氢燃料电池测试系统的制作方法

1.本发明涉及测试技术领域，具体地，涉及一种氢燃料电池测试系统。


背景技术：

2.氢能源作为清洁无污染、来源广泛、储能密度高的二次能源，在能源危机日益紧迫下的今天受到广泛关注。燃料电池利用氢气氧气反应产生电能和水，具有发电效率高、环境污染小、可靠性高和废热易排出可循环再利用的优点。
3.燃料电池发动机主要由燃料电池电堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统和控制系统组成，燃料电池发动机运行的可靠性依赖于各子系统协调工作。在燃料电池发动机实际运行过程中，由于输出功率根据路况信息实时变化，各子系统之间需要协调功率匹配，在实际的发动机系统上进行反复的验证测试，既加重了企业负担，又增加系统开发周期。因此，进行燃料电池及氢气供给系统匹配的测试装置及测试方法的开发和研究对燃料电池行业具有十分重大的研究意义。


技术实现要素：

4.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
5.随着燃料电池反应的进行，部分氮气会穿过质子交换膜进入阳极，致使阳极氢含量下降，从而使燃料电池质子交换膜寿命降低；相关技术中氢燃料电池测试系统在测试结束后，燃料电池电堆内部空气中氢气的浓度较高，容易发生安全事故。
6.为此，本发明实施例提出一种氢燃料电池测试系统，该氢燃料电池测试系统具有安全性高的优点。
7.本发明实施例的氢燃料电池测试系统包括燃料电池电堆；氢气供给系统，所述氢气供给系统包括氢气瓶、第一温湿交换器、氢循环泵和氢浓度传感器，所述氢气瓶的出气端与所述第一温湿交换器的进气端连通，所述第一温湿交换器、所述氢循环泵和所述燃料电池电堆依次连通形成第一循环回路，所述氢浓度传感器与所述第一循环回路连通，且所述氢浓度传感器与所述第一循环回路连通处位于所述氢循环泵和所述燃料电池电堆之间；空气供给系统，所述空气供给系统与所述燃料电池电堆连通，以用于向所述燃料电池电堆供给空气；吹扫系统，所述吹扫系统与所述氢气供给系统连通，所述吹扫系统用于向所述燃料电池电堆中通入惰性气体以排出所述燃料电池电堆中氢气。
8.本发明实施例的氢燃料电池测试系统，设置有吹扫系统在实验结束后向所述燃料电池电堆中通入惰性气体以排出所述燃料电池电堆中氢气，从而具有安全性高的优点。
9.在一些实施例中，所述吹扫系统包括氮气瓶，所述氢气瓶的出气端与所述第一温湿交换器的进气端通过第一管路连通，所述氮气瓶的出气口与所述第一管路连通。
10.在一些实施例中，所述第一管路中依次设置有第一控制阀、减压阀和流量传感器，所述氮气瓶的出气口与所述第一控制阀的出气端相连，所述氮气瓶的出气口与所述第一控制阀的出气端设置有第二控制阀。
11.在一些实施例中，所述第一控制阀和所述第二控制阀均包括截止阀和比例电磁阀中的至少一种。
12.在一些实施例中，所述吹扫系统还包括泄压阀，所述泄压阀的进气端与第二控制阀的出气端相连。
13.在一些实施例中，所述氢燃料电池测试系统还包括散热系统，所述散热系统与所述燃料电池电堆相连，以对所述燃料电池电堆进行散热。
14.在一些实施例中，所述散热系统包括散热泵和散热器，所述散热泵、所述散热器和所述燃料电池电堆依次连通形成第二循环回路，所述第二循环回路与所述氢气供给系统相连，所述第二循环回路与所述空气供给系统相连。
15.在一些实施例中，所述氢燃料电池测试系统还包括加氢管路，所述加氢管路上设置有单向阀、第三截止阀和过滤装置，所述单向阀的出气端与所述第三截止阀的进气端相连，所述第三截止阀的出气端与所述过滤装置的进气端相连，所述过滤装置的出气端与所述氢气瓶的出气端相连。
16.在一些实施例中，所述氢燃料电池测试系统还包括可调负载，所述可调负载与所述燃料电池电堆的电源输出端相连。
17.在一些实施例中，所述氢燃料电池测试系统还包括电控系统，所述电控系统中设置有控制件，所述控制件与所述氢浓度传感器和所述氢循环泵连接。
附图说明
18.图1是本发明实施例的氢燃料电池测试系统的结构图；
19.图2是图1中a处的局部放大图；
20.图3是图1中燃料电池电堆处的局部放大图。
