多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池的技术领域，具体地，涉及一种多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置。


背景技术：

2.燃料电池发动机作为一种新型的绿色动力源，因其所具有的高效率和低排放等优良特性，正逐渐成为车载发动机的研发重点之一。燃料电池发动机是基于负载的输出，对于整车而言具有良好的控制性；同时，燃料电池发动机的能量输出为电能，简化了传统汽车的传动和调速结构。尽管燃料电池发动机与内燃机相比具有众多优点，但是燃料电池发动机要取代内燃机成为汽车发动机的主流，还有许多问题需要解决。
3.燃料电池电堆寿命测试是在干、湿两种状态往复交替进行中，质子膜因承受不断变化的湿应力而导致质子膜发生机械失效，同时不同的质子交换膜做耐久性验证无法保证测试工况保持一致(温度、流量、湿度、压力)，无法对检漏结果与性能表征做出准确的判断。因此需要一种测试装置同时解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置。
5.根据本发明提供的一种多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，包括：阳极测试组件、阴极测试组件以及水路测试组件；
6.所述阳极测试组件包括阳极加湿系统，以及多个并联设置的阳极气体通道，每个所述阳极气体通道的压力、流量和湿度均相等，每个所述阳极气体通道与一组电堆的阳极连接，所述阳极加湿系统调节所有阳极气体通道的湿度；
7.所述阴极测试组件包括阴极加湿系统，以及多个并联设置的阴极气体通道，每个所述阴极气体通道的压力、流量和湿度均相等，每个所述阴极气体通道与一组电堆的阴极连接，所述阴极加湿系统调节所有阴极气体管道的湿度；
8.所述水路测试组件包括多个并联设置的水路通道，每个所述水路通道的压力、流量和温度均相等，每个所述水路通道与一组电堆的水路接口连接。
9.优选地，所述阳极加湿系统包括：加湿罐、液位传感器、进水电磁阀、排水电磁阀、水泵、加热器、板式换热器冷侧比例阀、板式换热器、热电偶温度传感器；
10.所述加湿罐底部引出一支路依次连接水泵、加热器、板式换热器后回到加湿罐顶部，所述加湿罐底部引出另一支路连接排水电磁阀，所述加湿罐上还设置有一路进水支路，所述进水电磁阀设置在进水支路上；
11.所述阳极测试组件还包括阳极流量分配电动三通阀所述阳极流量分配电动三通阀的入口连接阳极气源，所述阳极流量分配电动三通阀的第一出口经过气体管道与多个并联的阳极气体通道连通，所述阳极流量分配电动三通阀的第一出口贯通加湿罐后与阳极流
量分配电动三通阀的第一出口连通；
12.所述阳极测试组件还包括阳极进堆温湿度传感器，所述阳极进堆温湿度传感器测量连通后的阳极气体温湿度。
13.优选地，所述阳极气体通道中依次连接有阳极多通道进堆压力检测单元、被测电堆、被测阳极多通道出堆压力检测单元和阳极多通道出堆流量检测单元。
14.优选地，所述阳极测试组件还包括依次连接的阳极尾排降温板式换热器、阳极背压阀和阳极水汽分离罐，多个所述阳极气体通道的末端汇合后与阳极尾排降温板式换热器连接。
15.优选地，所述阴极加湿系统包括：加湿罐、液位传感器、进水电磁阀、排水电磁阀、水泵、加热器、板式换热器冷侧比例阀、板式换热器、热电偶温度传感器；所述加湿罐底部引出一支路依次连接水泵、加热器、板式换热器后回到加湿罐顶部，所述加湿罐底部引出另一支路连接排水电磁阀，所述加湿罐上还设置有一路进水支路，所述进水电磁阀设置在进水支路上；
16.所述阴极测试组件还包括阴极流量分配电动三通阀，所述阴极流量分配电动三通阀的入口连接阴极气源，所述阴极流量分配电动三通阀的第一出口经过气体管道与多个并联的阴极气体管道连通，所述阴极流量分配电动三通阀的第一出口贯通加湿罐后与阴极流量分配电动三通阀的第一出口连通；
17.所述阴极测试组件还包括阴极进堆温湿度传感器，所述阴极进堆温湿度传感器测量连通后的阴极气体温湿度。
