一种用于燃料电池膨胀机的试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池发动机技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池膨胀机的试验装置。


背景技术：

2.燃料电池发动机是一种将氢燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，其具有高效率、低排放、安装维护简单、可靠性好、低污染以及环境适应性强等优势。氢燃料电池的反应物为氢和氧，产物仅为水，其中，水主要产生在空气侧。环境中气体通过空压机压缩后进入燃料电池系统的空气管路中，在燃料电池内部空气中的氧气与氢气发生反应生成水，生成的液态水、水蒸气和未反应完的气体通过燃料电池尾排节气门后进入尾排管，再排放至大气环境中。
3.尾排管排出的气体含有一定的热能和动能，该部分的能量目前有效的利用方式为采用膨胀机的方式进行回收利用。目前，现有膨胀机的测试主要为与电堆匹配进行验证，成本较高。并且，一台试验装置（测试台）无法对各种规格和性能不同的膨胀机进行性能验证；且，现有技术无空气分水后气体与膨胀机的匹配验证。
4.综上所述，现有技术缺少一种能够有效地模拟膨胀机在与燃料电池系统匹配时测试性能的试验装置。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例旨在提供一种用于燃料电池膨胀机的试验装置，用以解决现有技术未能有效模拟待测压缩机与燃料电池系统匹配时的测试性能并且成本较高的问题。
6.一方面，本实用新型实施例提供了一种用于燃料电池膨胀机的试验装置，包括空压机、加湿罐、空气分水器、尾排阀、待测膨胀机和控制器；其中，
7.所述空压机的输出端经所述加湿罐与所述空气分水器的输入端连接；所述空气分水器的液体输出端与所述尾排阀连接，气体输出端经所述待测膨胀机与所述空压机的驱动端连接；
8.所述控制器的输出端依次与所述空压机、加湿罐的控制端连接。
9.上述技术方案的有益效果如下：待测压缩机的性能测试无须再与电堆匹配进行验证，成本大幅度降低。只要一个试验装置即可对多种规格和性能不同的压缩机进行性能验证，能够满足分水后气体与膨胀机的匹配验证。
10.基于上述装置的进一步改进，该试验装置还包括设置于空压机前端的驱动电机和空气过滤器；其中，
11.所述驱动电机的输入端与所述待测膨胀机的输出端连接，输出端与所述空压机的驱动端连接；
12.所述空气过滤器的输出端与所述空压机的进气口连接。
13.进一步，该试验装置还包括进气节气门和排气节气门；其中，
14.所述进气节气门设置于所述空压机和加湿罐之间，其输入端与所述空压机的输出端连接，其输出端与所述加湿罐的进气口连接，其控制端与所述控制器的输出端连接；
15.所述排气节气门设置于所述空气分水器和待测膨胀机之间，其输入端与所述空气分水器的气体输出端连接，其输出端与所述待测膨胀机的进气口连接，其控制端与所述控制器的输出端连接。
16.进一步，该试验装置还包括循环水泵、热交换器；其中，
17.所述加湿罐的出水口依次经所述循环水泵、热交换器与其进水口连接；并且，所述循环水泵、热交换器的控制端分别与所述控制器的输出端连接。
18.进一步，该试验装置还包括小水泵、喷淋器；其中
19.所述加湿罐的出水口经小水泵与所述喷淋器的进水口连接；所述喷淋器设置于所述加湿罐的出气口上方；并且，所述小水泵的控制端与所述控制器的输出端连接。
20.进一步，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元和执行单元；
21.所述数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示器上显示所述待测膨胀机的能量回收效率。
