一种质子交换膜燃料电池耐盐雾在线性能测试系统及方法与流程

本发明涉及质子交换膜燃料电池性能测试，具体而言，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池耐盐雾在线性能测试系统及方法。

背景技术：

1、近年来气候变化在全球范围内引发越来越多的关注与担忧，温室气体减排已成为世界各国的共识。船舶航运业是国民经济的重要基础产业，实现其可持续发展，对整个经济社会的高质量发展都意义重大。船舶的传统动力推进装置，主要通过消耗柴油来产生动力，其燃料能量转换效率低(35％左右)，燃料燃烧还产生大量的温室气体、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物，使得港口和航道周边地区空气质量恶化，若不及时采取措施，预计到2050年，全球航运业温室气体排放总量将会占总排放量的17％。而且化石能源是非可再生能源，储量有限，濒临耗竭。因此，研究清洁、高效、可持续发展的新能源动力推进技术成为绿色船舶的重要发展方向。

2、与此同时，随着燃料电池技术的不断成熟并在众多领域的应用推广，将燃料电池技术运用到船舶动力系统受到了船舶航运业的关注，燃料电池成为了未来船用新型动力源系统的主要发展方向。氢燃料电池是将氧气与氢气的化学能转换成电能的发电装置，生成物为水，具有高效、无污染、设备运行噪音低等特点。氢燃料电池具有广泛的应用前景，船舶采用氢燃料电池推进方案是其满足新法规要求的主要措施之一。

3、船舶由于特殊的运行环境，对燃料电池的功率需求、储氢条件、安全、产品及材料特性等要求均不同于车用。尤其海上运行时，由于海洋中海水激烈扰动，风浪破碎，海浪拍岸等产生大量泡沫、气泡，气泡破裂时会生成微小的水滴，海水滴大部分因重力作用而降落，部分处于同涡动扩散保持平衡的状态而分布于海面上，它们随气流升入空中，经裂解、蒸发、混并等过程演变成海洋盐雾弥散系统(nacl气溶液)，形成大气盐核。这些盐核直径约为2μm以下，重量在10-11～10-5mg之间。海水盐度越高，大气中含盐量也越高，3％盐度对应约1mg/m3的盐分。我国东南沿海盐雾含量的月平均值在0.1069～0.7425mg/m3范围内,年平均为0.148～0.480mg/m3。沉降量月平均值为(3.424～24.50))x10-4 mg/cm2·月。因此，燃料电池运行过程中难免会引入海洋盐雾，会对燃料电池核心部件膜电极及双极板性能造成影响，从而影响其可靠性和耐久性。

4、目前有关质子交换膜燃料电池或核心零部件的耐盐雾测试仅停留在离线测试阶段，一般将待测样件静止放入盐雾试验箱中，设置盐度和时间，一定时间后对比前后性能差异，这不仅对盐雾试验箱的空间、密封等条件要求很高，最主要离电池放电过程引入盐雾的真实情况差距甚远，代表性和参考性不大。

技术实现思路

1、根据上述提出目前质子交换膜燃料电池或核心零部件的耐盐雾测试仅停留在离线测试阶段的技术问题，而提供一种质子交换膜燃料电池耐盐雾在线性能测试系统及方法，通过将待测燃料电池、燃料电池测试台、盐雾发生器及燃料、空气源、上位机等器件或设备集成为测试系统，来实现燃料电池在线运行过程中，可控引入盐雾，实时监测电池性能变化，从而实现更切实、快速的研究盐雾对燃料电池及其零部件性能的影响，为船用燃料电池部件选型与开发，测试条件和控制策略的研究提供重要的技术基础。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种质子交换膜燃料电池耐盐雾在线性能测试系统，包括燃料电池、燃料电池测试台、盐雾发生器和上位机；所述燃料电池的三腔入口连接至所述燃料电池测试台，所述盐雾发生器并联至所述燃料电池测试台空气出口与所述燃料电池空气入口之间的管路上，所述燃料电池测试台空气出口与所述燃料电池空气入口之间的管路设置有电磁阀开关a，所述盐雾发生器的入口与出口分别设置有电磁阀开关b和电磁阀开关c；所述上位机与所述燃料电池测试台相连接，用于控制所述燃料电池测试台工作。

4、本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池耐盐雾在线性能测试方法，具体包括以下步骤：

5、步骤1：测试系统搭建

6、将燃料电池的三腔入口与燃料电池测试台进行连接；将盐雾发生器并联至燃料电池测试台空气出口与燃料电池空气入口之间的管路上，并在燃料电池测试台空气出口与燃料电池空气入口之间的管路上安装电磁阀开关a，在盐雾发生器的入口与出口分别安装电磁阀开关b和电磁阀开关c；通过控制电磁阀开关a、电磁阀开关b和电磁阀开关c的通断，能够控制空气通入燃料电池前是否经过盐雾发生器；将燃料电池测试台与上位机相连接，通过上位机能够控制燃料电池测试台工作；