18.优选地，所述阴极气体通道中依次连接有阴极多通道进堆压力检测单元、被测电堆、被测阴极多通道出堆压力检测单元和阴极多通道出堆流量检测单元。
19.优选地，所述阴极测试组件还包括依次连接的阴极尾排降温板式换热器、阴极背压阀和阴极水汽分离罐，多个所述阴极气体通道汇合后与阴极尾排降温板式换热器连接。
20.优选地，所述水路测试组件还包括循环水路水箱、循环水路水泵、水路进堆温度流量传感器、水路多通道进堆压力传感器、水路多通道出堆压力传感器、水路多通道出堆流量传感器以及水路加热器；
21.所述循环水路水箱通过管道依次连接循环水路水泵、水路进堆温度流量传感器后与多个水路通道连接；
22.每个水路支路中包括依次连接水路多通道进堆压力传感器、水路多通道出堆压力传感器、水路多通道出堆流量传感器；
23.每条水路支路汇合后通过管路与循环水路水箱连通，所述水路加热器设置在管路上。
24.优选地，所述水路测试组件还包括水路背压阀；
25.所述水路背压阀的一端连接外部气压源，所述水路背压阀的另一端通过管道与循环水路水箱连通。
26.优选地，所述阳极测试组件和阴极测试组件均采用空气作为测试气体。
27.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
28.本发明提供的多通道燃料电池电堆干湿对比装置实现氢燃料电池质子膜机械耐久性的快速评价。通过气体压力、温度、流量均相等的多通道实现了不同的氢燃料电池质子
膜电堆在相同工况下的对比，能实现更高效的测试。本装置可实现流量、温度、湿度、气体背压和干湿气体快速切换与精准控制。
29.本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
30.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
31.图1为本发明多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置组成示意图；
32.图2为本发明阳极加湿系统的组成示意图。
33.附图标记说明：
34.阳极进气系统1阴极水汽分离罐20
35.阳极流量分配电动三通阀2循环水路水箱21
36.阳极加湿系统3水路背压阀22
37.阳极进堆温湿度传感器4循环水路水泵23
38.阳极多通道进堆压力传感器5水路进堆温度流量传感器24
39.阳极多通道出堆压力传感器6水路多通道进堆压力传感器25
40.阳极多通道出堆流量传感器7水路多通道出堆压力传感器26
41.阳极尾排降温板式换热器8水路多通道出堆流量传感器27
42.阳极背压阀9水路加热器28
43.阳极水汽分离罐10加湿罐301
44.阴极进气系统11液位传感器302
45.阴极流量分配电动三通阀12进水电磁阀303
46.阴极加湿系统13排水电磁阀304
47.阴极进堆温湿度传感器14水泵305
48.阴极多通道进堆压力传感器15加热器306
49.阴极多通道出堆压力传感器16板式换热器冷侧比例阀307
50.阴极多通道出堆流量传感器17板式换热器308
51.阴极尾排降温板式换热器18热电偶温度传感器309
52.阴极背压阀19
具体实施方式
53.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
54.本发明提供了一种多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，本装置由阳极测试组件、阳极测试组件以及水路测试组件构成，每个组件中均包括多个并联的测试道路，用于分
别连接多个电堆，每个测试道路中的测试参数均相同，保证了测试条件的一致性。
55.参照图1所示，阳极测试组件包括：阳极进气系统1、阳极流量分配电动三通阀2、阳极加湿系统3、阳极进堆温湿度传感器4、阳极多通道进堆压力传感器5、阳极多通道出堆压力传感器6、阳极多通道出堆流量传感器7、阳极尾排降温板式换热器8、阳极背压阀9和阳极水汽分离罐10。
