一种燃料电池电堆测试的水路冷启动大小循环系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池测试技术领域，尤其是涉及一种燃料电池电堆测试的水路冷启动大小循环系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)电堆以其高功率密度、高能量转化、零污染排放等优点被视为未来最有发展前景的新能源之一，但低温环境下的冷启动问题是其商业化的主要障碍之一，由于燃料电池的产物为水，电堆停机过程中内部会有少量的水存在，在0℃以下环境中，残留的液态水附着在流道内会发生冻结，严重影响燃料电池电堆的寿命，而且进行多次冷启动后，催化层表面可能会发生龟裂，使得燃料电池性能衰减。因此，在研发测试阶段，燃料电池电堆经常需要冷启动测试，以评估燃料电池的性能。
3.但是，在没有发动机bop的情况下对电堆进行冷启动测试时，无法在冷启动时精确控制水路温度，在使用目前市面上常规测试台测试时，无法承受低温测试，部分元器件容易造成损坏。同时，使用目前测试台大循环的装置，无法准确模拟冷启动时发动机内部小循环小容积的水路快速升温情况，同时无法模拟大小循环混合或切换状况。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池电堆测试的水路冷启动大小循环系统，在保证了冷启动的前提下，在切换回路时仍保证了温度不波动。
5.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种燃料电池电堆测试的水路冷启动大小循环系统，包括电堆、水箱、主进水管、主出水管和冷启动管；
7.所述主进水管连接水箱和电堆进水口，所述主出水管连接水箱和电堆出水口，所述主进水管上设有第一连接点，所述主出水管上设有第二连接点，冷启动管的两端分别连接第一连接点和第二连接点；
8.在水箱与所述第一连接点之间依次设置有水泵、加热器和板式换热器，所述板式换热器的冷侧设有冷却水流量比例阀，控制板式换热器的冷却水流量，以调控板式换热器的换热降温量，在水箱与所述第二连接点之间设有角座阀，第一连接点上安装有两入一出结构的三通阀，所述三通阀的两个入口分别连接主进水管和冷启动管，所述三通阀的出口连接至电堆进水口，所述冷启动管上设置有低温水泵。
9.本技术的工作原理为：
10.角座阀打开时，以水箱为起始点，水箱-主进水管-电堆进水口-电堆出水口-主出水管-水箱形成大循环回路，通过加热器和板式换热器控制水温，角座阀关闭时，以三通阀为起始点，三通阀-电堆进水口-电堆出水口-冷启动管-三通阀形成小循环回路。
11.优选地，在板式换热器与第一连接点之间设置有流量计，在角座阀打开时监测进
入电堆的水流量。
12.优选地，所述水箱上设有补水模块，包括进水源，进水源与水箱之间的管路上依次设有球阀、入口过滤器、减压阀、入口压力传感器和入口电磁阀，进水源提供去离子水，球阀为手动开关，可以手动控制进水源与水箱之间的通断，入口过滤器用于过滤水中的杂质，减压阀用于控制水箱的进水压力，入口压力传感器用于检测水箱入口的进水压力，入口电磁阀由软件电动控制，可以自动开闭，控制进水源与水箱之间的通断。
13.优选地，所述水箱上设有排水模块，包括尾排，尾排与水箱之间通过两个并联的支路相连，两个支路上分别设有排水电磁阀和排水球阀，可以通过排水电磁阀进行自动控制来排水，也可以通过排水球阀通过手动控制来排水。
14.优选地，所述水箱上设有调压模块，包括供气源，供气源通过管路通入水箱的上部，所述管路上设有电动比例阀和调压阀，所述水箱上安装有安全阀，供气源可以提供氮气等惰性气体，通过电动比例阀和调压阀控制压力，从而控制整个回路的压力，安全阀用于实现超压保护。
15.优选地，所述水箱内设有液位监测模块，包括多个液位传感器，分别设置在水箱的不同高度位置，用于监测水箱内的水位高度。
16.优选地，所述液位传感器的数量为三个，分别为低液位传感器、中液位传感器和高液位传感器，自低至高安装在水箱内。
17.优选地，水泵与板式换热器之间还设有主路过滤器和主路流量比例阀，主路过滤器进一步过滤杂质，主路流量比例阀配合水泵可以精确控制循环水路的流量。