21.附图标记：
22.燃料电池电堆1；阴极进气口11；阴极排气口12；阳极进气口13；阳极排气口14；冷却液出口15；冷却液进口16；
23.氢气供给系统2；氢气瓶21；第一温湿交换器22；氢循环泵23；氢浓度传感器24；第一比例电磁阀25；第一控制阀26；第二比例电磁阀27；第一截止阀28；减压阀29；流量传感器210；第一循环回路201；第一支路202；第一管路203；
24.吹扫系统3；氮气瓶31；第二控制阀32；第三比例电磁阀33；第二截止阀34；泄压阀35；第二支路301；第三支路302；
25.空气供给系统4；第二温湿交换器41；鼓风机42；
26.散热系统5；散热泵51；散热器52；第二循环回路501；
27.可调负载6；
28.加氢管路7；单向阀71；过滤装置72；第三截止阀73。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.如图1至图3所示，本发明实施例的氢燃料电池测试系统包括燃料电池电堆1、氢气
供给系统2、空气供给系统4和吹扫系统3。
31.氢气供给系统2包括氢气瓶21、第一温湿交换器22、氢循环泵23和氢浓度传感器24，氢气瓶21的出气端与第一温湿交换器22的进气端连通，第一温湿交换器22、氢循环泵23和燃料电池电堆1依次连通形成第一循环回路201，氢浓度传感器24与第一循环回路201连通，且氢浓度传感器24与第一循环回路201连通处位于氢循环泵23和燃料电池电堆1之间。
32.具体地，氢气瓶21设置有进气端和出气端，燃料电池电堆1包括阳极和阴极，燃料电池电堆1的阳极设置有用于排放燃料电池电堆1阳极尾气的阳极排气口14，氢气瓶21中存储有液态氢。氢循环泵23设置有进气口和出气口，氢循环泵23的进气口与燃料电池电堆1的阳极排气口14相连，氢循环泵23的出气口与第一温湿交换器22的进气端相连。
33.需要说明的是，氢循环泵23的进气口与燃料电池电堆1的阳极排气口14通过管道连通，在氢循环泵23的进气口与燃料电池电堆1的阳极排气口14之间的管路中设置有第一支路202，第一支路202上设置有氢浓度传感器24和第一比例电磁阀25，从燃料电池电堆1阳极排出的阳极尾气经过第一支路202排出。
34.由此，当氢浓度传感器24检测到阳极尾气中氢浓度较低时第一比例电磁阀25打开，使燃料电池电堆1阳极排出的阳极尾气经过第一比例电磁阀25排出，当氢浓度传感器24检测到排出的阳极尾气中氢浓度较高时第一比例电磁阀25关闭，打开氢循环泵23把含有较高浓度氢气的阳极尾气重新通入燃料电池电堆1中，减少了阳极尾气中的氢气，提高了氢气的利用率。
35.空气供给系统4与燃料电池电堆1连通，以用于向燃料电池电堆1供给空气。
36.具体地，空气供给系统4设置有进气口和出气口，燃料电池电堆1的阴极设置有用于排放燃料电池电堆1阴极尾气的阴极排气口12和用于将空气输入燃料电池电堆1的阴极进气口11，空气供给系统4把进气口处的空气过滤后输送至空气供给系统4的出气口，空气供给系统4的出气口与燃料电池电堆1的阴极进气口11相连。由此，空气供给系统4可以向燃料电池电堆1中通入空气作为阴极的反应物。
37.在一些实施例中，空气供给系统4包括鼓风机42和第二温湿交换器41，第二温湿交换器41包括介质输入端、介质输出端、进气端和出气端。鼓风机42的出气端与第二温湿交换器41的进气端相通，第二温湿交换器41的出气端与燃料电池电堆1的阴极进气口11相通，第二温湿交换器41的介质输入端与燃料电池电堆1的阴极排气口12相通。
38.由此，鼓风机42把空气从第二温湿交换器41的进气端输入第二温湿交换器41中，阴极排气口12排出的的阴极尾气经过第二温湿交换器41的介质输入端流入第二温湿交换器41中、经过第二温湿交换器41的介质输出端流出第二温湿交换器41。在燃料电池电堆1的阴极尾气经过第二温湿交换器41时，燃料电池电堆1的阴极尾气中的热量传递到从第二温湿交换器41的进气端流入的空气中把空气加热到最适宜的温度，随后被加热到适宜温度的空气经过阴极进气口11进入燃料电池电堆1的阴极作为阴极反应物参与反应。
