CN102375122A - 中小功率质子交换膜燃料电池测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中小功率质子交换膜燃料电池测试系统，该系统由以下七个子系统组成：系统控制模块，电堆组件模块，阳极气体供应模块，阴极气体供应模块，水管理模块，电流采集模块，数据监测模块。阴极气体供应模块通过水管理模块进行增湿处理后，与阳极气体供应模块分别向电堆组件模块供应气体，系统控制模块、电流采集模块、数据检测模块分别对需要测试的燃料电池电堆进行整体的实时监控和各参数的数据采集等。本发明具有操作简便，灵活，测量结果准确，安全可靠等特点。

Description

中小功率质子交换膜燃料电池测试系统

技术领域：

本发明涉及到一种燃料电池测试系统，尤其涉及一种中小功率质子交换膜燃料电池测试系统。

背景技术：

随着不可再生资源频频告急，越来越多的国家提出“绿色能源新计划”，寻求能源新动力。燃料电池与传统能源相比，具有极高的能量装换效率，可从其他再生资源中提取氢，使用无污染等特点。为此，全世界许多国家投入大量的人力和财力去开发研究。

燃料电池一般分为碱性燃料电池，磷酸燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池，质子交换膜燃料电池及直接甲醇燃料电池等。其中质子交换膜燃料电池属于低温燃料电池，近年发展迅速。质子交换膜燃料电池是以全氟磺酸型离子交换膜为电解质，以Pt/C为电催化剂，氢气或重整气为燃料，空气或氧气为氧化剂，将化学能直接转为电能的装置。工作时向阳极供给燃料，向阴极供给氧化剂。氢在阳极分解成正离子H⁺和电子e^-。氢离子穿过质子交换膜进入阴极中，而电子则沿外部电路移向阴极。用电的负载就接在外部电路中。在阴极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种″发电机″。

因为燃料电池本身是一个非常复杂的物理化学过程，其输入输出也是不同类型的物理量，所以燃料的物理状态：温度，湿度，纯度，压力等，电气负载，热负荷以及周围环境的条件都会影响燃料电池的工作状态。因此一个实用的燃料电池，必须具备精确检测和控制这些物理量的性能。即燃料电池系统是研究生产氢能源-燃料电池的必备设备，能方便获得燃料电池理化性能和产品参数。而现有的测试系统存在可调节的参数少，成本高，安全性差等问题。

发明内容：

本发明针对目前技术存在的不足和缺陷，提供一种用于给中小型功率质子交换膜燃料电池进行测试的系统。本发明具有较大的灵活性，可根据实验要求控制多种运行参数，测量结果准确，操作简单，安全可靠，可满足中小型功率质子交换膜燃料电池性能测试的需要。

为实现上述目的，本发明提供一种中小功率燃料电池测试系统，其采用如下设计方案：

一种质子交换膜燃料电池测试系统，包括系统控制模块，电堆组件模块，阳极气体供应模块，阴极气体供应模块，水管理模块，电流采集模块，数据监测模块。

该系统首先由阴极气体供应模块通过水管理模块进行增湿处理后，与阳极气体供应模块分别向电堆组件模块供应气体，系统控制模块、电流采集模块、数据检测模块分别对需要测试的燃料电池电堆进行整体的实时监控，包括电流、单片电压和总电压，反应气体的温度，湿度，压力以及氢气尾气的脉冲释放、散热风扇的开启和关闭等；以及测试过程中对各种性能参数的数据采集。

其中所述的系统控制模块根据燃料电池的运行条件，按照程序设定的模式总体控制测试设备的各种状态。其包含有燃料电池电堆温度的控制装置和温度探头，实时感应被测电堆的实体温度情况，并将探测到的温度信号转化为电信号反馈回系统控制模块，总系统会根据得到的反馈信号和系统设定的温度上限值，向燃料电池电堆散热用风扇的控制装置下达指令，该装置会根据电堆的实时温度控制散热风扇的开启和关闭以及调节其开启度，实现整体系统的散热控制。该系统还包括燃料电池氢气尾气脉冲释放的控制装置，根据系统程序设定情况控制氢气尾气脉冲释放，还可根据需要设定脉冲释放的时间。还包括后台程序运行和计算机联网监控装置，对整体测试系统设定运行程序，并将所有数据存档于数据库中以备研究使用。