18.优选地，水箱内设有箱内温度传感器，检测水箱内的水温，箱内温度传感器可选用热电阻温度传感器，在板式换热器与第一连接点之间设有板换后端温度传感器，检测经过板式换热器后的水温，在第一连接点与电堆进水口之间设有电堆进口温度传感器和电堆进口压力传感器，检测电堆进水口的温度和压力，在第二连接点与电堆出水口之间设有电堆出口温度传感器和电堆出口压力传感器，检测电堆出水口的温度和压力。
19.优选地，水箱与第一连接点之间还设有电导率变送器，用于检测整个系统回路的电导率，电导率过高时会通过补水排水降低电导率。
20.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
21.(1)通过增设角座阀、冷启动管、低温水泵和三通阀，提供了大循环和小循环水路，能够灵活切换大小循环，准确模拟冷启动时发动机内部小循环小容积的水路快速升温情况，同时模拟大小循环混合或切换状况。
22.(2)提供冷启动温度控制、水位控制、流量控制和压力控制等功能，满足测试需要，在冷启动时精确控制水路温度，且精确监测系统各处的参数值，能保证大小循环切换时的温度稳定性。
23.(3)通过角座阀实现大小循环的切换，板式换热器等不耐低温的元器件设置在大循环水路中，从而保护了不耐低温的元器件。
附图说明
24.图1为本实用新型的结构示意图；
25.附图标记：1：球阀；2：入口过滤器；3：减压阀；4：入口压力传感器；5：入口电磁阀；
6：水箱；7：加热器；8：箱内温度传感器；9：低液位传感器；10：中液位传感器；11：高液位传感器；12：电动比例阀；13：调压阀；14：电导率变送器；15：水泵；16：主路流量比例阀；17：主路过滤器；18：板式换热器；19：冷却水流量比例阀；20：板换后端温度传感器；21：流量计；22：电堆进口压力传感器；23：电堆进口温度传感器；24：电堆出口温度传感器；25：电堆出口压力传感器；26：安全阀；27：排水电磁阀；28：排水球阀；29：低温水泵；30：角座阀；31：三通阀；32：电堆。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
27.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。
28.在本技术实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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技术的限制。
29.在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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技术中的具体含义。
30.实施例1：
31.一种燃料电池电堆测试的水路冷启动大小循环系统，如图1所示，包括电堆32、水箱6、主进水管、主出水管和冷启动管，电堆32为待测件；
32.主进水管连接水箱6和电堆进水口，主出水管连接水箱6和电堆出水口，主进水管上设有第一连接点，主出水管上设有第二连接点，冷启动管的两端分别连接第一连接点和第二连接点；
33.在水箱6与第一连接点之间依次设置有水泵15、加热器7和板式换热器18，板式换热器18的冷侧设有冷却水流量比例阀，控制板式换热器18的冷却水流量，以调控板式换热器18的换热降温量，在水箱6与第二连接点之间设有角座阀30，第一连接点上安装有两入一出结构的三通阀31，三通阀31为电子三通阀，三通阀31的两个入口分别连接主进水管和冷启动管，三通阀31的出口连接至电堆进水口，冷启动管上设置有低温水泵29。
34.本技术的工作原理为：
35.角座阀30控制大小循环流量切换，角座阀30打开时，进行大循环，以水箱6为起始点，水箱6-主进水管-电堆进水口-电堆出水口-主出水管-水箱6形成大循环回路，通过加热
器7和板式换热器18控制水温；角座阀30关闭时，进行小循环，以三通阀31为起始点，三通阀31-电堆进水口-电堆出水口-冷启动管-三通阀31形成小循环回路，低温水泵29提供小循环流量，三通阀31调节小循环和大循环流量分配。
36.水箱6上设有补水模块，用于整体水路补水，包括进水源，进水源与水箱6之间的管路上依次设有球阀1、入口过滤器2、减压阀3、入口压力传感器4和入口电磁阀5，进水源提供去离子水，球阀1为手动开关，可以手动控制进水源与水箱6之间的通断，入口过滤器2用于过滤水中的杂质，减压阀3用于控制水箱6的进水压力，入口压力传感器4用于检测水箱6入口的进水压力，入口电磁阀5由软件电动控制，可以自动开闭，控制进水源与水箱6之间的通断。