56.阴极测试组件包括：阴极进气系统11、阴极流量分配电动三通阀12、阴极加湿系统13、阴极进堆温湿度传感器14、阴极多通道进堆压力传感器15、阴极多通道出堆压力传感器16、阴极多通道出堆流量传感器17、阴极尾排降温板式换热器18、阴极背压阀19和阴极水汽分离罐20。
57.水路测试组件包括：循环水路水箱21、水路背压阀22、循环水路水泵23、水路进堆温度流量传感器24、水路多通道进堆压力传感器25、水路多通道出堆压力传感器26、水路多通道出堆流量传感器27和水路加热器28。
58.下面对各组件进一步展开介绍。
59.阳极进气系统1前端氢气由实验室氢气主管路提供，包括氢气输送管和设置在氢气输送管上的减压阀、过滤器、电磁阀和质量流量控制器，用于整体氢气过滤、开关和流量控制。
60.阳极流量分配电动三通阀2用于控制氢气干气和进加湿罐流量，用于实现温度和湿度的精确控制；
61.参照图2所示，阳极加湿系统3包括加湿罐301、液位传感器302、进水电磁阀303、排水电磁阀304、水泵305、加热器306、板式换热器冷侧比例阀307、板式换热器308、热电偶温度传感器309；所述加湿罐301底部引出一支路依次连接水泵305、加热器306、板式换热器308后回到加湿罐301顶部，所述加湿罐301底部引出另一支路连接排水电磁阀304，所述加湿罐301上还设置有一路进水支路，所述进水电磁阀303设置在进水支路上。其中，加湿罐301为喷淋式加湿罐，用于气体加湿；液位传感器302用与测量加湿罐301的液位，当液位较低时开启进水电磁阀303进行加湿罐补水；当加湿罐301中液位过高时通过排水电磁阀304进行排水；水泵305用于提供整体加湿回路水流动能；加热器306用于整体加湿回路升温，加热器306同时具备电力调功器，从而调节加热功率；板式换热器308用于整体加湿回路水路的降温；板式换热器冷侧比例阀307用于控制板式换热器308冷侧流量，控制降温功率；热电偶温度传感器309用于检测露点温度。
62.阳极流量分配电动三通阀2的入口连接阳极进气系统1，所述阳极流量分配电动三通阀2的第一出口经过气体管道与多个并联的阳极气体通道连通，所述阳极流量分配电动三通阀2的第二出口贯通加湿罐301后与阳极流量分配电动三通阀2的第一出口连通。
63.阳极加湿系统为饱和加湿，通过水温控制，喷淋后使气体达到相应温度的饱和湿度。在本系统中，水温最低控制为20℃，因此本阳极加湿系统最低可实现20℃100222。通过阳极流量分配电动三通阀调节干气和湿气的混合比例，即可实现对最终混合气体的温湿度控制。例如干气流量为602，湿气流量为402，即可实现20℃40222的温湿度控制。
64.阳极进堆温湿度传感器4检测阳极进堆气体的湿度和温度。
65.阳极多通道进堆压力传感器5用于检测每个阳极气体通道进堆的气体压力。
66.阳极多通道出堆压力传感器6用于检测每个阳极气体通道出堆的气体压力。
67.阳极多通道出堆流量传感器7用于检测每个阳极气体通道出堆的气体流量。
68.阳极尾排降温板式换热器8的板换热侧为电堆出口气体，冷侧冷却水由实验室冷却水主管路提供，用于对尾排高温高湿氢气降温，保护后端背压阀同时减少进入实验室管路的尾排水。
69.阳极背压阀9用于控制整体管路压力。
70.阳极水汽分离罐10还包括液位传感器、电磁阀、球阀和相应管路，用于对整体管路液态水进行收集排放；
71.测试用的阳极气体经过阳极进气系统1预处理，随后经阳极流量分配电动三通阀2将部分阳极气体通过阳极加湿系统，剩余阳极气体和加湿后的阳极气体混合后通过多个并联的阳极气体通道，对每个阳极气体通道中的电堆进行测试。测试完的气体汇合后依次经过阳极尾拍降温板式换热器8降温，阳极背压阀9以及阳极水汽分离罐10后通向大气。
72.阴极进气系统11前端空气由实验室空气主管路提供，包括空气输送管和设置在空气输送管上的减压阀、过滤器、电磁阀和质量流量控制器，用于整体空气过滤、开关和流量控制。
73.阴极流量分配电动三通阀12用于控制空气干气和进加湿罐流量，用于实现温度和湿度的精确控制.
