一种燃料电池电堆的模拟装置的制作方法

1.本发明涉及到燃料电池技术领域，尤其涉及到一种燃料电池电堆的模拟装置。


背景技术：

2.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。
3.然而上述的两种方式都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：

4.本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆的模拟装置，用于解决上述技术问题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种燃料电池电堆的模拟装置，包括冷却模拟模块、氢气模拟模块和空气模拟模块，其中，
7.所述冷却模拟模块包括冷却液管道，所述冷却液管道上设有两个第一温压一体传感器和设于两所述第一温压一体传感器之间的第一加热器和第一阻力器；
8.所述氢气模拟模块包括氢气主管路和与所述氢气主管路并联设置氢气支管路，所述氢气主管路上设有第一氢气质量流量计和第二加热器，所述氢气支管路上设有第一开度调节阀和第二氢气质量流量计，所述氢气主管路上与所述氢气支管路并联的部分设有第一背压阀；
9.所述空气模拟模块包括空气主管路和与所述空气主管路并联设置的空气支管路，其中，所述空气主管路上设有第一空气质量流量计、湿度传感器和设于所述第一空气质量流量计与所述湿度传感器之间的加湿模块，所述空气支管路上设有第二空气质量流量计。
10.作为优选，所述加湿模块包括设于所述空气主管路上的加湿器和汽水分离器，其中，所述汽水分离器设于所述加湿器靠近所述湿度传感器的一侧。
11.作为进一步的优选，还包括排水电磁阀和水箱，所述汽水分离器连接所述水箱，所述汽水分离器与所述水箱之间连接的管路上设有所述电磁阀。
12.作为进一步的优选，还包括进水管和排水管，所述加湿器与所述水箱之间通过所述进水管和所述排水管连接，其中，所述进水管上设有水泵和第三加热器，所述第三加热器位于所述水泵远离所述水箱的一侧。
13.作为进一步的优选，还包括设于所述进水管上的第二开度调节阀和第二温压一体传感器，所述第二开度调节阀和所述第二温压一体传感器设于所述第三加热器远离所述水
泵的一侧。
14.作为进一步的优选，还包括出水管路，所述出水管路与所述进水管连接，所述出水管路上设有第三开度调节阀和流量计。
15.作为进一步的优选，所述氢气模拟模块还包括第一开关电磁阀和第三温压一体传感器，所述氢气主管路上设有所述第一开关电磁阀，且所述第一开关电磁阀位于所述第一氢气质量流量计远离所述第二加热器的一侧，所述氢气主管路与所述氢气支管路并联的部分设有所述第三温压一体传感器。
16.作为优选，所述空气模拟模块还包括第二开关电磁阀和第二背压阀，所述空气主管路上设有所述第二开关电磁阀，且所述第二开关电磁阀位于所述第一空气质量流量计远离所述加湿模块的一侧，所述空气主管路上与所述空气支管路并联的部分设有所述第二背压阀。
17.作为优选，所述空气模拟模块还包括压力传感器，所述空气主管路上与所述空气支管路并联的部分还设有所述压力传感器。
18.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
19.本发明中的冷却模拟模块、氢气模拟模块和空气模拟模块能够精确的模拟出电堆在发电过程中的发热、阻力降，电堆氢气的消耗、温度、压力及电堆空气的消耗、温度、压力、湿度以及水的生成；且冷却模拟模块、氢气模拟模块和空气模拟模块均能够互相独立工作，可用于燃料电池发电系统的整体测试，也可用于燃料电池各子系统的单独测试。
附图说明
20.图1是本发明中燃料电池电堆的模拟装置的结构示意图。
21.图中：1、冷却模拟模块；101、冷却液管道；102、第一温压一体传感器；103、第一加热器；104、第一阻力器；105、第四开度调节阀；2、氢气模拟模块；201、氢气主管路；202、氢气支管路；203、第一开关电磁阀；204、第五开度调节阀；205、第一氢气质量流量计；206、第四温压一体传感器；207、第二加热器；208、第一开度调节阀；209、第二氢气质量流量计；210、第六开度调节阀；211、第一背压阀；212、第三温压一体传感器；3、空气模拟模块；301、空气主管路；302、空气支管路；303、第二开关电磁阀；304、第八开度调节阀；305、第一空气质量流量计；306、第五温压一体传感器；307、加湿器；308、汽水分离器；309、湿度传感器；310、第七开度调节阀；311、第二空气质量流量计；312、第九开度调节阀；313、第二背压阀；314、压力传感器；315、水箱；316、水泵；317、第三加热器；318、第二开度调节阀；319、第二温压一体传感器；320、出水管路；321、第三开度调节阀；322、流量计。
