一种用于测试燃料电池的气水分离器性能的装置及测试方法与流程

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其是涉及一种用于测试燃料电池的气水分离器性能的装置及测试方法。


背景技术：

2.不同于普通燃油车，燃料电池汽车使用的燃料气体——氢气，一般使用高压容器管来进行存储。储氢量受限于目前的技术条件，同时环境条件也会有一定的影响。为了在不改变储氢容器数量和容积的情况下使燃料电池汽车的行驶里程足够远，提高氢气利用率是一种有效的方法。
3.为了提高氢气利用率，未反应完全的氢气会先经过气水分离器，再经过引射器或氢气循环泵进行循环利用，这其中气水分离器负责将氢气尾气中多余的水分排出，避免燃料电池阳极侧“水淹”。
4.现阶段国内的气水分离器大都还处在性能试验阶段，如何开发性能优良的气水分离器需要依靠试验设备来对其进行试验验证。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种测试装置，该测试装置可以测试燃料电池专用的气水分离器的水气分离性能和气水分离器的流量与压力范围，为后期匹配电堆做前期性能准备。
6.为了解决上述技术问题，本技术的实施例首先提供了一种用于测试燃料电池的气水分离器性能的装置，该装置包括：与待测气水分离器的进气口连通的进气管道；与待测气水分离器的出气口连通的出气管道；设置在所述进气管道的干气体进气部件、湿度调节部件和干湿气体混合腔室；设置在所述进气口处的检测进气气体的湿度、压力和流量的第一湿度传感器、第一压力传感器和流量传感器；设置在所述出气口处的检测出气气体的湿度、压力的第二湿度传感器和第二压力传感器，以及调节进气气体压力和流量的气体调节设备；控制器，其与所述干气体进气部件、湿度调节部件、气体调节设备和各个传感器连接，向干气体进气部件、气体调节设备和/或湿度调节设备发送控制信号以调节进气气体流量、压力和/或进气干湿度使其满足测试条件，且根据采集的湿度数值和压力数值来得到不同测试项目下的气水分离器的性能。
7.在一个实施例中，所述控制器，其根据在四种测试项目下预先设定的进气气体压力、流量和/或进气干湿度的测试允许范围，向干气体进气部件、气体调节设备和/或湿度调节设备发送控制信号，这四种测试项目包括：固定湿度下不同压力的测试；固定压力下不同湿度的测试；固定流量下不同湿度的测试；不同湿度和不同压力下的测试。
8.在一个实施例中，所述控制器，其利用第一湿度传感器和第二湿度传感器采集到的湿度数值的差值与第一湿度传感器采集的湿度数值进行比值来衡量所述气水分离器的气水分离能力。
9.在一个实施例中，所述气体调节设备，其包括：与出气口连通的气体收集器，以及设置在出气口和气体收集器之间的与所述控制器连接的第一电磁阀，该电磁阀根据第一阀控制信号动作与干气体进气部件一同联动来调节进气气体压力和/或气体流量，该控制信号是基于所述第一压力传感器采集的压力信号和预设的进气气体压力的测试允许范围生成的，或者是基于流量传感器采集的流量信号和预设的进气气体流量的测试允许范围生成的。
10.在一个实施例中，所述装置还包括与气水分离器的排水口连通的水收集系统，该系统包括：与排水口连通的水收集器；与所述控制器连接的检测气水分离器的水位信号的液位传感器；以及设置在排水口和水收集器之间的与所述控制器连接的第二电磁阀，该电磁阀根据第二阀控制信号进行排水动作，该控制信号是基于所述液位传感器采集的水位信号生成的。
11.在一个实施例中，所述湿度调节设备包括设置在干气体进气部件和干湿气体混合腔室之间的增湿器和比例阀，所述比例阀与所述控制器连接，根据第三阀控制信号动作来调节干气体的进气流量，该控制信号是基于所述第一湿度传感器采集的湿度信号、流量传感器采集的流量信号和预设的进气气体流量、干湿度的测试允许范围生成的。
12.根据本发明的另一方面，还提供了一种利用如上所述装置的测试方法，该测试方法包括：选定测试项目；控制器根据在测试项目下预先设定的进气气体压力、流量和/或进气干湿度的测试允许范围，向干气体进气部件、气体调节设备和/或湿度调节设备发送控制信号；干气体进气部件依据控制信号动作与气体调节设备联动调节进气压力和/或流量，使进气气体的流量和压力达到测试允许范围；湿度调节设备依据控制信号动作调节进气湿度使其达到测试允许范围；在测试完毕后，控制器基于获取的各传感器采集的湿度数值和压力数值来得到不同测试项目下的气水分离器的性能。
