燃料电池电堆测试台的制作方法

本申请涉及燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池电堆测试台。

背景技术：

质子交换膜氢燃料电池是一种以电化学反应的方式将化学能直接转化为电能的能量转化装置，其清洁、能量转化高效的特点使其逐渐应用于车辆领域。

用于车辆领域的质子交换膜氢燃料电池，需要将燃料电池电堆与外围氢气系统、空气系统及冷却系统集成，并与车辆总成和电驱动系统等负载电连接。氢气系统主要负责为电堆提供氢气供应，需要根据运行工况调节进入电堆的氢气压力和流量等；空气系统是为电堆提供适量的氧化剂即氧气，需要根据工况调节进入电堆的空气的湿度、压力及流量等；冷却系统通过冷却水循环的方式使电堆温度保持在合适的水平，保证电堆稳定可靠工作。

由于所述燃料电池电堆下线之后在不同型号的燃料电池发动机中将会具有不同的附件配置模式，同时涉及到的附件系统种类与型号较多，因而在燃料电池电堆下线检测时，为了模拟真实附件配置模式进行测试，需要准备多个测试台，或者频繁更换附件系统,在这种情况下，成本高，工作效率较低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对目前模拟电堆不同附件配置模式过程中测试效率低、成本高的问题，提供一种燃料电池电堆测试台。

本申请提供了一种燃料电池电堆测试台，所述燃料电池电堆测试台包括氢气系统和空气系统。所述氢气系统包括氢气循环泵、尾排阀和阳极背压阀。所述空气系统包括空气循环泵和背压阀。所述氢气循环泵用于使氢气在燃料电池电堆的氢气入口和所述燃料电池电堆的氢气出口之间循环。所述尾排阀和阳极背压阀，设置于所述燃料电池电堆的氢气出口，用于排出氢气尾气。所述空气循环泵用于使空气在所述燃料电池电堆的空气入口和燃料电池电堆的空气出口之间循环。所述阴极背压阀设置于所述燃料电池电堆的空气出口，用于排出空气尾气。

在本申请提供的燃料电池电堆测试台中，通过计算机辅助控制所述燃料电池电堆测试台的氢气系统和空气系统所包含附件是否工作，实现模拟不同附件配置模式。此外，对于同一附件配置模式，所述氢气系统和所述空气系统中的各个装置皆为模块化设置，方便拆卸和组装，易于替换为同系列中不同型号的部件。所述燃料电池电堆测试台在使用时通过控制所述氢气循环泵、所述尾排阀、所述阳极背压阀、所述空气循环泵、所述阴极背压阀的是否工作可以模拟六种不同附件配置模式，所述的六种模式涵盖了车用燃料电池系统不同发展阶段的各种附件配置模式，解决了当需模拟电堆不同附件配置模式过程中测试效率低成本高的问题。另外，本申请提供的燃料电池电堆测试台由于所述空气系统包括所述空气循环泵，可以将未反应的氧气和反应产生的水蒸气从所述阴极出口循环到所述阴极入口，可以用于为燃料电池电堆的质子交换膜加湿，小型化甚至不再依赖于外部加湿器，其加湿效果比外部加湿器更为均匀，简化了燃料电池电堆测试台结构，提高了加湿效果。

附图说明

图1为根据本申请一实施例的燃料电池电堆测试台装置示意图；

图2为根据本申请另一实施例的燃料电池电堆测试台装置示意图。

附图标记：

燃料电池电堆测试台10；氢气系统100，氢气循环泵101，阳极背压阀102，尾排阀103，氢气瓶104，氢气喷射装置105，电磁阀106，减压阀107，气水分离器108，第一压力传感器111，第一温度传感器112，第二压力传感器113，第二温度传感器114，氢气流量传感器115，第一湿度传感器116，第三压力传感器110；空气系统200，空气循环泵201，阴极背压阀202，空气压缩机203，加湿器204，气水分离器205，第二湿度传感器210，氧气浓度传感器211，第四压力传感器212，第三温度传感器213，空气流量传感器214；冷却系统300，冷却水箱301，冷却水泵302，散热器303，选通阀304，第四温度传感器310，第五温度传感器311，冷却流量传感器312；输出测试系统400,负载401，电流测量装置402，电压测量装置403；燃料电池电堆500

具体实施方式

请参见图1，本申请提供了一种燃料电池电堆测试台10。所述燃料电池电堆测试台10包括氢气系统100和空气系统200。所述氢气系统100包括氢气循环泵101、尾排阀103和阳极背压阀102。所述空气系统200包括空气循环泵201和背压阀202。所述氢气循环泵101用于使氢气在燃料电池电堆500的氢气入口和所述燃料电池电堆500的氢气出口之间循环。所述尾排阀103和阳极背压阀102，设置于所述燃料电池电堆500的氢气出口，用于排出氢气尾气。所述空气循环泵201用于使空气在所述燃料电池电堆500的空气入口和燃料电池电堆500的空气出口之间循环。所述阴极背压阀202设置于所述燃料电池电堆500的空气出口，用于排出空气尾气。