具体实施方式
22.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所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发明和简化描述，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发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.图1是本发明中燃料电池电堆的模拟装置的结构示意图，请参见图1所示，示出了一种较佳的实施例，示出的一种燃料电池电堆的模拟装置，包括冷却模拟模块1、氢气模拟模块2和空气模拟模块3，其中，
26.冷却模拟模块1包括冷却液管道101，冷却液管道101上设有两个第一温压一体传感器102和设于两第一温压一体传感器102之间的第一加热器103和第一阻力器104。本实施例中，还包括第四开度调节阀105，且第四开度调节阀105设于冷却液管道101上。如图1所示，冷却液管道101具有进液口和出液口，其中，冷却液管道101的一端为进液口，冷却液管道101的另一端为出液口，第四开度调节阀105位于第一加热器103靠近进液口的一侧，且其中一个第一温压一体传感器102位于第四开度调节阀105与第一加热器103之间，第一阻力器104位于第一加热器103远离进液口的一侧。本实施例中，第四开度调节阀105用于调节冷却液在冷却液管道101的流动速度，位于第四开度调节阀105与第一加热器103之间的第一温压一体传感器102用于测量冷却液初始状态下的温度以及压力，而第一加热器103用于模拟电堆的产热，第一阻力器104用于调节冷却液的阻力降，另外一个第一温压一体传感器102用于检测反应完成后的冷却液的温度及压力，通过第四开度调节阀105、第一温压一体传感器102第一加热器103和第一阻力器104的设置，能够精确的模拟出电堆的发热和阻力降。
27.氢气模拟模块2包括氢气主管路201和与氢气主管路201并联设置氢气支管路202，氢气主管路201上设有第一氢气质量流量计205和第二加热器207，氢气支管路202上设有第一开度调节阀208和第二氢气质量流量计209，氢气主管路201上与氢气支管路202并联的部分设有第一背压阀211。本实施例中，如图1所示，氢气主管路201的一端为氢气进口，另一端为氢气出口，其中，第一氢气质量流量计205位于第二加热器207靠近氢气进口的一侧，在第一氢气质量流量计205和第二加热器207之间还设有第四温压一体传感器206，在氢气主管路201上还设有第五开度调节阀204，且第五开度调节阀204位于第一氢气质量流量计205靠近氢气进口的一侧。在氢气主管路201上还设有第六开度调节阀210，且开度调节阀位于氢气主管路201上与氢气支管路202并联的部分，第六开度调节阀210位于第一背压阀211远离氢气出口的一侧。如图1所示，氢气支管路202的两端与氢气主管路201连接，其中，氢气支管路202的一端与第二加热器207与第六开度调节阀210之间的氢气主管路201连接，而氢气支管路202的另一端与第三温压一体传感器212远离第一背压阀211一侧的氢气主管路201连接。本实施例中，氢气由氢气进口进入到氢气主管路201内，第五开度调节阀204用于控制氢气的流量的大小，而第一氢气质量流量计205用于检测氢气的总质量，第四温压一体传感器206用于检测氢气在初始状态下的温度及压力，第二加热器207用于控制氢气的温度。而氢气支管路202用于电堆消耗的氢气，其余未消耗的氢气由氢气出口排出。第二氢气质量流量
计209用于检测氢气消耗的质量，第三温压一体传感器212用于检测剩余的氢气的温度及压力。第一背压阀211用于提供背压，模拟电堆氢气侧工作压力和阻力。本实施例中，通过氢气模拟模块2的设置，可以精确的模拟出电堆中氢气的消耗、温度、压力以及阻力降等。
