一种燃料电池电堆耐久性加速测试装置

1.本实用新型属于燃料电池检测技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆耐久性加速测试装置。


背景技术：

2.目前，燃料电池具有无污染、能量转换效率高、启动速度快、工作过程中振动小、工作温度相较于内燃机低等优点。但是燃料电池同样有着限制其商业化应用的难点，最关键的问题之一是燃料电池的寿命，也就是耐久性。通过对燃料电池电堆的各种耐久性测试能够很好的了解燃料电池电堆的寿命和耐久性衰减的机理，为增加燃料电池电堆的寿命做出贡献。燃料电池电堆的耐久性测试极其耗费时间，通常来说需要几千小时的测量，也耗费人力物力，这就为燃料电池电堆的耐久性测试带来了很大的限制。
3.燃料电池电堆耐久性测试中负载工况存在两种情况：稳态和动态。燃料电池电堆在动态负载工况下长期运行会出现各种衰减，模拟车辆真实运行工况的动态负载的耐久性测试更能反映实际情况。不同的动态工况会造成不同的衰减速度，如果在改变动态工况的情况下使衰减速度更快且最终在更短的时间内达到同样的衰减效果，这对于耐久性研究无疑具有重大意义。现有专利cn111082093a给出了一种氢燃料电池耐久性测试系统及工作方法，能够对燃料电池耐久性进行测试，但是耐久性加速测试的负载变化频率快、变化幅度大，电堆工作条件也可能会随着快速变化，如气体流量、工作温度、工作压力等，所以需要对测试系统进行改进。现有技术中并没有提到耐久性加速测试这一方面，为了缩短耐久性测试的时间，需要设计一种燃料电池电堆耐久性加速测试系统及其工作方法。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)燃料电池电堆的耐久性测试极其耗费时间，通常来说需要几千小时的测量，也耗费人力物力，为燃料电池电堆的耐久性测试带来了很大的限制。现有燃料电池电堆测试系统及装置用于电堆加速测试时，反应气体供给存在延迟、不及时的问题，电堆温度需要大幅变化时温度控制调节所需时间长，这些问题的存在导致电堆耐久性加速测试结果不准确。
6.(2)现有电堆测试系统主要是针对稳态性能测试，用于恒流电堆耐久性测试时，反应气体流量、工作温度、工作压力、进气湿度等工作参数稳定，能够很好地控制，用于动态工况耐久性测试时，上述工作参数会出现瞬态变化，影响电堆性能，进而影响电堆耐久性测试结果，在电堆耐久性加速工况测试情况下，现有测试系统不能满足测试对工作参数快速响应的要求，耐久性测试结果不能完全反映加速工况对电堆耐久性的影响，特别是，现有测试系统及方法不能实现加速工况测试时对电堆温度快速升高或降低的功能，无法考虑电堆工作温度快速变化对耐久性的影响，而该功能是未来电堆耐久性加速测试研究需要具备的。
7.解决以上问题及缺陷的意义为：
8.根据燃料电池电堆加速测试对反应气体控制及温度快速调节的需求，设计了电堆耐久性加速测试装置，为电堆耐久性加速测试提供了解决方案，消除反应气体供给延迟及
温度调节缓慢对电堆耐久性测试结果不准确的影响。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种燃料电池电堆耐久性加速测试装置。
10.本实用新型是这样实现的，一种燃料电池电堆耐久性加速测试装置，设置有与燃料电池电堆通过管路连通的高压空气源、氮气源和高压氢气源，以及电子负载和电化学工作站；
11.所述高压空气源与燃料电池电堆之间的管路依次连接有第一三通阀门、第一减压阀、第一压力传感器、第一过滤器、空气流量控制器、第一流量传感器、第一旁通阀门、第一加湿器、第一温度传感器和第一湿度传感器；