22.进一步，所述数据采集单元进一步包括：
23.压力传感器一，设置于膨胀机入口处的管道内壁上；
24.压力传感器二，设置于加湿罐进气口处的管道内壁上；
25.压力传感器三，设置于加湿罐内；
26.温度传感器一，设置于膨胀机入口处的管道内壁上；
27.温度传感器二，设置于加湿罐进气口处的管道内壁上；
28.温度传感器三，设置于加湿罐内；
29.空气流量计，设置于空压机与空气过滤器之间的管道上。
30.进一步，所述数据采集单元还包括：
31.液体流量计，设置于小水泵和喷淋器之间的管道上。
32.露点检测仪，设置于加湿罐的出气口处；
33.液位传感器，设置于加湿罐内；
34.tvp粒径分布测量仪，设置于空气分水器的气体输出端。
35.进一步，该试验装置还包括质量控制流量器；
36.所述质量控制流量器的输入端与所述空气分水器的液体输出端连接，其输出端与tvp粒径分布测量仪的输入端连接。
37.进一步，所述执行单元进一步包括：
38.可控型开关一，其输出端与空压机的控制端连接；
39.可控型开关二，其输出端与加湿罐的控制端连接；
40.可控型开关三，其输出端与进气节气门的控制端连接；
41.可控型开关四，其输出端与排气节气门的控制端连接；
42.可控型开关五，其输出端与小水泵的控制端连接；
43.可控型开关六，其输出端与循环水泵的控制端连接；
44.可控型开关七，其输出端与热交换器的控制端连接。
45.上述进一步改进方案的有益效果是：对控制器的结构进行了一步限定，并增加了驱动电机、空气过滤器、进排气节气门、热交换器、喷淋器等，使得该试验装置的露点温度能够精准控制、且能够提供过湿气体，相比现有技术压缩膨胀一体机性能验证时气体的露点温度无法控制，以及无法提供过湿气体，本试验装置的测试性能大幅度提高。在膨胀机与燃料电池系统匹配验证时，考虑了燃料电池尾排气体中的液态水（露点检测仪）、湿度（tvp粒径分布测量仪）、温度（温度传感器）及气体压力（压力传感器）等因素对待测膨胀机的影响，使得测试结果符合实际。
46.提供实用新型内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。实用新型内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
47.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
48.图1示出了实施例1用于燃料电池膨胀机的试验装置结构示意图；
49.图2示出了实施例2用于燃料电池膨胀机的试验装置结构示意图；
50.图3示出了实施例2用于燃料电池膨胀机的试验装置电路连接示意。
51.附图标记：
[0052]1‑ꢀ
驱动电机；2
‑ꢀ
空气过滤器；3
‑ꢀ
空压机；4
‑ꢀ
进气节气门；5
‑ꢀ
加湿罐；6
‑ꢀ
空气进气板；7
‑ꢀ
循环水泵；8
‑ꢀ
热交换器；9
‑ꢀ
小水泵；10
‑ꢀ
喷淋器；11
‑ꢀ
空气分水器；12
‑ꢀ
尾排阀；13
‑ꢀ
排气节气门；14
‑ꢀ
流量控制器；15
‑ꢀ
待测膨胀机；16
‑ꢀ
空气流量计；17
‑ꢀ
压力传感器二；18
‑ꢀ
温度传感器二；19
‑ꢀ
液位传感器；20
‑ꢀ
温度传感器三；21
‑ꢀ
压力传感器三；22
‑ꢀ
液体流量计；23
‑ꢀ
露点检测仪；24
‑ꢀ
压力传感器一；25-温度传感器一；26
‑ꢀ
tvp粒径分布测量仪。
具体实施方式
[0053]
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0054]
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
[0055]
实施例1
[0056]
本发明的一个实施例公开了一种用于燃料电池膨胀机的试验装置，包括空压机、加湿罐、空气分水器、尾排阀、待测膨胀机和控制器。