28.空气模拟模块3包括空气主管路301和与空气主管路301并联设置的空气支管路302，其中，空气主管路301上设有第一空气质量流量计305、湿度传感器309和设于第一空气质量流量计305与湿度传感器309之间的加湿模块，空气支管路302上设有第二空气质量流量计311。如图1所示，本实施例中的空气主管路301的一端为空气进气口，另一端为空气出气口，第一空气质量流量计305设于加湿模块靠近空气进气口的一侧。而加湿模块用于为空气加湿，能够控制氢气的湿度，第一空气质量流量计305用于检测空气的总质量，湿度传感器309用于检测加湿后的空气的湿度，空气支管路302用于模拟消耗的空气(氧气)，第二空气质量流量计311用于检测消耗的空气的质量。其中，空气支管路302位于湿度传感器309远离空气进气口的一侧。在空气支管路302上还设有第七开度调节阀310，空气主管路301上设有第八开度调节阀304、第五温压一体传感器306和第九开度传感器，第八开度调节阀304位于第一空气质量流量计305远离湿度传感器309的一侧，第八开度调节阀304位于第二开关电磁阀303与第一空气质量流量计305之间，第九开度传感器位于空气主管路301与空气支管路302并联的部分。本实施例中的空气模拟模块3能够精确的模拟出电堆对空气的消耗、温度、压力、湿度、水生成以及阻力降。本实施例中的冷却模拟模块1、氢气模拟模块2和空气模拟模块3均可安装在同一个箱体内使用。
29.进一步，作为一种较佳的实施方式，加湿模块包括设于空气主管路301上的加湿器307和汽水分离器308，其中，汽水分离器308设于加湿器307靠近湿度传感器309的一侧。如图1所示，汽水分离器308位于加湿器307与湿度传感器309之间，其中，加湿器307用于为空气加湿，而汽水分离器308用过滤加湿后的空气中的水分，可以通过汽水分离器308控制加湿后的空气的湿度。
30.进一步，作为一种较佳的实施方式，还包括排水电磁阀和水箱315，汽水分离器308连接水箱315，汽水分离器308与水箱315之间连接的管路上设有电磁阀。
31.进一步，作为一种较佳的实施方式，还包括进水管和排水管，加湿器307与水箱315之间通过进水管和排水管连接，其中，进水管上设有水泵316和第三加热器317，第三加热器317位于水泵316远离水箱315的一侧。本实施例中，如图1所示，汽水分离器308与水箱315之间之间的管路与排水管连接，汽水分离器308对加湿后的空气进行水汽分离后，分离出的水进入到排水管，并由排水管进入水箱315。而水泵316用于将水箱315内的水送入加湿器307内，实现水的循环利用。而第三加热器317用于对进入加湿器307的水进行加热，使得进入加湿器307的水具有一定的温度，便于实现空气的温度的控制。
32.进一步，作为一种较佳的实施方式，还包括设于进水管上的第二开度调节阀318和第二温压一体传感器319，第二开度调节阀318和第二温压一体传感器319设于第三加热器317远离水泵316的一侧。第二温压一体传感器319用于检测进入加湿器307的水的温度及压力，而第二开度调节阀318用于控制水的压力。
33.进一步，作为一种较佳的实施方式，还包括出水管路320，出水管路320与进水管连接，出水管路320上设有第三开度调节阀321和流量计322。本实施例中，如图1所示，出水管路320的一端与进水管连接，出水管路320用于模拟水的生成。流量计322用于检测水的流
量。
34.进一步，作为一种较佳的实施方式，氢气模拟模块2还包括第一开关电磁阀203和第三温压一体传感器212，氢气主管路201上设有第一开关电磁阀203，且第一开关电磁阀203位于第一氢气质量流量计205远离第二加热器207的一侧，氢气主管路201与氢气支管路202并联的部分设有第三温压一体传感器212。本实施例中，第一开关电磁阀203用于控制氢气主管路201的开启，第三温压一体传感器212用于检测未反应的氢气的温度和压力。第三温压一体传感器212位于第一背压阀211靠近氢气出口的一侧。
35.进一步，作为一种较佳的实施方式，空气模拟模块3还包括第二开关电磁阀303和第二背压阀313，空气主管路301上设有第二开关电磁阀303，且第二开关电磁阀303位于第一空气质量流量计305远离加湿模块的一侧，空气主管路301上与空气支管路302并联的部分设有第二背压阀313。本实施例中，第二开关电磁阀303用于控制空气主管路301的开启或关闭，第二背压阀313用于提供背压，模拟电堆空气侧工作压力和阻力。本实施例中，第二背压阀313位于第九开度调节阀312靠近空气出气口的一侧。
36.进一步，作为一种较佳的实施方式，空气模拟模块3还包括压力传感器314，空气主管路301上与空气支管路302并联的部分还设有压力传感器314。本实施例中，压力传感器314用于检测未参加反应的空气的压力。其中，压力传感器314位于第二背压阀313开进空气进气口的一侧。
37.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。