13.在一个实施例中，所述测试项目包括：固定湿度下不同压力的测试；固定压力下不同湿度的测试；固定流量下不同湿度的测试；不同湿度和不同压力下的测试。
14.在一个实施例中，所述控制器其利用如下表达式来计算气水分离器性能：利用第一湿度传感器和第二湿度传感器采集到的湿度数值的差值与第一湿度传感器采集的湿度数值进行比值来衡量所述气水分离器的气水分离能力。
15.根据本发明的另一方面，还提供了一种用于测试燃料电池的气水分离器性能的装置，该装置包括：与待测气水分离器的进气口连通的进气管道；与待测气水分离器的出气口连通的出气管道；依次设置在进气管道的干气体进气阀、增湿器、干湿气体混合腔室、第一湿度传感器、第一压力传感器、流量计，在干气体进气阀和干湿气体混合腔室之间设置比例阀；依次设置在出气管道的第二湿度传感器、第二压力传感器、第一电磁阀和气体收集器；设置在待测气水分离器的排水口的第二电磁阀和水收集器；控制器，其与干气体进气阀、比例阀、第一湿度传感器、第一压力传感器、流量计、第二湿度传感器、第二压力传感器、第一电磁阀和第二电磁阀连接。
16.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
17.本发明的实施例提供一种用于测试燃料电池的气水分离器性能的装置，该装置包括设置在进气管道的干气体进气部件、湿度调节部件和干湿气体混合腔室；设置在进气口
处的检测进气气体的湿度、压力和流量的多种类型；设置在出气口处的检测出气气体的湿度、压力的多种传感器和气体调节设备。通过控制器对这些设备的控制分别调节进气气体流量、压力和/或进气干湿度使其满足测试条件，且根据采集的湿度数值和压力数值来计算得到气水分离器的性能。该装置能够帮助对气水分离器开发进行试验验证，为后期匹配电堆做前期性能准备。
18.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
附图说明
19.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
20.图1为本技术实施例的用于测试燃料电池的气水分离器性能的装置的构造示意图。
21.图2为本技术实施例的用于测试燃料电池的气水分离器性能的方法的流程示意图。
具体实施方式
22.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本技术实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
23.图1为本技术实施例的用于测试燃料电池的气水分离器性能的装置的构造示意图。下面参考图1来说明该装置的组成结构和功能。
24.如图1所示，该装置平台可分为两个部分：一部分为物理连接部分(图中实线连接)，一部分为电气控制部分(图中虚线连接)。该装置包括：与待测气水分离器40的进气口连通的进气管道t1；与待测气水分离器40的出气口连通的出气管道t2；设置在进气管道t1的进气阀11(干气体进气部件的一个例子)、由比例阀12和增湿器20组成的湿度调节部件和干湿气体混合腔室(简称“混合腔”)30；设置在进气口处的检测混合腔30排放的进气气体的湿度、压力和流量的湿度传感器14a、压力传感器15a和流量传感器16；设置在出气口处的检测出气气体的湿度、压力的湿度传感器14b和压力传感器15b，以及调节进气口气体压力和流量的由电磁阀13a和气体收集器18组成的气体调节设备。
25.此外，该装置还包括控制器10，如图1所示，该控制器10与进气阀11、比例阀12、电磁阀13a、13b和各个传感器(包括湿度传感器14a、14b、压力传感器15a、15b、流量计16、液位传感器)连接。控制器10向进气阀11、电磁阀13a和/或比例阀12发送控制信号以调节进气气体流量、压力和/或进气干湿度使其满足测试条件，且根据采集的湿度数值和压力数值来计算得到不同测试项目下的气水分离器的性能。