[0057]
空压机的输出端经加湿罐与空气分水器的输入端连接。空气分水器的液体输出端
与尾排阀连接，气体输出端经待测膨胀机与空压机的驱动端连接，如图1所示。
[0058]
控制器的输出端依次与空压机、加湿罐的控制端连接。
[0059]
优选地，上述加湿罐可采用现有技术中的鼓泡加湿罐。气体从腔体底部向上以气泡形式通过液层，气相中的反应物溶入液相并进行反应，气泡的搅拌作用可使液相充分混合。鼓泡加湿罐结构简单，没有运动部件，适用于高压反应。
[0060]
实施时，控制器可根据入堆空气的压力p2、流量q1控制空压机运行，根据加湿后气体的压力p3控制加湿罐是否进行空气排放，根据加湿后气体的湿度s1控制加湿罐是否对空气增加湿度，以及，根据膨胀机入口处的空气压力p1和温度t1推测待测膨胀机的能量回收效率。
[0061]
可选地，也可采用其他控制方法实现空压机、加湿罐的匹配测试，本领域技术人员能够理解，此处不进行赘述。
[0062]
与现有技术相比，本实施例提供的试验装置待测压缩机的性能测试无须再与电堆匹配进行验证，成本大幅度降低。只要一个试验装置即可对多种规格和性能不同的压缩机进行性能验证，能够满足分水后气体与膨胀机的匹配验证。
[0063]
实施例2
[0064]
在实施例1的基础上进行改进，如图2~3所示，该试验装置还包括设置于空压机前端的驱动电机和空气过滤器。
[0065]
驱动电机的输入端与待测膨胀机的输出端连接，输出端与空压机的驱动端连接。
[0066]
空气过滤器的输出端与空压机的进气口连接。
[0067]
优选地，该试验装置还包括进气节气门和排气节气门。
[0068]
进气节气门设置于空压机和加湿罐之间，其输入端与空压机的输出端连接，其输出端与加湿罐的进气口连接，其控制端与控制器的输出端连接。
[0069]
排气节气门设置于空气分水器和待测膨胀机之间，其输入端与空气分水器的气体输出端连接，其输出端与待测膨胀机的进气口连接，其控制端与控制器的输出端连接。
[0070]
优选地，该试验装置还包括循环水泵、热交换器。
[0071]
加湿罐的出水口依次经循环水泵、热交换器与其进水口连接；并且，循环水泵、热交换器的控制端分别与控制器的输出端连接。
[0072]
优选地，该试验装置还包括小水泵、喷淋器。
[0073]
加湿罐的出水口经小水泵与喷淋器的进水口连接；喷淋器设置于加湿罐的出气口上方；并且，小水泵的控制端与控制器的输出端连接。
[0074]
优选地，控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元和执行单元。
[0075]
下面仅提供一种控制器的控制方案示例。
[0076]
数据采集单元，用于采集膨胀机入口处的空气压力p1和温度t1，加湿罐进气口处的空气压力p2、温度t2和流量，以及，加湿后气体的压力p3和温度t3，发送至数据处理与控制单元。
[0077]
数据处理与控制单元，用于测试时，根据接收到的加湿罐进气口处的空气压力p2、温度t2和流量控制空压机处于预设运行状态，然后根据加湿后气体的压力p3控制加湿罐是否进行空气排放，根据加湿后气体的温度t3控制加湿罐内温度调控，以及，排放完成和温度
调控完成后，根据膨胀机入口处的空气压力p1和温度t1推断待测膨胀机的能量回收效率。示例性地，所述推断方法可采用现有技术中的机器学习方法，例如向量机，经训练后使用。
[0078]
优选地，该数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示器上显示所述待测膨胀机的能量回收效率。实际上，如果不采用上述控制方法，只需要膨胀机入口处的空气压力p1和温度t1即可得出所述待测膨胀机的能量回收效率。
[0079]
执行单元，用于根据所述数据处理与控制单元的控制，启动所述空压机、加湿罐，并执行相应的上述控制操作。