7、步骤2：盐雾配制

8、根据测试需求配置一定浓度的金属盐溶液，然后转移至盐雾发生器中；

9、步骤3：燃料电池性能测试

10、(1)测试盐雾对燃料电池初始性能的影响

11、通过上位机控制燃料电池测试台工作，使燃料电池运行，在相同的测试条件下，分别测试未与盐雾混合的空气以及经过盐雾发生器与盐雾混合后的空气通入燃料电池后，燃料电池的极化曲线和阻抗，得到相应的两组数据；

12、(2)测试不同类型或不同浓度的盐雾对燃料电池初始性能的影响

13、组装多个相同的燃料电池，分别与燃料电池测试台相连接，通过上位机控制燃料电池测试台工作，使燃料电池运行，以相同的测试方法测试与不同类型或不同浓度的盐雾混合后的空气通入不同燃料电池后，燃料电池的极化曲线和阻抗性能；

14、(3)测试盐雾对燃料电池耐久性的影响

15、组装多个相同的燃料电池，分别与燃料电池测试台相连接，通过上位机控制燃料电池测试台工作，使燃料电池运行，在相同的耐久性测试工况及测试条件下对各燃料电池进行相同时间的耐久性测试，仅保持进入不同燃料电池的空气中混合的盐雾浓度不同；

16、在耐久性测试前、测试过程中及耐久性测试完成后均分别进行多次的极化曲线和阻抗性能测试，得到不同耐久性运行时间对应的燃料电池性能数据；

17、步骤4：燃料电池性能分析

18、(1)对比步骤3(1)得到的两组数据，分析盐雾对燃料电池初始性能的影响；

19、(2)对比步骤3(2)得到的不同类型或不同浓度的盐雾对应的燃料电池极化曲线和阻抗性能数据，分析不同类型或不同浓度的盐雾对燃料电池性能的影响；

20、(3)对比步骤3(3)得到的不同盐雾浓度下，在相同的耐久性测试工况及测试条件运行相同时间的多个燃料电池的极化曲线和阻抗性能数据，分析不同盐雾对燃料电池耐久性的影响。

21、进一步地，步骤1需要先对燃料电池进行气密性检测，气密性检测采用保压法或流量法，使用氮气、氦气等惰性气体作为检测气体。

22、进一步地，燃料电池测试台包括氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统、氢气增湿系统、空气增湿系统、氢气尾排系统、空气尾排系统、吹扫系统、主控和数采系统和电子负载，能够对燃料电池进行活化及极化曲线、阻抗和耐久性测试。

23、进一步地，上位机用于通过控制燃料电池测试台工作实现对通入所述燃料电池的气体和液体的压力、流量和温度的控制，电磁阀开关a、电磁阀开关b和电磁阀开关c分别与上位机电连接，上位机能够对电磁阀开关a、电磁阀开关b和电磁阀开关c进行实时控制。

24、进一步地，步骤2中金属盐溶液为氯化钠溶液，金属盐溶液浓度为0～10wt％，金属盐溶液的ph为6.5～7.5。

25、进一步地，步骤3中，对于初装成型的燃料电池，首先需要对电池进行活化后再进行性能测试：将电磁阀开关a打开，关闭电磁阀开关b和电磁阀开关c，通过上位机控制燃料电池测试台向燃料电池通入空气进行活化。

26、进一步地，步骤3中，将电磁阀开关a打开，关闭电磁阀开关b和电磁阀开关c，即可使未与盐雾混合的空气通入燃料电池；

27、关闭电磁阀开关a，打开电磁阀开关b和电磁阀开关c，即可使空气经过盐雾发生器与盐雾进行混合后通入燃料电池。

28、进一步地，步骤4中，极化曲线是指燃料电池在线运行过程中，电压随电流的变化曲线，在相同电流下，平均电压越高，输出性能越高，燃料电池性能越好，反之，在相同电流下，平均电压越低，输出性能越低，燃料电池性能越差；阻抗测试结果中阻抗值越小，燃料电池质子、电子传输阻力越小，性能越好，反之，阻抗值越大，燃料电池质子、电子传输阻力越大，性能越差。

29、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

30、1、本发明提供的质子交换膜燃料电池耐盐雾在线性能测试系统及方法，可以实现盐雾对燃料电池性能影响的在线测试研究，包括盐雾种类、浓度对燃料电池整体初始性能、耐久性等性能的影响和机理研究，更切实的模拟了燃料电池海上运行的工况，为船用燃料电池测试条件和控制策略的研究提供重要的技术基础。

31、2、本发明提供的质子交换膜燃料电池耐盐雾在线性能测试系统及方法，还可以用来考核盐雾对燃料电池膜电极、双极板、集流板等核心零部件的影响，相对于传统的盐雾试验箱测试，直接将零部件的耐盐雾测试通过电池的在线性能变化来体现，或者通过对比燃料电池耐盐雾测试前后零部件的物料化学参数变化来体现，可以更真实的对比在燃料电池运行环境下，不同厂家、型号或材质的零部件的耐盐雾性能，在为船用燃料电池零部件的选型与开发提供重要的技术支持。

32、3、本发明提供的质子交换膜燃料电池耐盐雾在线性能测试系统及方法，适用于任何功率大小的燃料电池单电池、短堆或长堆模块，且检测系统结构简单，易于搭建，检测方法真实性和准确性高。

33、基于上述理由本发明可在质子交换膜燃料电池性能测试领域广泛推广。