37.水箱6上设有排水模块，包括尾排，尾排与水箱6之间通过两个并联的支路相连，两个支路上分别设有排水电磁阀27和排水球阀28，可以通过排水电磁阀27进行自动控制来排水，也可以通过排水球阀28通过手动控制来排水。
38.水箱6内设有液位监测模块，包括多个液位传感器，分别设置在水箱6的不同高度位置，用于监测水箱6内的水位高度。本实施例中，液位传感器的数量为三个，分别为低液位传感器9、中液位传感器10和高液位传感器11，自低至高安装在水箱6内。
39.通过液位监测模块、补水模块和排水模块可以控制整个系统水位，保证正常运行，当液位过高时(高液位传感器11检测有水)，排水电磁阀27自动开启进行补水，当液位较低时(中液位传感器检测10没水)，开启入口电磁阀5进行补水，当液位过低时(低液位传感器9检测没水)，开启入口电磁阀5进行补水，同时整个系统无法启动。
40.水箱6与第一连接点之间还设有电导率变送器14，用于检测整个系统回路的电导率，电导率过高时会通过补水排水降低电导率。水泵15与板式换热器18之间还设有主路过滤器17，主路过滤器17进一步过滤杂质。主路过滤器17和电导率变送器14可以进行水路过滤和水质检测。
41.水泵15与板式换热器18之间还设有主路流量比例阀16，水泵15提供整体回路流量，可以粗调控流量，主路流量比例阀16可以精确控制流量，主路流量比例阀16配合水泵15可以控制整体循环水路的流量；在板式换热器18与第一连接点之间设置有流量计21，在角座阀30打开时监测进入电堆32的水流量。在大循环时(角座阀30打开)对流量控制要求较高，依靠水泵15、主路流量比例阀16和流量计21可以控制整体流量。在小循环时(角座阀30关闭)，对流量控制的精度要求较低，依靠低温水泵29的工作参数和经验数据可以推算小循环水路流量，满足测试需要。
42.水箱6上还设有调压模块，包括供气源，供气源通过管路通入水箱6的上部，管路上设有电动比例阀12和调压阀13，水箱6上安装有安全阀26，供气源可以提供氮气等惰性气体，通过电动比例阀12和调压阀13控制压力，从而控制整个回路的压力，安全阀26用于实现超压保护。
43.在水箱6与第一连接点之间设置有加热器7和板式换热器18，加热器7为加热棒，可以对回路中的水进行加热，板式换热器18的冷侧设有冷却水流量比例阀19，从而控制板式换热器18的冷却水流量，以调控板式换热器18的换热降温量，对回路中的水进行降温。水箱6内设有箱内温度传感器8，检测水箱6内的水温，箱内温度传感器8可选用热电阻温度传感器，在板式换热器18与第一连接点之间设有板换后端温度传感器20，检测经过板式换热器
18后的水温；依靠加热器7、板式换热器18、箱内温度传感器8、板换后端温度传感器20以及冷却水流量比例阀19可以调控整个回路的温度。
44.此外，电堆32的进出口设有温度和压力监测器件，在第一连接点与电堆进水口之间设有电堆进口温度传感器23和电堆进口压力传感器22，检测电堆32进水口的温度和压力，在第二连接点与电堆出水口之间设有电堆出口温度传感器24和电堆出口压力传感器25，检测电堆32出水口的温度和压力。
45.本技术通过整体原理、冷启动小循环支路，保证了整体冷启动的进行，保证了电堆32小循环冷启动的模拟，同时具有温度的精确控制并能同时控制整体测试的流量和压力。
46.低温水泵29用于提供小循环使用时的流量，可以通过精确控制低温水泵29的转速实现电堆32进出口温度稳定，角座阀30用于控制大循环和小循环流量切换时开关，三通阀31用于控制调节冷启动小循环与大循环流量分配，使冷启动时或冷启动结束后稳定工作时，通过流量混合实现电堆32进口温度稳定。小循环体积设计通过电堆32内水容积、电堆32满功率发热功率进行设计，保障在10％发热功率时，小循环水路升温速率可达到100℃/min以上的升温速率，可保障电堆32冷启动时在一分钟内从-40℃拉载至怠速点(约55℃)，从而更方便测试电堆32冷启动的极限工况。同时此部分和被测件电堆32及进出口温度传感器将会被安放在环境仓内，环境箱与预冷器控制在软件中集成。
47.以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。