[0080]
优选地，数据采集单元进一步包括压力传感器一~压力传感器三、温度传感器一~温度传感器三、空气流量计、液体流量计、露点检测仪、液位传感器、tvp粒径分布测量仪。
[0081]
压力传感器一，设置于膨胀机入口处的管道内壁上，用于采集膨胀机入口处的空气压力p1。
[0082]
压力传感器二，设置于加湿罐进气口处的管道内壁上，用于采集加湿罐进气口处的空气压力p2，作为替代入堆空气的压力。
[0083]
压力传感器三，设置于加湿罐内，用于采集加湿后气体的压力p3。
[0084]
温度传感器一，设置于膨胀机入口处的管道内壁上，用于采集膨胀机入口处的空气温度t1。
[0085]
温度传感器二，设置于加湿罐进气口处的管道内壁上，用于采集加湿罐进气口处的空气温度t2，作为替代入堆空气的温度。
[0086]
温度传感器三，设置于加湿罐内，用于采集加湿后气体的温度t3。
[0087]
空气流量计，设置于空压机与空气过滤器之间的管道上，用于采集进入空压机内的气体流量q1。
[0088]
液体流量计，设置于小水泵和喷淋器之间的管道上，用于采集进入喷淋器的液体流量q2。
[0089]
露点检测仪，设置于加湿罐的出气口处，用于检测出气口处的露点温度t4。
[0090]
液位传感器，设置于加湿罐内，用于检测加湿罐内水的液位高度h。
[0091]
tvp粒径分布测量仪，设置于空气分水器的气体输出端，用于检测分水器排出的气体中液态水粒的直径大小d。
[0092]
优选地，该试验装置还包括质量控制流量器。质量控制流量器的输入端与空气分水器的液体输出端连接，其输出端与tvp粒径分布测量仪的输入端连接。
[0093]
优选地，执行单元进一步包括可控型开关一~可控型开关七。
[0094]
可控型开关一，其输出端与空压机的控制端连接，用于关闭后，控制空压机开启，使得控制器输出的转速控制信号传输至空压机。
[0095]
可控型开关二，其输出端与加湿罐的控制端连接，用于关闭后，控制加湿罐开启，使得控制器输出的温度控制信号传输至加湿罐。
[0096]
可控型开关三，其输出端与进气节气门的控制端连接，用于关闭后，控制进气节气门开启，并使得其开度达到预设开度。
[0097]
可控型开关四，其输出端与排气节气门的控制端连接，用于关闭后，控制排气节气门开启，并使得其开度达到预设开度。
[0098]
可控型开关五，其输出端与小水泵的控制端连接，用于关闭后，控制排小水泵运
行，使得喷淋器喷水。
[0099]
可控型开关六，其输出端与循环水泵的控制端连接，用于关闭后，控制排循环水泵运行，使得热交换器内的水向加湿罐内流动。
[0100]
可控型开关七，其输出端与热交换器的控制端连接，用于关闭后，控制排热交换器运行，使得加湿罐内的水温度升高或降低。
[0101]
与实施例1相比，对控制器的结构进行了一步限定，并增加了驱动电机、空气过滤器、进排气节气门、热交换器、喷淋器等，使得该试验装置的露点温度能够精准控制、且能够提供过湿气体。并且，相比现有技术压缩膨胀一体机性能验证时气体的露点温度无法控制，以及无法提供过湿气体，本试验装置的测试性能大幅度提高。在膨胀机与燃料电池系统匹配验证时，考虑了燃料电池尾排气体中的液态水（露点检测仪）、湿度（tvp粒径分布测量仪）、温度（温度传感器）及气体压力（压力传感器）等因素对待测膨胀机的影响，使得测试结果符合实际。
[0102]
本实用新型不涉及任何软件方面的改进。本实用新型仅需要将各个具有相应功能的装置通过本实用新型实施例所给出的连接关系进行连接即可，其中并不涉及任何程序软件方面的改进。而至于各个相应功能的硬件装置之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。
[0103]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。