本实用新型公开一种燃料电池测试系统，特别涉及一种燃料电池启停耐久性测试系统，属于燃料电池
技术领域：
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背景技术：
：质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）是一种清洁环保的电化学发电装置，由于其体积小、质量轻、操作条件温和、能量转换率高、结构简单以及响应迅速等优势，很适合用于便携式电源和交通运输工具。因此，PEMFC被认为是21世纪首选的清洁、高效的发电装置。近年来，世界各国都在积极研制以燃料电池电堆模块为主要动力源的燃料电池电动汽车。车载燃料电池电堆的稳定性和耐久性一直是制约其大规模商业化应用的重要因素，影响车载燃料电池电堆的稳定性和耐久性的因素较多。相对于怠速运行和额定功率运行这些静态条件，启停循环和加载循环等一些动态条件更容易导致燃料电池关键材料的衰减。燃料电池在启动之前，空气由于外界扩散或者是由阴极通过膜电极的渗透而进入到阳极，使得电池的阴阳极都有空气存在。电池正常启动时，氢气通入到电池阳极侧，会在阳极形成氢气-氧气界面。这个界面的存在会导致阴极侧出现局部的高电位，造成碳载体以及Pt催化剂的腐蚀。同样，在燃料电池停机时也会存在这样的问题。因此，PEMFC的性能在启停过程中逐渐衰减。车载PEMFC发动机在实际运行中，不可避免的要经历频繁的启停循环。因此，对PEMFC在启停过程中性能衰减的研究很有必要，启停次数成为燃料电池电堆模块关键指标之一。现有技术中，燃料电池阳极中通入氢气进行启动，当阳极通入空气进行停止操作时，阳极空气的参数（流量、进气压力、温度、湿度）需要较长的时间才能达到测试要求，再通入氢气进行启动时，同样需要较长的时间才能达到对氢气的参数（流量、进气压力、温度、湿度）的测试要求。这样，影响燃料电池启停耐久性测试的效果和效率。为了准确高效的获得燃料电池的启停耐久性能，需要对通入燃料电池阳极的气体进行精确而快速的切换，实现对燃料电池的启停控制。技术实现要素：本实用新型的目的在于提供一种燃料电池启停耐久性测试系统，该燃料电池启停耐久性测试系统可以实现阳极氢气与阳极空气的快速切换，满足燃料电池启停过程中对阳极气体的要求。为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：一种燃料电池测试系统，包括燃料电池电堆，在所述的燃料电池电堆上连接有阳极回路和阴极回路；所述的阳极回路中包括有氢气管路和空气管路；所述的氢气管路的上游侧通过第一常开电磁阀连接于燃料电池电堆，氢气管路的下游侧通过第二常开电磁阀连接于燃料电池电堆；第一常开电磁阀与燃料电池电堆之间的连接段通过第一常闭电磁阀连接于第二常开电磁阀的下游侧；所述的空气管路的上游侧通过第二常闭电磁阀连接至燃料电池电堆和第二常开电磁阀之间的连接段通；第一常开电磁阀的上游侧管路通过第三常闭电磁阀连接至所述的空气管路的下游侧。在一个实施方式中，氢气管路和/或空气管路的下游侧都连接有背压系统，所述的背压系统用于控制管路内的压力。在一个实施方式中，所述的背压系统中包括背压阀，所述的背压阀连接于氢气管路和/或空气管路，还包括辅助气体输入管路，所述的辅助气体输入管路依次通过压力调节阀、电动-气动转换器连接于辅助气体输入管路。在一个实施方式中，所述的空气管路的上游侧还通过第三常开电磁阀连接至空气管路的下游侧。在一个实施方式中，所述的氢气管路的上游侧依次通过第一手动球阀、第一质量流量控制器、第三常闭电磁阀、第一三通电磁阀、第一加湿装置、第四常开电磁阀、第一温控装置连接至第一常开电磁阀。在一个实施方式中，第四常开电磁阀和第一温控装置之间的连接段通过第一单向阀连接于第一三通电磁阀。在一个实施方式中，所述的空气管路的上游侧依次通过第二手动球阀、第二单向阀、第二质量流量控制器、第四常闭电磁阀连接于第二常闭电磁阀或者第三常开电磁阀。在一个实施方式中，所述的阴极回路的上游侧依次通过第三手动球阀、第三质量流量控制器、第五常闭电磁阀、第二三通电磁阀、第二加湿装置、第五常开电磁阀、第二温控装置连接于燃料电池电堆。在一个实施方式中，在第五常开电磁阀和第二温控装置之间的连接段通过第三单向阀连接于第二三通电磁阀。