一种燃料电池分水件分水效率测试装置及其测试方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池分水件分水效率测试装置及其测试方法。


背景技术：

2.燃料电池一种非常有应用前景的能源转换装置。燃料电池工作过程中，为了保证性能，燃料需要过量供给，未完全消耗的氢气需要通过循环系统重新回流到阳极入口进行再利用。在燃料电池的运行过程中，水在阴极侧生成，阴极和阳极的水浓度差异会导致部分生成在阴极的水传输到阳极。同时，阳极侧的流体在流动过程中伴随着氢燃料的消耗和温度的变化，当阳极流体从流道内流出后，还存在有气态水的冷凝现象。因此，含有氢气的阳极流道侧存在液态水。
3.值得注意的是，如果回收再利用的氢气中包含有过量的液态水，就会造成燃料传输通道的水淹，阻碍燃料的传输，影响燃料电池的性能。在零摄氏度以下的低温条件，回流氢气中的液态水还有可能冻结，堵塞氢循环装置，影响燃料的正常供应，严重时甚至会导致氢循环装置的损坏。因此，一般都需要在电堆氢气出口安装分水件对氢气和液态水进行分离，将液态水通过尾排阀排出，分水件的分水效率就变得至关重要。
4.现有的分水件测试装置及测试方法技术中，液态水通常为通过喷淋的方式加入到氢气中去等效燃料电池出口的气水混合物的情况。专利cn113551900a中公开了一种燃料电池分水件测试装置及其测试方法，气源的加湿通过喷淋系统的水流量计、动力泵、喷淋器等实现。专利cn217522063u公开了一种分水器测试系统，气水混合物的实现通过液体路的液态水供给和气体路的气源混合最终在测试路达到所需要的状态。上述技术中，气源和水源都包括在测试系统，需要根据气体和液态水的区别而设置多管路结构，这使得测量装置存在结构复杂，设备较多且成本过高的缺点。
5.因此，亟需提供一种新型燃料电池分水件分水效率测试装置，以解决现有技术中无法单独检测分水件性能的技术问题。


