实施例中，循环冷却系统4包括水泵、压力表、温度计。

本实施例中，背压控制系统7包括氢气背压控制子系统、空气背压控制子系统。在流量一定的条件下通过节气门的开度控制进气的压力，开度越大气体背压越小，开度越小背压越大，通过气动阀的开度百分比来控制，开度最大极限是全闭和全开，全闭就是关闭进气，全开就是对气体不进行背压，自然压力。

本实施例中，氢气背压控制子系统包括氢气背压控制器71，氢气背压控制器71依次连接有第一汽水分离器72、第一脉冲阀73、第一气动阀74，和/或空气背压控制子系统包括空气背压控制器78，空气背压控制器78依次连接有第二汽水分离器75、第二脉冲阀76、第二气动阀77。气动阀控制背压、脉冲阀稳定背压、汽水分离器是属于背压系统的尾端，为了燃料电池产生的水顺利排出，三者一起实现了背压控制系统的功能。氢气背压控制器71与空气背压控制器78存在信号连接关系，能够根据实际情况互相通信。

本发明实施例的测试平台为程序温度、湿度、流量、压力标定提供了有效的方法。具体标定过程如下：

1、将测试平台按照设计方案安装各部组成及配件，确保系统的气密性。

2、给整个系统的所有设备上电并启动。

3、通入氮气及循环冷却水，观测第一压力表13、第二压力表19、第三压力表114，第一流量计15、第二流量计111等检测工具的技术参数，判断监测数据是否与设定数据一致即可。设定数据根据测试电堆的要求所设定。

4、在运行程序中，设定相应的温度、湿度、流量、压力技术参数，检测各零部件是否处于正常工作状态，各部分数值与设置的数值一致即为各部件处于正常工作状态。

本发明实施例为燃料电池电堆测试提供了有效的测试手段。具有测试过程如下：

1、将燃料电池电堆安装在测试系统中，电堆有氢气、空气、水的进口与出口一共六个接口，氢气、空气的进口相应的连接氢气增湿子系统31、空气增湿子系统32，循环冷却系统连接电堆水进、出口，氢气、空气的出口分别连接氢气背压控制器71、空气背压控制器78，通过背压控制系统排出氢气、空气。

2、对待活化测试的燃料电池电堆进行预热处理。具体通过循环冷却系统4进行，循环冷却系统4在温度达不到设计温度时，启动加热棒，对系统进行加热。

3、通过气体供应系统2向燃料电池1内通入氮气，对电池堆的阴极和阳极进行吹扫，平均每片电池单体电压低于0.1v，吹扫即为完成。选择手动测试模式，阳极和阴极分别通入氢气和空气，设置相应的气体计量比流量。气体计量比流量通过库伦定律与法拉第定律计算，具体计算公式为氢气流量＝电流*电堆节数*时间*22.4/96500，空气流量＝氢气流量/2/0.21。

4、启动电子负载系统5，选择恒流测试模式，通过电子负载对电池堆进行梯度式加载，加载频率为5a/次，加载过程中通过外部测试设备测试电堆的性能，对比实际显示电堆性能状况，加载至120a停止加载。

在对电堆进行加载时，时刻关注系统中温度、湿度、流量、压力技术参数变化，条件变化正常时指实际测量值和设置的值在10％内范围内波动，反之波动范围高与10％即为判断参数异常。

待一个程序测试完成后，再次通入氮气，对电堆进行吹扫，待平均电压低于0.1v，停止吹扫，测试结果如图3所示，图3即为本设计测试平台所测试的电堆性能数据图，说明设计的测试平台可以被应用于燃料电池电堆测试中，图中的曲线即为电堆的性能曲线。

本发明实施例为燃料电池电堆稳定性研究提供了有效的测试手段。具有测试过程如下：

1、首先将燃料电池电堆安装在测试平台中，氢气、空气的进口相应的连接氢气增湿子系统31、空气增湿子系统32，循环冷却系统连接电堆水进、出口，氢气、空气的出口分别连接氢气背压控制器71、空气背压控制器78，通过背压控制系统排出氢气、空气。

2.将循环冷却系统4中换为乙二醇与水混合溶液。

3、对待活化测试燃料电池电堆进行预热处理。

4、通过气体供应系统2向燃料电池1内通入氮气，对电池堆的阴极和阳极进行吹扫，平均每片电池单体电压低于0.1v，吹扫即为完成。选择手动测试模式，阳极和阴极分别通入氢气和空气，设置相应的气体计量比流量。气体计量比流量通过库伦定律与法拉第定律计算，具体计算公式为氢气流量＝电流*电堆节数*时间*22.4/96500，空气流量＝氢气流量/2/0.21。

5、启动电子负载系统5，选择恒流测试模式，通过负载对电池堆进行加载，加载至120a停止加载，在120a条件下持续运行60h，记录相应的燃料电池电堆性能，测试结果如图4所示。燃料电池电堆性能主要通过曲线表示，相同参数电堆同样电流条件下电堆电压越高性能越好。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。