用于燃料电池发电系统测试的辅助电堆模拟装置的制作方法

本发明涉及燃料电池测试领域，尤其是涉及一种用于燃料电池发电系统测试的辅助电堆模拟装置。

背景技术：

燃料电池发电系统主要由电堆、氢气供应子系统、空气供应子系统、热管理子系统和控制器组成，各子系统的协同工作及各参数的精确控制方能确保燃料电池的高输出性能。对现有燃料电池发电系统研发阶段的测试，一般采用两种方式：一是将各个子系统集成后进行整体综合性能的测试验证；二是在单独的子系统平台中对子系统的零部件进行单独测试验证。但是这两个常规测试方法中会存在以下问题：1、在对已经集成的系统测试的过程中，如果子系统存在设计的缺陷，直接使用电堆模块可能对电堆造成不可逆的损害。2、如果采用现有的简易模拟电堆，只能够实现单独子系统的设计进行验证，比如在燃料供应子系统测试过程中，使用电堆模拟装置可单独模拟电堆在子系统的物理状态参数，但无法对已集成的燃料电池发动机系统的物理状态进行全面精确的模拟，比如同时模拟燃料及氧化剂的消耗，电堆内水的生成以及阴极侧湿气体的产生，电堆的产热等，使得测试结果存在一定的偏差。

技术实现要素：

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用于燃料电池发电系统测试的辅助电堆模拟装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于燃料电池发电系统测试的辅助电堆模拟装置，包括阴极模拟模块、阳极模拟模块和冷却模拟模块，其中，

所述的冷却模拟模块包括依次连接冷却水入口、冷却水管道和冷却水出口，所述冷却水管道上设有第一加热器和第一调节阀；

所述的阳极模拟模块包括阳极气体入口、阳极气体管道、排气口和阳极气体出口，所述阳极气体管道为三通管，一端连接阳极气体入口，其余两端分别连接排气口和阳极气体出口，三通管连接阳极气体出口的一端设有第二调节阀，三通管连接排气口的一端设有流量控制器；

所述的阴极模拟模块包括依次连接的阴极气体入口、阴极气体管道和阴极气体出口，所述阴极气体管道上设有水气加湿单元。

进一步地，所述的三通管连接阳极气体入口的一端设有气体缓冲室。

进一步地，所述的水气加湿单元包括互相通过水管依次连接的加湿器、第三调节阀、散热器、水箱、水泵和第二加热器，第二加热器再连接加湿器形成水循环，所述的加湿器连接阳极气体管道。

进一步地，还包括壳体，该壳体内设置有上、中、下三层结构，所述的冷却模拟模块安装在上层，所述的阳极模拟模块安装在中层、所述的阴极模拟模块安装在下层。

进一步地，所述阴极模拟模块、阳极模拟模块和冷却模拟模块内均设有温度传感器和压力传感器。

进一步地，所述阴极模拟模块内还设有湿度传感器。

进一步地，还包括控制器，用于控制各调节阀、各加热器、流量控制器和加湿器的参数。

进一步地，所述的第一调节阀、第二调节阀和第三调节阀均采用pcv阀。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过设计阴极模拟模块、阳极模拟模块和冷却模拟模块能够完善地模拟出电堆在发电过程中所发生的物理状态变化，实现电堆内燃料消耗模拟，电堆流阻模拟，以及电堆内气体湿度的模拟，使得采用本发明的系统测试精确可靠，符合实际的工作状态；同时，本发明在测试时能够代替电堆，避免测试过程中因设计缺陷等问题对电堆造成的损害。

2、本发明的阴极模拟模块、阳极模拟模块和冷却模拟模块均能够互相独立工作，即能够适用于燃料电池发电系统的整体测试，也能够适用于燃料电池各子系统的单独测试，适用性强。

3、在阳极模拟模块内设有气体缓冲室，用于缓冲阳极气体在管路中存在的脉冲压力，使得经过阳极缓冲模拟的气流平缓稳定。

4、本发明通过壳体内的上中下结构，实现了装置的一体化，起到了对内部结构良好的保护作用，安全性高。

5、本发明通过控制器调节各模块内的调节阀、加热器等参数，实现精细化、自动化控制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记：1、冷却模拟模块，11、冷却水入口，12、冷却水出口，13、冷缺水管道，14、第一加热器，15、第一调节阀，2、阳极模拟模块，21、阳极气体入口，22、阳极气体出口，23、阳极气体管道，24、第二调节阀，25、流量控制器，26、排气口，27、气体缓冲室，3、阴极模拟模块，31、阴极气体入口，32、阴极气体出口，33、阴极气体管道，34、加湿器，35、第三调节阀，36、散热器，37、水箱，38、水泵，39、第二加热器，4、壳体，5、控制器。