39.吹扫系统3与氢气供给系统2连通，吹扫系统3用于向燃料电池电堆1中通入惰性气体以排出燃料电池电堆1中氢气。
40.具体地，惰性气体是氮气，即吹扫系统3中储存有氮气，吹扫系统3设置有出气端，吹扫系统3的出气端与氢气供给系统2相连。在燃料电池电堆1结束测试后，吹扫系统3中的氮气经过至少一部分的氢气供给系统2通路进入燃料电池电堆1中。由此，一方面吹扫系统3
可以定期将含有氮气的阳极尾气排除，延长燃料电池质子交换膜寿命；另一方面在试验结束后将燃料电池电堆1内部气体进行置换，避免氢气泄漏安全事故的出现。
41.在一些实施例中，吹扫系统3包括氮气瓶31，氢气瓶21的出气端与第一温湿交换器22的进气端通过第一管路203连通，氮气瓶31的出气口与第一管路203连通。
42.具体地，氮气瓶31中储存有液态氮气，氮气瓶31设置有进气口和出气口，第一管路203的一端与氢气瓶21的出气端连通，第一管路203的另一端与第一温湿交换器22连通。在第一管路203的中段设置有第二支路301，第二支路301的一端与第一管路203相通，第二支路301的另一端与氮气瓶31的出气口相通。由此，氮气瓶31中的氮气经过第二支路301进入第一管路203中，从而向氢气供给系统2中通入氮气。
43.在一些实施例中，第一管路203中依次设置有第一控制阀26、减压阀29和流量传感器210，氮气瓶31的出气口与第一控制阀26的出气端相连，氮气瓶31的出气口与第一控制阀26的出气端之间设置有第二控制阀32。
44.具体地，第一控制阀26用于开闭氢气瓶21的出气端，第二控制阀32用于开闭氮气瓶31的出气口。第一控制阀26的进气端与氢气瓶21的出气端相通，第一控制阀26的出气端与减压阀29的进气端相通，第二控制阀32的进气端与氮气瓶31的出气口相通，第二控制阀32的出气端与第一控制阀26的出气端相通。
45.需要说明的是，第一控制阀26控制氢气流入氢气供给系统2，第二控制阀32控制吹扫系统3中的氮气从氮气瓶31的出气口进入氢气供给系统2。氢气和氮气都经过减压阀29和流量传感器210进入第一温湿交换器22和燃料电池电堆1中，在氢气和氮气经过减压阀29和流量传感器210时，减压阀29调整气体的最大压力，使氢气和氮气以适宜的压力进入第一温湿交换器22和燃料电池电堆1中，流量传感器210检测流入第一温湿交换器22和燃料电池电堆1中的氮气和氢气的流量。
46.由此，一方面减压阀29能够调节进入第一循环回路201的气体的最大压力，从而调节进入燃料电池电堆1中气体的最大压力；另一方面流量传感器210可以监测进入燃料电池电堆1中氢气和氮气的量，在测试氢燃料电池时能够获得准确的反应物输入量的信息。
47.在一些实施例中，第一控制阀26包括第一截止阀28和第二比例电磁阀27中的至少一种，第二控制阀32包括第二截止阀34和第三比例电磁阀33中的至少一种。
48.具体地，第一控制阀26设置有进气端和出气端，第二控制阀32设置有进气端和出气端。第一控制阀26的进气端设置有第一截止阀28、第一控制阀26的出气端设置有第二比例电磁阀27；第二控制阀32的进气端设置有第二截止阀34、第二控制阀32的出气端设置有第三比例电磁阀33。由此，手动开闭的第一截止阀28可视为第二比例电磁阀27的手动保险、手动开闭的第二截止阀34可视为第三比例电磁阀33的手动保险。从而降低了氢气供给系统2和吹扫系统3泄漏的风险，提高了安全性。
49.在一些实施例中，吹扫系统3还包括泄压阀35，泄压阀35的进气端与第二控制阀32的出气端相连。
50.具体地，第二支路301的中段设置有第三支路302，第三支路302的一端与第二支路301相通，第三支路302的另一端与泄压阀35的进气口相通。由此，第二支路301与第三支路302相通，当氮气瓶31中储存的高压氮气在流经第二支路301时，第三支路302中的压力与第二支路301相同，泄压阀35在第二支路301和第三支路302中氮气压力过高时自动打开，从而
限制吹扫系统3工作时第二支路301中氮气的最高压力.由此，在吹扫系统3工作时，第二支路301和氢气供给系统2中的氮气压力始终低于氢气供给系统2的最大允许压力，提高了吹扫系统3工作时的安全性。