本申请提供的燃料电池电堆测试台10，通过计算机辅助控制其氢气系统100和空气系统200所包含附件是否工作，实现模拟不同附件配置模式。此外，对于同一附件配置模式，所述氢气系统100和所述空气系统200中的各个装置皆为模块化设置，方便拆卸和组装，易于替换为同系列中不同型号的部件，因而解决了目前模拟电堆不同附件配置模式过程中测试效率低、成本高的问题。

本申请中燃料电池电堆测试台10的使用方法包括通过控制所述氢气循环泵101、所述尾排阀103、所述阳极背压阀102、所述空气循环泵201、所述阴极背压阀202的工作状态以使所述燃料电池电堆测试台10模拟不同型号的燃料电池发动机的附件配置模式，所述工作模式包括阳极与阴极均无循环、阳极开路的第一模式，阳极与阴极均无循环、阳极盲端的第二模式，阳极有循环、阴极无循环的第三模式，阳极开路、阴极有循环的第四模式，阳极盲端、阴极有循环的第五模式，以及阳极阴极均有循环的第六模式。

在一个实施例中，当所述测试台模拟所述第一模式时，所述氢气循环泵101关闭，所述空气循环泵201关闭，所述尾排阀103关闭，所述阳极背压阀102工作，所述阴极背压阀202工作。

在一个实施例中，当所述测试台模拟所述第二模式时，所述氢气循环泵101关闭，所述空气循环泵201关闭,所述尾排阀103工作，所述阳极背压阀102关闭，所述阴极背压阀202工作。

在一个实施例中，当所述燃料电池电堆测试台10模拟所述第三模式时，所述氢气循环泵101工作，所述空气循环泵201关闭,所述尾排阀103工作，所述阳极背压阀102关闭，所述阴极背压阀202工作。

在一个实施例中，当所述燃料电池电堆测试台10模拟所述第四模式时，所述氢气循环泵101关闭，所述空气循环泵201工作,所述尾排阀103关闭，所述阳极背压阀102工作，所述阴极背压阀202工作。

在一个实施例中，当所述燃料电池电堆测试台10模拟所述第五模式时，所述氢气循环泵101关闭，所述空气循环泵201工作,所述尾排阀103工作，所述阳极背压阀102关闭，所述阴极背压阀202工作。

在一个实施例中，当所述燃料电池电堆测试台10模拟所述第六模式时，所述氢气循环泵101工作，所述空气循环泵201工作,所述尾排阀103工作，所述阳极背压阀102关闭，所述阴极背压阀202工作。

在上述各实施例中所述的六种模式涵盖了车用燃料电池系统不同发展阶段的各种附件配置模式。例如在初期技术尚未成熟时，燃料电池系统通常不包括阳极和阴极循环，其阳极侧采用背压阀。随着燃料电池技术的发展，最新的技术采取阳极阴极双循环，阳极侧的循环可以使得阳极侧水分布更均匀，阴极侧的循环可以使得阴极侧的气态水为燃料电池的质子交换膜加湿，可以小型化甚至省去外部加湿器，降低了成本。目前燃料电池系统其阳极侧通常采用尾排阀103，所述尾排阀103周期性开启，排出氢气尾气，在改善阳极侧排水的同时提高了氢气有效利用率。因而，本申请提供的燃料电池电堆测试台10使用方法解决了模拟电堆不同附件配置模式过程中测试效率低、成本高的问题。

在一个实施例中，所述测试台还包括冷却系统300。所述冷却系统300包括冷却水箱301、冷却水泵302、散热器303和选通阀304。所述冷却水箱301用于存储冷却水。所述冷却水泵302与所述冷却水箱301和所述燃料电池电堆500相连通，用于向所述燃料电池电堆500输送冷却水。所述散热器303设置于所述冷却水泵302和所述燃料电池电堆500之间，用于将冷却水降温。所述选通阀304设置于所述冷却水泵302和所述散热器303之间。所述选通阀304可以根据所述冷却水的温度选择是否经过所述散热器303。

在一个实施例中，所述冷却系统300还包括并联于所述散热器303两端的管路，所述选通阀304可以根据所述冷却水的温度选择所述冷却水通过所述散热器303或直接通过所述管路进入所述燃料电池电堆500。

在一个实施中，当所述燃料电池电堆500刚刚启动时或其所述的环境温度较低时，所述选通阀304可以选择接通管路，而不经过所述散热器303。当所述燃料电池电堆500工作了较长时间后，其温度较高，冷却水温度较高，直接通过管路不能达到散热效果，所述选通阀304关闭所述管路，而接通所述散热器303，为冷却水散热。