具体实施方式

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。

如图1所示，本实施例提供了一种用于燃料电池发电系统测试的辅助电堆模拟装置，包括阴极模拟模块3、阳极模拟模块2和冷却模拟模块1。阴极模拟模块3用于模拟阴极气体的加湿，阳极模拟模块2用于模拟阳极气体的消耗与阳极的流阻，冷却模拟模块1用于模拟电堆的产热及电堆的流阻，实现了对电堆的物理状态变化精确模拟。本实施例中阴极气体为空气，阳极气体为氢气。

冷却模拟模块1包括依次连接冷却水入口11、冷却水管道13和冷却水出口12。冷却水管道13上设有第一加热器14和第一调节阀15。冷却模拟模块1中还设有必要的压力测量部件，管路连接部件等，如温度传感器和压力传感器。

阳极模拟模块2包括阳极气体入口21、阳极气体管道23、排气口26和阳极气体出口22。阳极气体管道23为三通管，一端连接阳极气体入口21，其余两端分别连接排气口26和阳极气体出口22。三通管连接阳极气体出口22的一端设有第二调节阀24；三通管连接排气口26的一端设有流量控制器25；三通管连接阳极气体入口21的一端设有气体缓冲室27。阳极模拟模块2中还设有必要的压力测量部件，管路连接部件等，如温度传感器和压力传感器。

阴极模拟模块3包括依次连接的阴极气体入口31、阴极气体管道33和阴极气体出口32。阴极气体管道33上设有水气加湿单元。该水气加湿单元包括互相通过水管依次连接的加湿器34、第三调节阀35、散热器36、水箱37、水泵38和第二加热器39，第二加热器39再连接加湿器34形成水循环，加湿器34连接阳极气体管道23。阴极模拟模块3中还设有必要的压力测量部件，管路连接部件等，如温度传感器和压力传感器和湿度传感器。上述第一调节阀15、第二调节阀24和第三调节阀35均采用pcv(曲轴箱强制通风)阀。

本实施例还包括壳体4，壳体4内设置有上、中、下三层结构，所述的冷却模拟模块1安装在上层，所述的阳极模拟模块2安装在中层、所述的阴极模拟模块3安装在下层。

本实例还设有一个控制器5，用于控制各调节阀、各加热器、流量控制器25和加湿器34的参数，控制器5通过外设的上位机进行控制，上位机内安装有现有的电堆运行参数控制软件。

本实施例的工作原理为：

冷却模拟模块1用于模拟电堆冷却流道流阻以及电堆的产热。该模块主要第一加热器14和第一调节阀15依次连接而成。第一加热器14用于模拟电堆的产热，第二调节阀24用于调节电堆的流阻。

阳极模拟模块2用于模拟阳极气体的流阻以及燃料的消耗。该模块通过三通管设计两个支路，主支路连接管路上装有气体缓冲室27和第二调节阀24。第二调节阀24用于调节电堆的流阻，气体缓冲室27用于缓冲管路中存在的脉冲压力。旁支路连接管路上装有流量控制器25和排气口26，用于控制燃料的排空，模拟气体的消耗。

阴极模拟模块3用于模拟阴极气体的加湿，和阴极侧气体温度的变化。该模块中加湿器34、第三调节阀35、散热器36、水箱37、水泵38和第二加热器39形成的循环水路，为加湿器34提供循环加湿水。水泵38为循环水提供动力，其与第三调节阀35协同控制加湿器34水侧入口的压力和流量：流量的调节是用于控制加湿器34气体出口侧的湿度；压力的调节是用于控制水侧压力跟随加湿器34气侧压力的变化，确保加湿器34工作在允许的压差范围。第二加热器39和散热器36用于控制加湿器34水侧入口的水温，水侧的水温可通过加湿器34与气侧的水温进行换热，从而控制阴极侧气体的温度。

本发明工作时，首先在上位机中输入所要模拟电堆的阳极和冷却流道的流阻特性曲线，电堆的节数，电堆的运行工况点。上位机通过控制器5来实时控制各调节阀、各加热器、流量控制器25和加湿器34的参数。通过第一调节阀15和第二调节阀24调整阳极和冷却流道的流阻；根据电堆的节数，运行工况点计算出电池发热量、燃料消耗量和阴极侧出口气体的湿度，然后通过第一加热器14调整燃料电池的发热量，通过流量控制器25调节燃料的消耗，通过阴极加湿模块控制阴极气体出口32的湿度和温度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。