12.所述高压氢气源与燃料电池电堆之间的管路依次连接有第二三通阀门、第二减压阀、第二压力传感器、第二过滤器、多喷嘴氢喷射器、第二流量传感器、第二旁通阀门、第二加湿器、第二温度传感器和第二湿度传感器，所述燃料电池电堆通过氢气回收系统与第二三通阀门连通；
13.所述第一三通阀门与第二三通阀门之间通过管路连接，所述氮气源通过连接管路与第一三通阀门和第二三通阀门连接
14.所述燃料电池电堆通过管路与第一散热器和第二散热器连接，所述第一散热器的输出端依次通过第一冷却剂储存箱、第一阀门、加热器、第三温度传感器、电控循环水泵与燃料电池电堆连接，所述第二散热器的输出端依次通过第二冷却剂储存箱、第二阀门、第一阀门、加热器、第三温度传感器、电控循环水泵与燃料电池电堆连接。
15.进一步，所述第一旁通阀门与第一温度传感器之间连通有第一旁通管道，所述第二旁通阀门与第二温度传感器之间连通有第二旁通管道，所述第二阀门和加热器之间连通有第三旁通管道。
16.进一步，所述第一散热器和第二散热器分别连接有第一电子风扇和第二电子风扇。
17.进一步，所述高压空气源、氮气源和高压氢气源分别通过管路连接有第一手动安全阀门、第二手动安全阀门和第三手动安全阀门。
18.进一步，还设置有数据采集及控制系统，所述数据采集及控制系统通过连接线路与各个检测器组和电子负载、电化学工作站、报警装置连接，报警装置与燃料电池电堆连接。
19.结合上述的所有技术方案，本实用新型所具备的优点及积极效果为：
20.(1)现有燃料电池测试系统供气装置一般采用调压阀直接供给，并没有采用喷射器，不同于传统的调压阀的机械开度调节，喷射器是基于时间控制原理的元件，通过改变电磁阀开启的正时、占空比、频率、数量等，能够根据意愿对氢气的进气量进行调节，并具有优良的响应特性。
21.(2)在喷射器的基础上选择了多喷嘴喷射器，在阳极流量需求较少时，仅打开一个阀并给定较小的占空比，流量增大占空比也逐渐增大直至全开，若需求更大的流量，则依次开启多个阀。加速老化测试时进气量相比于一般的老化测试进气量要更大，多喷嘴氢喷射
器不仅解决了阳极气体动态跟随性的问题，也解决了在流量变化幅度大时气体供应的问题，使动态响应变得更为迅速和精准。
22.(3)由于阴极侧的流量要比阳极侧大很多，喷射器在这里并不适用，所以在阴极侧采用了其它办法，如阴极反应气体过量系数不低于2.5，这样就使实际供应的气体要比理论消耗的气体多很多，一定程度上缓解了气体响应滞后的问题，避免测试系统供应反应气体不足影响电堆耐久性测试结果。若需要考察反应气体供给对电堆耐久性的影响，调节阴极的过量系数即可。
23.(4)阴极侧空气流量控制器采用前馈调节的方法，当电流密度从低变高时，此时通过pid控制器进行前馈调节，提前10s输出流量的值，由于电堆运行工况是已知的，通过前馈调节的方法很好的解决了阴极气体响应滞后导致缺气的问题。
24.(5)采用高精度、高灵敏性的流量传感器监测反应气体流量，可以判断反应气体供给是否能够满足电堆加速测试的要求。
25.(6)本实用新型在温度控制系统中添加了加热装置，使之具有冷却剂加热功能。当燃料电池堆刚开始启动时，依靠燃料电池堆自身工作发热达到工作温度需要较长时间(尤其是在冬天)，会影响电堆的耐久性测试结果；当燃料电池根据耐久性测试要求需要从某工作温度提升到更高温度时，快速加热冷却剂也可以降低升温阶段对耐久性测试结果的影响。
26.(7)采用两套温度控制子系统的温度控制系统具有快速降温功能。温度对燃料电池电堆的耐久性同样会有影响，当需要考虑电堆由高温向低温工作时，可以将第一温度控制子系统关闭，启动第二温度控制子系统，实现快速降温功能。