在一个实施例中，可以通过计算机系统及控制器控制所述选通阀304，具体地，可以设定温度阈值，当检测到所述冷却水的温度达到阈值时，可以选择接通所述散热器303。

在一个实施例中，所述冷却系统300还包括第四温度传感器310、第五温度传感器311和冷却流量传感器312。所述第四温度传感器310设置于所述散热器303前端，用于检测离开所述燃料电池电堆500，进入所述冷却水箱301的冷却水温度。所述第五温度传感器311设置于所述散热器303后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500的冷却水温度。所述冷却流量传感器312设置于所述散热器303后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500的冷却水流量。由此可以实时监测所述冷却系统300各位置处的温度，并根据监测到的温度控制所述选通阀304是否接通所述散热器303。还可以实时监测所述冷却系统300，防止发生异常而损坏所述燃料电池电堆500。

在一个实施例中，所述氢气系统100还包括氢气瓶104和氢气喷射装置105。所述氢气瓶104设置于所述燃料电池电堆500的氢气入口前端，用于存储氢气。所述氢气喷射装置105与所述氢气瓶104相连通，用于向所述燃料电池电堆500的阳极入口输入氢气。所述氢气循环泵101可以使所述阳极出口未反应的氢气循环到所述阳极入口。所述尾排阀103和所述阳极背压阀102设置于所述燃料电池电堆500的氢气出口，用于排出氢气尾气。

在上述实施例中，所述氢气系统100的氢气循环泵101可以将阳极的气态水循环到所述阳极入口，使得阳极水分布更均匀，防止液态水阻塞阳极流道。应理解，在电堆阴极侧催化剂层产生的水会在扩散和对流作用下到达阳极侧，到达阳极侧的水包括液态水和气态水。当所述尾排阀103打开时，氢气尾气通过所述尾排阀103排出，可以加强阳极侧排水，防止造成水淹影响电堆性能与耐久性。

在一个实施例中，所述氢气系统100还包括电磁阀106、第三压力传感器110和减压阀107。所述电磁阀106与所述氢气瓶104相连通，用于控制所述氢气瓶104是否输出氢气。所述压力传感器设置于所述氢气瓶104与所述电磁阀106之间，用于检测所述氢气瓶104出口处压力。由于所述氢气瓶104的压力很大，因而其出口处压力需要实时监测，防止发生意外。所述减压阀107设置于所述电磁阀106与所述氢气喷射装置105之间，用于减小进入氢气喷射装置105的压力。由于所述氢气瓶104压力很大，所述减压阀107可以减小压力，防止巨大的压力损伤联通氢气系统100各装置的氢气管路和所述氢气喷射装置105。

在一个实施例中，所述氢气系统100还包括气水分离器108。所述气水分离器108设置于所述阳极出口与所述氢气循环泵101之间，用于将液态水从气体中分离出去，防止液态水在所述燃料电池阳极堆积造成水淹，影响电堆性能与耐久性。应理解，渗透到所述燃料电池阳极侧的水包括液态水和气态水，通过所述气水分离器108后的气体包括未反应的氢气和气态水，通过所述氢气循环泵101后，未反应的氢气可以循环到所述燃料电池的阳极入口再次进入电堆反应，堆内阳极气态水经过所述氢气循环泵101的吹扫可以分布得更均匀，减少局部水淹可能。

在一个实施例中，所述空气系统200还包括空气压缩机203。所述空气压缩机203用于将通过空气滤清系统之后的空气输送至所述燃料电池电堆500的阴极入口。所述空气循环泵201与所述燃料电池电堆500的阴极入口以及所述燃料电池电堆500的阴极出口相连通，用于使所述阴极出口未反应的氧气循环到所述阴极入口。所述背压阀与所述述燃料电池电堆500的阴极出口相连通，用于调节所述燃料电池电堆500的阴极尾端压力。所述冷却系统300与所述燃料电池电堆500连通，用于为所述燃料电池电堆500降温。

在上述实施中，所述空气循环泵201可以将未反应的氧气和反应产生的气态水从所述阴极出口循环到所述阴极入口，可以用于为燃料电池的质子交换膜加湿，小型化甚至不再依赖于外部加湿器，因而简化了测试台结构，降低了成本。

请参见图2，在一个实施例中，所述测试台的空气系统200还包括加湿器204。所述加湿器204与所述空气压缩机203和所述燃料电池电堆500的阴极入口相连通，用于将空气增湿。所述加湿器204可以进一步增强所述燃料电池电堆测试台10的加湿效果，防止所述燃料电池的质子交换膜变干导致其质子电导率升高，降低性能。