26.进气阀11优选为一个电磁阀，与控制器10连接，根据接收的控制指令来调节与控
制干气体的压力与流量进而获取符合测试允许范围的进气气体压力和流量。进气压力与流量是需要依靠进气电磁阀11与电磁阀13a进行联动调节，如压力确定下调节流量，进气阀11开口增大的情况下电磁阀13a开口也会增大，从而使压力维持稳定而流量逐渐增大，为常见的pid闭环调节。
27.比例阀12与控制器10连接，根据接收到的控制指令(第三阀控制指令)来调节进气干湿度，即调节干气体的进气流量，该控制信号是基于湿度传感器14a采集的湿度信号、流量传感器16采集的流量信号和预设的进气气体流量、干湿度的测试允许范围生成的。具体地，比例阀12开启一定角度使进入进气管道t1的干气体部分进入到混合腔30，同时还有部分干气体通过增湿器20的作用形成具有一定湿度的气体也进入到混合腔30，在混合腔30中将干气体和湿气体进行混合形成符合测试条件的气体，即湿度传感器14a采集到的从混合腔输出的气体的湿度要满足测试允许范围。
28.电磁阀13a设置在出气口和气体收集器18之间，且与控制器10连接，在控制器10的控制下不定时开启来维持系统背压。具体地，电磁阀13a根据控制信号(第一阀控制信号)动作与进气阀11一同联动来调节进气气体压力和/或气体流量，该控制信号是基于压力传感器15a采集的压力信号和预设的进气气体压力的测试允许范围生成的，或者是基于流量传感器16采集的流量信号和预设的进气气体流量的测试允许范围生成的。在该测试平台中，由进气管道t1、气水分离器40、出气管道t2和控制器10形成了一个闭环控制回路，通过控制电磁阀13a的开启角度来改变整个内部回路的压力，最终使压力传感器15a检测到的压力数值符合测试条件。气体收集器18是一个用来手气气体的单向容器。
29.如图1所示，该测试装置还包括与气水分离器40的排水口连通的水收集系统，该系统包括：与排水口连通的水收集器17；与控制器10连接的检测气水分离器40的水位信号的液位传感器；以及设置在排水口和水收集器17之间的与控制器10连接的电磁阀13b，该电磁阀13b根据控制信号(第二阀控制信号)进行排水动作，该控制信号是基于液位传感器17采集的水位信号生成的。根据液位传感器的工作原理的不同来确定水气分离器收集的水是否已满，若积满水则可进行排放，由于有压力存在，排放时间会很短。
30.具体来说，在其他实施例中，提供了一种用于测试燃料电池的气水分离器性能的装置，其特征在于，该装置包括：与待测气水分离器40的进气口连通的进气管道t1；与待测气水分离器40的出气口连通的出气管道t2；依次设置在进气管道的干气体进气阀11、增湿器20、干湿气体混合腔室30、第一湿度传感器14a、第一压力传感器15a、流量计16，在干气体进气阀11和干湿气体混合腔室30之间设置比例阀12；依次设置在出气管道的第二湿度传感器14b、第二压力传感器15b、第一电磁阀13a和气体收集器18；设置在待测气水分离器40的排水口的第二电磁阀13b和水收集器17；控制器10，其与干气体进气阀11、比例阀12、第一湿度传感器14a、第一压力传感器15a、流量计16、第二湿度传感器14b、第二压力传感器15b、第一电磁阀13a和第二电磁阀13b连接。
31.在本实施例中设置了四种测试项目，在每种测试项目中都有预先设定好的进气气体压力、流量和/或进气干湿度的测试允许范围。控制器10，其根据在四种测试项目下预先设定的进气气体压力、流量和/或进气干湿度的测试允许范围，向干气体进气部件、气体调节设备和/或湿度调节设备发送控制信号。
32.图2为本技术实施例的用于测试燃料电池的气水分离器性能的方法的流程示意
图。下面参考图2来具体说明如何利用本测试装置来测试在不同测试条件下的气水分离器性能。
33.首先，在步骤s210中，选定测试项目，这四种测试项目包括：固定湿度下不同压力的测试(后简称“测试项目一”)；固定压力下不同湿度的测试(后简称“测试项目二”)；固定流量下不同湿度的测试(后简称“测试项目三”)；不同湿度和不同压力下的测试(后简称“测试项目四”)。