在一个实施方式中，所述的燃料电池电零堆上还连接有冷却回路，用于对燃料电池进行冷却。有益效果（1）本实用新型的燃料电池启停耐久性测试系统，采用多个电磁阀对阳极管路进行控制，可以实现满足启停耐久性测试条件（流量、压力、温度和湿度）的氢气、空气的快速切换，而且控制方法简单；（2）本实用新型的燃料电池启停耐久性测试系统，使用加热与换热相结合的温控系统，可以快速地对气体进行温度控制，并且温度控制范围广；（3）本实用新型的燃料电池启停耐久性测试系统，采用压力调节阀、电动-气动转换器与背压阀组合而成的背压系统对进气压力进行PID控制，方法简单、控制精度高、响应速度快。附图说明图1燃料电池启停耐久性测试系统的组成图图2燃料电池启停耐久性测试系统的阳极回路的管路图图3燃料电池启停耐久性测试系统的阴极回路的管路图图4燃料电池启停耐久性测试系统的背压系统的管路图图5燃料电池100次启停过程中单电压-时间图图6燃料电池100次启停过程中进气压力-时间图图7燃料电池100次启停过程中进气温度-时间图图8燃料电池经历3000次启停前、后的极化曲线A1、第一手动球阀；A2、第一质量流量控制器；A3、第三常闭电磁阀；A4、第一三通电磁阀；A5、第四常开电磁阀；A6、第一单向阀；A7、第一常开电磁阀；A8、第一常闭电磁阀；A9、第二常开电磁阀；A10、第二手动球阀；A11、第二单向阀；A12、第二质量流量控制器；A13、第四常闭电磁阀；A14、第二常闭电磁阀；A15、第三常闭电磁阀；A16、第三常开电磁阀；B1、第三手动球阀；B2、第三质量流量控制器；B3、第五常闭电磁阀；B4、第二三通电磁阀；B5、第五常开电磁阀；B6、第三单向阀；E1、压力调节阀；E2、电动-气动转换器；E3、背压阀。具体实施方式该燃料电池启停耐久性测试系统可以对进气流量、压力、温度、湿度以及燃料电池的温度进行精确而快速的控制，同时，可以实现阳极氢气与阳极空气的快速切换，满足燃料电池启停过程中对阳极气体的要求。本实用新型提供的燃料电池测试系统，如图1所示，主要包括：燃料电池电堆，在所述的燃料电池电堆上连接有阳极回路和阴极回路；所述的阳极回路中包括有氢气管路和空气管路；如图2所示，所述的氢气管路的上游侧通过第一常开电磁阀A7连接于燃料电池电堆，氢气管路的下游侧通过第二常开电磁阀A9连接于燃料电池电堆；第一常开电磁阀A7与燃料电池电堆之间的连接段通过第一常闭电磁阀A8连接于第二常开电磁阀A9的下游侧；所述的空气管路的上游侧通过第二常闭电磁阀A14连接至燃料电池电堆和第二常开电磁阀A9之间的连接段通；第一常开电磁阀A7的上游侧管路通过第三常闭电磁阀A15连接至所述的空气管路的下游侧。氢气管路和/或空气管路的下游侧都连接有背压系统，所述的背压系统用于控制管路内的压力。本实验中利用自制的膜电极组装了一台20节的短堆（单电池的活性面积为250cm2），对该短堆进行充分活化后进行启停耐久性测试。在进行启停耐久性测试前，先测试其初始极化曲线，然后进行3000次启停耐久性循环测试。启停耐久性测试过程中，阴极侧空气为常通状态；阳极中先关闭第一常闭电磁阀A8、第二常闭电磁阀A14、第三常闭电磁阀A15,开放阀第一常开电磁阀A7、第二常开电磁阀A9、第三常开电磁阀A16，可以使得氢气管路上游侧的氢气通入燃料电池阳极进口后从阳极出口排出。空气管路的上游侧还通过第三常开电磁阀A16连接至空气管路的下游侧，可以使得空气按照设定的流量、压力、温度及湿度在旁路排空，当单电池电压升高至OCV并维持1min，然后氢气通过旁路进行排空、空气从阳极出口处通入阳极入口处流出（关闭阀第一常开电磁阀A7、第二常开电磁阀A9、第三常开电磁阀A16,开放阀第一常闭电磁阀A8、第二常闭电磁阀A14、第三常闭电磁阀A15），对电池内的氢气进行吹扫，待单电池电压下降至最低稳定电压维持1min，此为一个完整的启停循环。一个启停循环结束后，关闭阳极出口处通入的空气，打开入口处的氢气，新的启停循环开始。3000次启停循环全部结束后，测试终态极化曲线。依据测试数据，研究短堆在经历3000次启停后的性能衰减情况。