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，如结构复杂，系统设备较多且成本过高等中的至少一种而提供一种燃料电池分水件分水效率测试装置及其测试方法。该装置在气体供应方面借用了燃料电池堆测试台架，极大的减少了测试系统的复杂性与成本。同时，该装置的氢气加湿方式不同于传统的喷淋加湿等液态水的直接注入方式，采取换热方式使氢气中的气态水冷凝。该装置结构简单，测试方式便捷，解决了分水件的分水效率测量难，测试系统成本高和测试结构复杂等问题。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.本发明目的之一在于一种燃料电池分水件分水效率测试装置，该测试装置包括分水件检测结构，以及用于冷却阳极气体的换热组件；所述的分水件检测结构包括用于检测
分水效率的分水件和用于与换热组件连接的阀门。
9.进一步地，所述的分水件检测结构还包括依次相连的第三控制阀门、第二三通阀门、第四控制阀门、第一三通阀门和第一控制阀门；所述的分水件出口管路与第三控制阀门相连，第一控制阀门与分水件进口管路相连；所述的第一三通阀门与换热组件相连。更具体地，第一三通阀门和换热组件相连的管路上设有温度和压力传感器，确保测量分水件分水效率时的温度和压力。
10.进一步地，所述的换热组件为换热器；所述的换热器出口管路与第一三通阀门相连。更具体地，换热器气体进口管路与电堆测试台架阳极气体入口相连，通过冷却水对进入到换热器中的加湿氢气进行冷却以达到液态水的出现条件。
11.进一步地，所述的分水件上设有储水组件。
12.进一步地，所述的储水组件包括依次相连的储水罐、第二控制阀门和排水通道；所述的储水罐与分水件相连。
13.进一步地，所述的储水罐上设有液位指示器。
14.本发明目的之二在于一种分水件分水效率测试方法，使用到如上所述的燃料电池分水件分水效率测试装置，该方法包括如下步骤：
15.将电堆测试台架阳极气体入口与换热器相连，关闭第一控制阀门和第三控制阀门，打开第四控制阀门，设置电堆测试台架工况；
16.电堆测试台架阳极入口气体及换热后气体达到工况条件后，打开第一控制阀门和第三控制阀门，关闭第四控制阀门，通过储水罐中收集到的液态水的体积以及所用的收集时间计算分水件的分水效率。
17.更具体地：
18.将电堆测试台架阳极气体入口与换热器相连，关闭第一控制阀门和第三控制阀门，打开第四控制阀门，设置电堆测试台架工况(气体流量、温度、湿度，冷却水流量、温度)；
19.步骤二、电堆测试台架阳极入口气体及换热后气体达到工况条件后，打开第一控制阀门和第三控制阀门，关闭第四控制阀门，开始计时；
20.步骤三、第二控制阀门打开时间点(可根据储水罐中的收集液态水体积进行判断)到达后，打开第二控制阀门，收集液态水，液态水收集完毕后，记录收集时间t，关闭第三控制阀门，同时开始下一重复试验组；
21.步骤四、每组测试重复三次，试验数据取平均值。
22.进一步地，所述的换热器所用的换热介质为冷却水介质，优先为冷却水。
23.进一步地，所述的换热器的换热介质进口管路与电堆测试台架冷却水入口相连，换热器的换热介质出口管路与电堆测试台架冷却水出口相连。
24.进一步地，所述计时开始时间为分水器的第一滴液体落入储水罐的时刻。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
26.(1)本发明提出了一种燃料电池分水件分水效率测试装置及其测试方法，该装置在气体与水的供给上借用了电堆测试台架，减少了测试系统结构，大大降低了测试系统成本；
27.(2)本发明不同于现有技术中的喷淋加湿方式，该装置中分水件进口的液态水通过换热冷凝的方式实现，不需要加湿器、水泵、喷淋器和水流量计等一系列复杂的设备，液
态水流量的控制只需要通过控制温度这一因素，在所用设备较少的情况下同时能够较为精准的控制液态水的流量。
28.(3)本发明设计的装置设置了气水混合物旁通管路，当气水混合物未达到测试所需的稳定条件时，从第一三通阀门及第四控制阀门形成的旁通管路通过，直接返回测试台架的阳极出口，防止液态水进入到分水件中，对后续达到测试条件时的分水效率测量产生影响。
29.(4)本发明设计的装置中第三控制阀门设置在气水混合物经过旁通管路时，可以防止特殊情况下，如气水混合物因旁通或管路高低引起的液态水倒流回分水件。
30.(5)本发明设计的装置中分水件下方加装有储水罐，对分水件收集到的液态水进行存储，防止因长时间测试时，分水件内液态水过多对测试造成的干扰和阻碍。
31.(6)本发明设计的装置中储水罐上还设置有液位指示器，用于观察液态水收集情况。
32.(7)本发明设计的装置不需要氢气收集器，可直接返回电堆测试台架。
附图说明
33.图1为本发明设计的燃料电池分水件分水效率测试装置工艺流程图；
34.图中标号所示：1-阳极气体入口；2-冷却水入口；3-冷却水出口；4-换热器；5-压力传感器；6-温度传感器；7-第一三通阀门；8-第一控制阀门；9-分水件；10-储水罐；11-第二控制阀门；12-排水通道；13-第三控制阀门；14-第四控制阀门；15-第二三通阀门；16-阳极气体出口。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。
36.实施例1
37.一种燃料电池分水件分水效率测试装置，该测试装置包括分水件检测结构，以及用于冷却加湿氢气的换热组件；分水件检测结构包括用于检测分水效率的分水件9和用于与换热组件连接的阀门。
38.分水件检测结构还包括依次相连的第三控制阀门13、第二三通阀门15、第四控制阀门14、第一三通阀门7和第一控制阀门8；分水件9出口管路与第三控制阀门13相连，第一控制阀门8与分水件9进口管路相连；第一三通阀门7与换热组件相连。换热组件为换热器4；换热器4出口管路与第一三通阀门7相连。分水件9上设有储水组件。储水组件包括依次相连的储水罐10、第二控制阀门11和排水通道12；储水罐10与分水件9相连。储水罐10上设有液位指示器。
39.本发明设计的分水件分水效率测量装置能够模拟燃料电池电堆实际工况下阳极出口的气水混合物情况，从而对分水件分水效率进行测量，电堆阳极出口即实际工况下的氢气流量q
h2
、液态水流量q
h2o
、和管路压力p及气水混合物温度t可以在实际中测得，具体内容不在本发明专利的权利要求内，q
h2
、q
h2o
、p、t已知。
40.具体工作过程如下：
41.首先，电堆测试台架阳极入口供给流量为q
h2
，压力为p
in
，温度为t
in
的100％加湿氢气，即进入到换热器4的100％加湿氢气的流量为q
h2
，压力为p
in
，温度为t
in
；
42.换热器4具有阳极气体进口、出口与冷却水进口、出口，100％加湿氢气从换热器4的气体进口进入之后，电堆测试台架冷却水入口向换热器4的冷却水进口供给一定流量和温度的冷却水，冷却水流量由温度传感器的测量温度实时调控，使得气水混合物降温后的温度为t；
43.100％加湿氢气在经过换热器4及换热器4和压力传感器之间的管路后，会存在一定压力损失δp，电堆测试台架阳极入口提供的气体压力为p
in
，经过δp的压力损失后需使得气水混合物压力降为p，此时认为达到实际模拟工况的分水件9进口气水混合物的压力状态；电堆测试台架阳极入口提供的气体温度为t
in
，当气态水由温度t
in
降温到温度t时，冷凝的液态水流量需满足为q
h2o
，加湿气体降温的液态水流量可根据理论公式计算得到，此时可确定电堆测试台架阳极入口需提供的气体温度t
in
；
44.此时电堆测试台架阳极入口气体的温度t
in
、压力p
in
、氢气流量q
h2
均可确定；
45.测试完成后，对分水件下方的储水罐10对分离出的液态水进行收集，打开第二控制阀门11，排出储水罐10收集到的液态水，收集到的液态水体积为v，从液态水开始在分水件中分离到液态水收集完成后的收集时间为t，得到本次分水件的分水效率η＝v/(q
h2o
×
t)；
46.重复上述过程三次，将三次所得的分水效率取平均值，即得本组试验的分水件的分水效率。
47.本发明在气体与冷却水的供给上借用了电堆测试台架，减少了测试系统结构，大大降低了测试系统成本。且不同于现有技术中的喷淋加湿方式，本发明中分水件进口的液态水通过换热冷凝的方式实现，不需要加湿器、水泵、喷淋器、水流量计等一系列复杂的设备，液态水流量的控制只需要通过控制温度这一因素，在所用设备较少的情况下同时能够较为精准的控制液态水的流量。同时，测试系统设置了气水混合物旁通管路，当气水混合物未达到测试所需的稳定条件时，从第一三通阀门7及第四控制阀门14形成的旁通管路通过，直接返回测试台架的阳极出口，防止液态水进入到分水件中，对后续达到测试条件时的分水效率测量产生影响。
48.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。