在一个实施例中，所述空气系统200还包括气水分离器205。所述气水分离器205设置于所述阴极出口与所述空气循环泵201之间，用于将液态水从气体中分离出去，防止液态水在所述燃料电池的阴极流道形成气阻。应理解，所述燃料电池电堆500反应，在阴极产生的水包括液态水和气态水，通过所述气水分离器205后的气体包括未反应的氧气和气态水，通过所述空气循环泵201后，未反应的氧气可以循环到所述燃料电池的阴极入口再次进入电堆反应，气态水循环到燃料电池电堆500内可以为所述质子交换膜加湿。

在上述各实施例中的燃料电池电堆测试台10包括可以由计算机辅助控制的氢气系统100、空气系统200和冷却系统300，通过控制部件是否工作，实现模拟不同附件配置模式。此外，对于同一附件配置模式，所述三个系统中的各个附件装置皆为模块化，可以根据不同燃料电池发动机系统的附件配置进行组装，方便拆卸和组装，易于替换为同系列中不同型号的部件。所述氢气系统100的氢气喷射装置105、氢气循环泵101、尾排阀103和阳极背压阀102可以精准控制进入所述燃料电池电堆500阳极的气体压力和流量等，可以根据实际工况进行调节，以模拟出多种真实工作环境。所述空气系统200的压缩机、空气循环泵201和阴极背压阀202可以控制所述燃料电池电堆500阴极的气体压力，并根据实际工况进行调节。所述冷却系统300可以控制所述燃料电池的温度。因而所述燃料电池电堆测试台10可以根据测试需求精准调节燃料电池电堆500的气体压力、气体流量、气体湿度以及温度等，同时还解决了模拟电堆不同附件配置模式过程中测试效率低、成本高的问题。

请再参见图2，在一个实施例中，所述燃料电池电堆测试台10还包括输出测试系统400。所述输出测试系统400包括负载401、电流测量装置402和电压测量装置403。所述负载401用于与所述燃料电池电堆500电连接。所述电流测量装置402与所述负载401串联，用于检测通过所述负载401的电流大小。所述电压测量装置403并联于所述负载401的两端，用于检测所述负载401两端的电压大小。由此可以测试所述燃料电池的输出电流和输出电压。而且所述氢气系统100、空气系统200和冷却系统300都是可控的，可以调节各工作环境参数，并在不同的工作环境参数下测试所述燃料电池电堆500的输出电流和输出电压。

在一个实施例中，所述氢气系统100还包括第一压力传感器111和第一温度传感器112。所述第一压力传感器111设置于所述氢气喷射装置105前端，用于检测进入所述氢气喷射装置105的氢气压力。所述第一温度传感器112设置于所述氢气喷射装置105前端，用于检测进入所述氢气喷射装置105的氢气温度。所述第一压力传感器111和第一温度传感器112可以测试进入所述氢气喷射装置105的氢气压力和温度参数，可以根据测量结果调节所述氢气喷射装置105的开启时长，使得所述氢气喷射装置105喷射出的氢气具有适宜所述燃料电池的压力。

在一个实施例中，所述氢气系统100还包括第二压力传感器113、第二温度传感器114、氢气流量传感器115、第一湿度传感器116。所述第二压力传感器113设置于所述氢气喷射装置105的后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500阳极入口的氢气压力。所述第二温度传感器114设置于所述氢气喷射装置105的后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500阳极入口的氢气温度。所述氢气流量传感器115设置于所述氢气喷射装置105的后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500阳极入口的氢气的流量。所述第一湿度传感器116设置于所述氢气喷射装置105的后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500阳极入口的氢气相对湿度。由此可以精准测量进入所述燃料电池电堆500的氢气的压力、湿度、流量等，可以通过调节所述氢气喷射装置105、所述氢气循环泵101或所述尾排阀103或所述背压阀102的功率或开启时间改变所述各个参数，从而在不同参数下测试所述燃料电池。

在一个实施例中，所述空气系统200还包括第二湿度传感器210、第四压力传感器212、第三温度传感器213、空气流量传感器214和氧气浓度传感器211。所述第二湿度传感器210设置于所述加湿器204后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500阴极入口的空气相对湿度。所述第四压力传感器212设置于所述加湿器204后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500阴极入口的空气压力。所述第三温度传感器213设置于所述加湿器204后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500阴极入口的空气温度。所述空气流量传感器214设置于所述加湿器204后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500阴极入口的空气流量。所述氧气浓度传感器211设置于所述加湿器204后端，用于检测进入所述燃料电池电堆500阴极入口的氧气体积分数。由此可以精准测量进入所述燃料电池电堆500的空气的各个参数，可以通过调节所述空气压缩机203、所述加湿器204或所述空气循环泵201的功率或开启时间改变所述各个参数，从而在不同参数下测试所述燃料电池的性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。