其中所述的电堆组件模块包括质子交换膜燃料电池，燃料电池支撑装置，电堆与支撑台之间放置供电堆运行过程中散热的风扇。该风扇与燃料电池电堆之间要进行严格的密封，保证风扇的散热效率，其所用风扇的规格型号需根据燃料电池功率的大小进行选择。此模块还包括阴极、阳极气体进出的气体通路接口，燃料电池电堆测温点等，与其他模块进行衔接组合。

所述的阳极气体供应模块包含有氢气减压阀，氢气转子流量计，气体压力检测仪，热电偶测温仪，手动放氢阀，电磁阀，氢气尾气积水装置以及氮气吹扫支路，氮气吹扫支路通过三通接头与氢气供应管路连接。接收系统控制模块下达的数据信号，通过电磁阀控制氢气的供应压力和流量，保证测试过程中所需的氢气供应，并在接通氢气之前先开启氮气吹扫之路进行气路内的气体吹扫，保证供应气体的纯度提高安全系数。

所述的阴极气体供应模块包含有空气减压阀，空气转子流量计，气体增湿器，气体压力检测仪，热电偶测温仪以及氧气供应支路，氧气供应支路通过三通接头与空气供应管路连接。同样根据程序设定情况接收系统控制模块下达的数据信号，通过电磁阀控制空气的供应压力和流量，保证测试过程中所需的空气供应。如测试过程中需要使用氧气，则可以通过氧气供应支路来进行供应。

所述的水管理模块包含有水罐，膜增湿器，磁力水泵。水罐采用透明材质做成，方便观察水位高度，水罐上设有加热棒，测温热电偶，补水口。首先利用加热棒将水罐中的水加热至所需的温度，利用磁力水泵将水泵入到膜增湿器中，另一方面将需要增湿的气体通入膜增湿器进行气液的增湿交换，出口气体便可以通入电堆组件模块。

所述的电流采集模块包含燃料电池专用电子负载，用于采集燃料电池运行过程中产生的电流情况，将专用电子负载的数据采集线连接在电堆的集电板上，根据需要通过系统控制模块对电子负载设定运行值，为待测的燃料电池电堆提供运行负载，并将收集到的电流值作为信号反馈给总的系统控制模块。

此外所述的数据监测模块包含有单片电压、总电压以及各种物理参数的采集装置，可以对整个测试系统的每一个模块进行各种数据采集，包括氢气、空气进出口的压力，温度，湿度，以及燃料电池电堆运行过程中的温度，输出电流，输出电压等数据，并通过电子信号的形式反馈给系统控制模块，由总的系统进行实时监控与数据的运算。

附图说明：

附图是中小功率质子交换膜燃料电池测试系统结构框图

图中，1-球阀，2-空气减压阀，3-空气转子流量计，4-压力检测仪与测温热电偶，5-氢气转子流量计，6-氢气减压阀，7-控制装置，8-氢气手动放空球阀，9-电磁阀，10-氢气尾气积水装置，11-水罐，12-磁力水泵，13-散热风扇，14-温度探头，15-加热棒，16-测温热电偶。

具体实施方式：

结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1

参见附图，首先所有的设备通电启动，通过系统控制模块设定燃料电池的运行条件，编制完整的运行程序，各个模块采用接受数字信号的形式控制电子元器件工作。其中所述阴极气体供应模块，其包括空气进口和氧气供应支路，且采用并联方式，灵活选择供应气体的类型。可根据需要通过开关球阀控制通入气体的类型，通过三通接头将气体供应管路连接入空气减压阀2，再经过空气转子流量计3通过不同要求来控制通入气体的具体流量。为了保证反应的气体保持一定的湿度，气体需进行增湿处理。