27.(8)温度控制系统冷却剂冷却方式采用风冷，冷却剂经过散热器时由电子风扇对其进行冷却，散热器与冷却剂储存箱位于同一水平面同一高度，当电子风扇对散热器中的冷却剂进行散热时同样能够对冷却剂储存箱进行散热。
28.(9)温度控制系统的电子风扇和电控循环水泵工作时采用同步控制原则，达到快速降温的效果。
29.(10)当需要对冷却剂加热时，第三阀门43控制冷却剂直接流向水箱。不经过散热器，节省加热时间。
30.(11)所述报警装置可对电压波动和氢气泄漏进行检测，当检测到电压波动超过正常情况或氢气泄漏时进行报警，同时所述氮气供气系统不仅可对每一循环结束时进行吹扫，当报警装置报警时还可对燃料电池电堆进行吹扫，达到保护燃料电池电堆效果同时保证人身安全。
31.现有电堆测试技术主要针对稳态工况性能测试，在动态工况变化幅度不剧烈时，反应气体供给及电堆工作温度调节响应速度基本可以满足电堆耐久性测试的要求，但在电堆耐久性加速测试时，由于测试工况动态变化幅度及频率剧烈，反应气体供给及电堆工作温度调节的响应速度很难跟上，出现电堆缺气、温度过高或过低等现象，导致加速老化工况下的耐久性测试结果不准确。本实用新型采用多喷嘴氢喷射器控制阳极反应气体供给、空气流量控制器结合控制策略设计控制阴极反应气体供给、两套温度控制子系统的温度控制系统调节工作温度，实现加速老化工况下反应气体供给和电堆工作温度快速调节的功能，使本实用新型提出的燃料电池电堆耐久性加速测试系统能够用于加速老化测试，获得准确
的测试结果。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本实用新型实施例提供的燃料电池电堆耐久性加速测试装置结构示意图；
34.图中：1、高压空气源；2、第一三通阀门；3、第一减压阀；4、第一压力传感器；5、第一过滤器；6、空气流量控制器；7、第一流量传感器；8、第一旁通阀门；9、第一旁通管道；10、第一加湿器；11、第一温度传感器；12、第一湿度传感器；13、第一背压阀门；14、第一手动安全阀门；15、氮气源；16、第二手动安全阀门；17、高压氢气源；18、第二三通阀门；19、第二减压阀；20、第二压力传感器；21、第二过滤器；22、多喷嘴氢喷射器；23、第二流量传感器；24、第二旁通阀门；25、第二旁通管道；26、第二加湿器；27、第二温度传感器；28、第二湿度传感器；29、第二背压阀门；30、第三手动安全阀门；31、燃料电池电堆；32、电子负载；33、电化学工作站；34、报警装置；35、数据采集及控制系统；36、电控循环水泵；37、第三温度传感器；38、加热器；39、第一阀门；40、第一冷却剂储存箱；41、第一散热器；42、第一电子风扇；43、第三阀门；44、第三旁通管道；45、第二阀门；46、第二冷却剂储存箱；47、第二散热器；48、第二电子风扇；49、第四温度传感器；50、氢气回收系统。
35.图2是本实用新型实施例提供的基准工况示意图。
36.图3是本实用新型实施例提供的加速老化工况示意图。
37.图4是本实用新型实施例提供的控制系统原理图。
38.图5是本实用新型实施例提供的温度控制系统原理图。
具体实施方式
39.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
40.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种燃料电池电堆耐久性加速测试装置，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。
41.如图1所示，本实用新型实施例提供的燃料电池电堆耐久性加速测试装置设置有与燃料电池电堆31通过管路连通的高压空气源1、氮气源15和高压氢气源17，以及电子负载32和电化学工作站33；