51.在一些实施例中，氢燃料电池测试系统还包括散热系统5，散热系统5与燃料电池电堆1相连，以对燃料电池电堆1进行散热。
52.具体地，燃料电池电堆1中采用蒸馏水为冷却液，燃料电池电堆1设置有冷却液进口16和冷却液出口15，散热系统5的一端与冷却液进口16相通，散热系统5的另一端与冷却液出口15相通。由此，冷却液从冷却液出口15流入散热系统5中，从冷却液进口16进入燃料电池电堆1中，从而把燃料电池电堆1中多余的热量带出并通过散热系统5把冷却液的热量散失在空气中。
53.在一些实施例中，散热系统5包括散热泵51和散热器52，散热泵51、散热器52和燃料电池电堆1依次连通形成第二循环回路501，第二循环回路501与氢气供给系统2相连，第二循环回路501与空气供给系统4相连。
54.具体地，散热泵51的进口与冷却液出口15相通，散热泵51的出口与散热器52的进口相通，散热器52的出口与冷却液进口16相通。需要说明的是，冷却液依次经过燃料电池电堆1、散热泵51和散热器52循环流动。散热泵51的出口与第一温湿交换器22相通，冷却液作为第一温湿交换器22的加热加湿介质对流经第一温湿交换器22的氢气加热加湿。散热泵51的出口还与第二温湿交换器41相通，冷却液作为第二温湿交换器41的加湿介质对流经第二温湿交换器41的空气加湿。
55.由此，使用的冷却液对流入燃料电池电堆1中的氢气和空气加热和加湿，一方面循环利用燃料电池电堆1中产生的热量，另一方面燃料电池电堆1中反应生成物中的水注入冷却液中作为燃料电池电堆1反应物的加湿剂，实现了生成物的循环利用。
56.在一些实施例中，氢燃料电池测试系统还包括加氢管路7，加氢管路7上设置单向阀71、第三截止阀73和过滤装置72，单向阀71的出气端与第三截止阀73的进气端相连，第三截止阀73的出气端与过滤装置72的进气端相连，过滤装置72的出气端与氢气瓶21的出气端相连。
57.具体地，加氢管路7设置有进气端和出气端，加氢管路7的进气端与稳定的氢气源相连，加氢管路7的出气端与第一管路203相接，单向阀71设置有进气端和出气端，单向阀71的进气端即为加氢管路7的进气端，单向阀71的出气端与第三截止阀73的进气端相连，第三截止阀73的出气端与过滤装置72的进气端相连，过滤装置72的出气端即为加氢管路7的出气端。
58.需要说明的是，加氢管路7用于在氢气瓶21无法提供稳定的氢气流时，通过独立的氢源为氢燃料电池测试系统提供氢气。单向阀71具有单向导通反向截止的作用，从而使加氢管路7只能向氢气供给系统2中加入氢气，防止氢气供给系统2中的气体从加氢管路7中泄漏。
59.由此，在更换氢气瓶21时，加氢管路7代替氢气瓶21通过至少一部分的氢气供给系统2向燃料电池电堆1中通入空气，在氢燃料电池测试系统工作时提高了氢气供给的稳定性。
60.在一些实施例中，氢燃料电池测试系统还包括可调负载6，可调负载6与燃料电池
电堆1的电源输出端相连。
61.具体地，燃料电池电堆1中设置有电源输出端，电源输出端用于把燃料电池电堆1中产生的电能经过调制后作为电源输出，可调负载6与燃料电池电堆1的电源输出端相连，可调负载6用于以燃料电池电堆1为电源，测试不同负载的工况下燃料电池电堆1的效率。
62.在一些实施例中，氢燃料电池测试系统还包括电控系统，电控系统中设置有控制件，控制件与氢浓度传感器24和氢循环泵23连接。
63.具体地，电控系统包括控制件和电路(图中未示出)，控制件通过电路与上述任一实施例中至少一部分的氢浓度传感器24、第一比例电磁阀25、第二比例电磁阀27、流量传感器210、第三比例电磁阀33、散热泵51和氢循环泵23相连。由此，电控系统适于检测氢燃料电池测试系统在工作时各个部件的工况，并根据氢燃料电池测试系统各个部件的工况控制氢燃料电池测试系统。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
65.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
66.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。