为了实现整个管路的可控制性，还可以在整个的管路中设置以下阀门和设备：氢气管路的上游侧依次通过第一手动球阀A1、第一质量流量控制器A2、第三常闭电磁阀A3、第一三通电磁阀A4、第一加湿装置、第四常开电磁阀A5、第一温控装置连接至第一常开电磁阀A7。其中第一手动球阀A1用于通过手动方式控制氢气管路，第一质量流量控制器A2用于对氢气流量进行控制，第三常闭电磁阀A3是在需要进行氢气通入过程时打开，第一加湿装置用于对氢气进行增加湿度，第一温控装置用于调节氢气的温度；第四常开电磁阀A5和第一温控装置之间的连接段通过第一单向阀A6连接于第一三通电磁阀A4，可以构成氢气旁路，提高设备安全性。空气管路的上游侧依次通过第二手动球阀A10、第二单向阀A11、第二质量流量控制器A12、第四常闭电磁阀A13连接于第二常闭电磁阀A14或者第三常开电磁阀A16。第二手动球阀用于通过手动方式控制空气管路，第二质量流量控制器A12用于控制空气流量，第四常闭电磁阀A13是在需要进行空气通入过程时打开。如图3所示，阴极回路的上游侧依次通过第三手动球阀B1、第三质量流量控制器B2、第五常闭电磁阀B3、第二三通电磁阀B4、第二加湿装置、第五常开电磁阀B5、第二温控装置连接于燃料电池电堆。第三质量流量控制器B2在需要输入氧化剂时打开；第五常开电磁阀B5和第二温控装置之间的连接段通过第三单向阀B6连接于第二三通电磁阀B4，可以构成氢气旁路，提高设备安全性。所述的氧化剂为空气、氧气或空气与氧气的混合物。如图4所示，在一个实施方式中，氢气管路和/或空气管路的下游侧都连接有背压系统，所述的背压系统用于控制管路内的压力，所述的背压系统中包括背压阀E3，所述的背压阀E3连接于氢气管路和/或空气管路，还包括辅助气体输入管路，所述的辅助气体输入管路依次通过压力调节阀E1、电动-气动转换器E2连接于辅助气体输入管路。加湿器为膜加湿器、鼓泡式加湿器。启动工况耐久性测试条件如表1所示：表1启动工况耐久性测试条件启动时长电压达到OCV+1min关闭阀A8、A14、A15开放阀A7、A9、A16氢气流量l/min4阴极空气流量l/min12燃料电池温度°C35燃料电池阴极入口空气温度°C35燃料电池入口氢气温度°C环境温度，不加热燃料电池阴极入口空气增湿%RH100燃料电池入口氢气增湿-不外增湿燃料电池阴极入口空气压力kPa70燃料电池入口氢气压力kPa85停止工况耐久性测试条件如表2所示：表2停止工况耐久性测试条件停止时长电压达到最低稳定电压+1min关闭阀A7、A9、A16开放阀A8、A14、A15阳极空气流量l/min4阴极空气流量l/min12燃料电池温度°C35燃料电池阴极入口空气温度°C35燃料电池阳极入口空气温度°C环境温度，不加热燃料电池阴极入口空气增湿%RH100燃料电池阳极入口空气增湿-不外增湿燃料电池阴极入口空气压力kPa70燃料电池阳极入口空气压力kPa85极化曲线测试条件如表3所示：表3极化曲线测试条件氢气计量比stoic1.2空气计量比stoic1.8燃料电池温度°C75燃料电池入口空气温度°C75燃料电池入口氢气温度°C环境温度，不加热燃料电池入口空气增湿%RH45燃料电池入口氢气增湿-不外增湿燃料电池入口空气压力kPa70燃料电池入口氢气压力kPa85图5是100次启停过程的电压-时间图，启动/停止工况运行过程中，单电压出现周期性的变化，每次启动/停止所需的时间约为7min。图6是100次启停过程气体压力-时间图，阴极侧的空气进出口压力比较稳定，基本保持不变；由于阳极侧需要进行氢气/空气的切换，所以阳极侧的气体压力会产生波动，从尾端吹扫空气时氢气压力减小，吹扫结束后通入氢气，氢气的压力瞬间增加上升。图7是100次启停过程的温度-时间图，启停工况运行时，气体和电池的温度基本稳定，由于启动和停止时氢气管路需要切换，造成氢气的进口和出口处的温度出现轻微的波动。图8是初始极化曲线中，电流密度为500mA/cm2、800mA/cm2、1000mA/cm2和1200mA/cm2时，单电池的电压分别为0.723V、0.660V、0.621V和0.577V；终态极化曲线中电流密度为500mA/cm2时，单电池的电压为0.383V。当前第1页1 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