42.高压空气源1与燃料电池电堆31之间的管路依次连接有第一三通阀门2、第一减压阀3、第一压力传感器4、第一过滤器5、空气流量控制器6、第一流量传感器7、第一旁通阀门8、第一加湿器10、第一温度传感器11和第一湿度传感器12；
43.高压氢气源17与燃料电池电堆31之间的管路依次连接有第二三通阀门18、第二减压阀19、第二压力传感器20、第二过滤器21、多喷嘴氢喷射器22、第二流量传感器23、第二旁通阀门24、第二加湿器26、第二温度传感器27和第二湿度传感器28，燃料电池电堆通过氢气
回收系统与第二三通阀门连通；
44.第一三通阀门2与第二三通阀门28之间通过管路连接，氮气源15通过连接管路与第一三通阀门2和第二三通阀门28连接
45.燃料电池电堆31通过管路与第一散热器41和第二散热器47连接，第一散热器41的输出端依次通过第一冷却剂储存箱40、第一阀门39、加热器38、第三温度传感器37、电控循环水泵36与燃料电池电堆31连接，第二散热器47的输出端依次通过第二冷却剂储存箱46、第二阀门45、第一阀门49、加热器38、第三温度传感器37、电控循环水泵36与燃料电池电堆31连接。
46.第一旁通阀门8与第一温度传感器11之间连通有第一旁通管道9，第二旁通阀门24与第二温度传感器27之间连通有第二旁通管道25，第二阀门和加热器之间连通有第三旁通管道。
47.第一散热器41和第二散热器47分别连接有第一电子风扇42和第二电子风扇48。
48.高压空气源1、氮气源15和高压氢气源17分别通过管路连接有第一手动安全阀门、第二手动安全阀门和第三手动安全阀门。
49.数据采集及控制系统35通过连接线路与各个检测器组和电子负载、电化学工作站、报警装置连接，报警装置34与燃料电池电堆连接。
50.第一检测器组包括第一减压阀3、第一压力传感器4、空气流量控制器、第一流量传感器7、第一加湿器10、第一温度传感器11、第一湿度传感器12。
51.第二检测器组包括第二减压阀19、第二压力传感器20、多喷嘴氢喷射器22、第二流量传感器23、第二加湿器26、第二温度传感器27、第二湿度传感器28。
52.第三检测器组包括第三温度传感器37、第四温度传感器49。第四检测器组为报警装置。温度控制系统包括电控循环水泵36、加热器38、第三温度传感器37、第一阀门39、第一冷却剂储存箱40、第一散热器41、第一电子风扇42、第二阀门45、第二冷却剂储存箱46、第二散热器47、第二电子风扇48、第三阀门43、第三旁通管道44、第四温度传感器49。
53.第一散热器41、第一电子风扇42、第一冷却剂储存箱40、第三阀门43、第三旁通管道44为第一温度控制子系统；第二散热器47、第二电子风扇48、第二冷却剂储存箱46为第二温度控制子系统。
54.燃料电池电堆耐久性测试耗时耗力且试验成本很高，现有测试若想较为贴合实际情况，电子负载所采用循环工况一般是根据燃料电池汽车实际运行数据提炼得到的(以下称为基准循环工况)。为了减少耐久性试验的持续时间，加速燃料电池的衰减速度，降低试验成本，在测试时可采用加速老化测试工况。加速老化测试工况可以根据老化机理设计并通过老化模拟器进行计算分析，最终得到对应加速倍数的加速老化测试工况，既节省了时间又能达到相同的老化效果。
55.当燃料电池运行时首先进行氮气吹扫，此时第一三通阀门2、第二三通阀门18关闭氢气空气通道，氮气吹扫完成后燃料电池正式运行。空气由高压空气源提供，首先经过第一三通阀门2、第一减压阀3、第一过滤器5、空气流量控制器、第一加湿器10至燃料电池电堆内部，最后通过第一背压阀门13排出尾气。同时氢气由高压氢气源提供，空气经过第二三通阀门18、第二减压阀19、第二过滤器21、多喷嘴氢喷射器22、第二加湿器26至燃料电池电堆31内部，在燃料电池电堆31阳极产生的尾气经过氢气回收系统回收，最终进入氢气支路。在一