通过所述的水管理模块，可进行所需的气体增湿处理。其通过加热棒15对玻璃水罐11中注入的水进行加热，通过测温热电偶16来监控水温，调节在55℃左右，通过磁力水泵12将水罐11中的水泵入膜增湿器中，剩余的水直接流回水罐11，形成循环回路。需要增湿的气体通入膜增湿器的入口，经过增湿后从出口通向电堆的阴极气体入口进入电堆。水罐11中的水位会随着循环逐渐降低，可以通过补水口向其中补充纯净水。

另一方面阳极供应气体模块，其包括氢气进口和氮气吹扫支路，同样采用并联方式通过球阀控制气体，并通过三通接头与气体供应管路连接，通入氢气之前先开启氮气吹扫之路进行气路内的气体吹扫，保证供应气体的纯度提高安全系数。经过氢气减压阀6后经氢气流量计5，再通过压力检测仪与测温热电偶4后通向电堆阳极气体入口直接进入电堆。

经过测控温度和压力的两种气体进入被测试的燃料电池电堆中，一方面电流的收集通过电流采集模块完成，将电子负载连接在电堆的集电板上，通过计算机联网的数据监控模块来监控各种参数。当给电堆一定的负载，电堆开始工作，采集燃料电池电堆的单片电压及总压进而得知被测试电堆的运行功率。另一方面由控制装置7中的温度探头14检测电堆的温度，并反馈给控制装置7，以便其根据温度控制散热风扇13的开启度对燃料电池电堆进行散热，控制装置7还根据电堆的功率大小及其运行情况控制氢气尾气脉冲释放的时间。

从燃料电池电堆气体出口排出的氢气经过压力检测仪与测温热电偶后，分两条通路，一路经过电磁阀9及氢气尾气积水装置10，用来控制尾气脉冲释放并收集燃料电池电堆工作中产生并随尾气排放出的水，随后通过管路排放入大气。另一路通过氢气手动放空球阀8直接排入室外大气，特殊情况下可以人为的控制氢气尾气排放的时间与速度，操作简单方便。从燃料电池电堆气体出口排出的空气或氧气经过压力检测仪与测温热电偶后，直接排入大气。

测试结束后关闭气源，各设备断电停机，将数据监控模块保存的各种参数导出存档以备后用。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池测试系统，包括系统控制模块，电堆组件模块，阳极气体供应模块，阴极气体供应模块，水管理模块，电流采集模块，数据监测模块。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于所述的电堆组件模块包括质子交换膜燃料电池，燃料电池支撑装置，电堆与支撑台之间放置供电堆散热的风扇，根据燃料电池功率的大小来选择风扇型号，风扇与电堆之间要严格密封。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于所述的阳极气体供应模块包含有氮气吹扫支路，氮气吹扫支路通过三通接头与氢气供应管路连接。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于所述的阳极气体供应模块包含有氢气减压阀，氢气转子流量计，气体压力检测仪，热电偶测温仪，手动放氢阀，电磁阀，氢气尾气积水装置。

5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于所述的阴极气体供应模块包含有氧气供应支路，氧气供应支路通过三通接头与空气供应管路连接。

6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于所述的阴极气体供应模块包含有空气减压阀，空气转子流量计，气体增湿器，气体压力检测仪，热电偶测温仪。

7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于所述的水管理模块包含有水罐，膜增湿器，磁力水泵。水罐采用透明材质做成，方便观察水位高度，水罐上设有加热棒，测温热电偶，补水口。磁力水泵将水罐中的水送入到膜增湿器中，膜增湿器中进行气液的交换。

8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于所述的系统控制模块包含有温度探头，燃料电池电堆散热用风扇的控制，燃料电池电堆温度的控制，燃料电池氢气尾气脉冲释放时间的控制。通过温度探头测得电堆温度后反馈给控制系统，再由控制系统来控制散热用风扇的开启和关闭。

9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于所述的电流采集模块包含燃料电池专用电子负载。电子负载连接在电堆的集电板上，用来收集电流。

10.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测试系统，其特征在于所述的数据的监测模块包含单片电压、总电压以及各种物理参数的采集装置，包括进出口反应气体的压力，温度，湿度，以及燃料电池电堆运行过程中的温度，输出电流，输出电压等数据，计算机联网实时监控。

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