34.接着，在步骤s220中，控制器10根据在测试项目下预先设定的进气气体压力、流量和/或进气干湿度的测试允许范围，向进气阀11、电磁阀13a和/或比例阀12等设备发送控制信号。
35.接着，在步骤s230中，各设备依据控制信号动作调节进气流量、进气压力和进气干湿度，使它们达到测试允许范围。
36.具体地，进气阀11依据控制信号动作与电磁阀13a联动一起调节进气流量和进气压力，使进气气体的流量和压力达到测试允许范围。在湿度调节方面，比例阀12依据控制信号动作调节进气湿度使其达到测试允许范围。
37.最后，在步骤s240中，在测试完毕后，控制器10基于获取的各传感器采集的湿度数值和压力数值来计算得到不同测试项目下的气水分离器的性能。
38.下面分别说明在不同测试项目下的具体执行步骤。
39.(1)测试项目一，即定湿度下，不同压力下气水分离器的性能测试。
40.控制器10给进气阀11和比例阀12发送控制指令，进气阀11根据控制指令动作调节进气压力和流量的同时，比例阀12也会进行动作，使部分干气体通过比例阀12进入混合腔30，另一部分干气体经由增湿器20加湿后也进入混合腔30，干气体和湿气体在该混合腔30中混合，湿度传感器14a检测到的湿度波动在试验允许范围内时，则保持该湿度不变。
41.由于图1所示的测试装置形成了一个闭环控制回路，压力传感器15a检测到进气压力，压力传感器15b检测到出气时压力，即可得到不同进气压力下气水分离器的气阻。若压力传感器15a检测到的进气压力不满足试验允许范围，则控制器10通过计算得到控制电磁阀13a的控制指令，电磁阀13a根据控制指令进行动作，最终使进气压力/流量符合测试条件。在测试完毕后，控制器10基于湿度传感器14b和压力传感器15b检测到经气水分离器分离后的气体湿度值、气体压力，即可得到进气湿度一定、不同压力下的气水分离器分离能力。需要说明的是，气水分离器的性能是一个动态性能，具体性能表达即为水气分离能力，控制器10可以利用第一湿度传感器和第二湿度传感器采集到的湿度数值的差值与第一湿度传感器采集的湿度数值进行比值来衡量所述气水分离器的气水分离能力，此数值越大越好。
42.(2)测试项目二，即定压力，不同湿度下气水分离器的性能测试。
43.控制器10给进气阀11和比例阀12发送控制指令，进气阀11动作保证进气压力稳定在试验允许范围内，若压力传感器15a检测到的压力值不符合测试范围，则控制器10通过计算得到控制电磁阀13a的控制指令，电磁阀13a根据控制指令进行动作，最终使进气压力符合测试条件，并保持该压力数值不变。然后，通过调节比例阀12，来得到不同的进气湿度，根据湿度传感器14a与湿度传感器14b采集到的湿度数值可以得出相同压力下、不同湿度的气水分离器性能曲线。
44.(3)测试项目三，即定流量，不同湿度下气水分离器的性能测试。
45.控制器10给进气阀11和电磁阀13a给定控制信号，调节阀门开度使流量稳定在测试所需设定区间，调节比例阀12，使进入混合室内的干湿气体流量不同，充分混合后，进入进气口，根据比例阀12开度的大小不同，可以调节出不同湿度的进气，并用湿度传感器1进行检测，经过水气分离器后，利用湿度传感器2检测出口气体湿度，利用公式计算即可得到水气分离器的性能。
46.(4)测试项目四，即不同湿度和压力情况下气水分离器的性能。
47.控制器10给进气阀11和比例阀12发送控制指令，通过调节进气阀11与比例阀12来获得不同压力、不同湿度情况下，气体通过气水分离器后的湿度与压力，即可测试出不同压力、湿度情况下气水分离的性能。
48.综上所述，通过本实施例的测试装置可以测试不同模式下的气水分离器的能力，为开发高性能燃料电池用气水分离器提供测试支持。
49.应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
50.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
51.虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。