个循环结束时，可选择是否氮气吹扫，若选择氮气吹扫，氮气由氮气源提供，经由第一三通阀门2、第二三通阀门18进入阳极和阴极，此时三通阀门关掉氢气和空气入口打开氮气入口，在经过流量控制器后，旁通阀门打开，经过旁通管道进入燃料电池电堆内部，阴极氮气尾气由第一背压阀门13排出，阳极氮气尾气由第二背压阀门29排出，此时氢气回收系统关闭。所述高压空气源，氮气源，高压氢气源都有手动安全阀门。
56.当燃料电池电堆运行时由于加速老化测试工况变化频率快，变化幅度大，此时需要对供气系统和温度控制系统进行跟随性更好的动态调控。在供气系统方面：数据采集及控制系统对电子负载工况变化进行监测和分析，由电子负载所需电流密度可以确定此时所需理论供气量，将理论供气量乘以过量系数即为所需实际供气量，此时将控制信号发送至空气流量控制器和多喷嘴氢喷射器，使气体供应量达到要求；电子负载所需电流密度变化，气体供应量也随之变化。阳极侧多喷嘴氢喷射器能够实现较好的动态响应效果，在阴极侧为了避免因工况快速变化导致缺气情况的产生，做了如下几点改进：1)现有实验中阴极侧一般采用的过量系数为1.5
‑
2.5，为了减缓缺气的情况，采用不低于2.5的过量系数；2)当工况电流密度由低向高转变时，采用前馈调节方法，提前10s进行气体流量的转变。在温度控制系统方面：冷却剂由电控循环泵驱动进入燃料电池电堆内部的冷却剂通道，冷却剂由第一冷却剂储存箱40提供，此时第二阀门45关闭。当需要对冷却剂进行加热，使电堆的温度快速达到工作需求时，加热器将冷却剂加热然后输送到燃料电池冷却剂流道中，此时第三阀门43关闭，冷却剂不经过散热器直接经过第三旁通管道44进入电堆，电子风扇关闭。当不需要对冷却剂进行加热时，加热器不工作，此时第三阀门43打开，冷却剂经过散热器，电子风扇打开。第四温度传感器49测量的温度默认为燃料电池电堆工作温度，第三温度传感器37测量的温度为冷却剂进入燃料电池电堆31温度。加速老化实验同样需要考虑到温度对电堆耐久性的影响，当需要对电堆进行降温时，关闭第一阀门39和第一电子风扇42，打开第二阀门45与第二电子风扇48，此时第二温度控制子系统的冷却剂温度和室温大致相同，可以达到快速降温的效果。
57.当燃料电池电堆出现氢气泄漏或不正常电压波动时，系统判定燃料电池电堆出现危险情况，报警装置报警，同时系统切断氢气和空气的供应，打开氮气通道对燃料电池电堆进行吹扫以保护燃料电池电堆。
58.电化学工作站可用于对燃料电池电堆老化情况进行测量和表征。
59.图2是本实用新型实施例提供的基准工况示意图。
60.图3是本实用新型实施例提供的加速老化工况示意图。
61.所有循环结束后切断氢气和空气供给，氮气吹扫完毕后系统进入关机状态。整个控制系统原理图如图4所示，温度控制系统的原理图如图5所示。
62.在本实用新型实施例中，测试系统气体供给随电子负载变化，为了减缓供给气体动态响应滞后的问题，使用多喷嘴氢喷射器供给氢气，同时由于阴极气体流量相对较大，不适合使用喷射器，故采用过量系数≥2.5和前馈调节方法供给气体；温度控制系统不仅能够实现加热功能同时也能实现快速降温功能。
63.在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是
指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
64.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。