74.阴极加湿系统13与阳极加湿系统的结构以及工作原理均相同，此处不作赘述。
75.阴极进堆温湿度传感器14检测阴极进堆空气的湿度和温度。
76.阴极多通道进堆压力传感器15用于检测每个阴极气体通道进堆的气体压力。
77.阴极多通道出堆压力传感器16用于检测每个阴极气体通道出堆的气体压力。
78.阴极多通道出堆流量传感器17用于检测每个阴极气体通道出堆的气体流量。
79.阴极尾排降温板式换热器18的板换热侧为电堆出口气体，冷侧冷却水由实验室冷却水主管路提供，用于对尾排高温高湿氢气降温，保护后端背压阀同时减少进入实验室管路的尾排水。
80.阴极背压阀19用于控制整体管路压力。
81.阴极水汽分离罐20还包括液位传感器、电磁阀、球阀和相应管路，用于对整体管路液态水进行收集排放。
82.测试用的阳极气体经过阳极进气系统11预处理，随后经阳极流量分配电动三通阀12将部分阴极气体通过阴极加湿系统，剩余阴极气体和加湿后的阴极气体混合后通过多个并联的阴极气体通道，对每个阴极气体通道中的电堆进行测试。测试完的气体汇合后依次经过阴极尾拍降温板式换热器18降温，阴极背压阀19以及阴极水汽分离罐20后通向大气。
83.循环水路水箱21同时包括进水过滤器、电磁阀、液位传感器等，用于整体循环水路补水和储水。
84.水路背压阀22用于提供循环水路密闭回路增压。
85.循环水路水泵23用于控制整个循环水路流量。
86.水路进堆温度流量传感器24用于检测进堆水温和流量。
87.水路多通道进堆压力传感器25用于检测每路多通道的水压。
88.水路多通道出堆压力传感器26用于检测每个水路通道的出堆压力。
89.水路多通道出堆流量传感器27用于检测每个水路通道的出堆流量。
90.水路加热器27用于控制水路温度。
91.所述循环水路水箱21通过管道依次连接循环水路水泵23、水路进堆温度流量传感器24后与多个水路通道连接；
92.每个水路支路中依次连接水路多通道进堆压力传感器25、被测电堆、水路多通道出堆压力传感器26、水路多通道出堆流量传感器27；
93.每条水路支路汇合后通过管路与循环水路水箱21连通，所述水路加热器27设置在管路上。
94.水路背压阀22的一端连接外部气压源，所述水路背压阀22的另一端通过管道与循环水路水箱连通。通过水路背压阀22充气和放气的方式实现循环水路水箱21增压，即水泵入口和整体回路压力会进行增压。
95.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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技术的限制。
96.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，包括：阳极测试组件、阴极测试组件以及水路测试组件；所述阳极测试组件包括阳极加湿系统，以及多个并联设置的阳极气体通道，每个所述阳极气体通道的压力、流量和湿度均相等，每个所述阳极气体通道与一组电堆的阳极连接，所述阳极加湿系统调节所有阳极气体通道的湿度；所述阴极测试组件包括阴极加湿系统，以及多个并联设置的阴极气体通道，每个所述阴极气体通道的压力、流量和湿度均相等，每个所述阴极气体通道与一组电堆的阴极连接，所述阴极加湿系统调节所有阴极气体管道的湿度；所述水路测试组件包括多个并联设置的水路通道，每个所述水路通道的压力、流量和温度均相等，每个所述水路通道与一组电堆的水路接口连接。2.根据权利要求1所述的多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，所述阳极加湿系统包括：加湿罐、液位传感器、进水电磁阀、排水电磁阀、水泵、加热器、板式换热器冷侧比例阀、板式换热器、热电偶温度传感器；所述加湿罐底部引出一支路依次连接水泵、加热器、板式换热器后回到加湿罐顶部，所述加湿罐底部引出另一支路连接排水电磁阀，所述加湿罐上还设置有一路进水支路，所述进水电磁阀设置在进水支路上；所述阳极测试组件还包括阳极流量分配电动三通阀所述阳极流量分配电动三通阀的入口连接阳极气源，所述阳极流量分配电动三通阀的第一出口经过气体管道与多个并联的阳极气体通道连通，所述阳极流量分配电动三通阀的第一出口贯通加湿罐后与阳极流量分配电动三通阀的第一出口连通；所述阳极测试组件还包括阳极进堆温湿度传感器，所述阳极进堆温湿度传感器测量连通后的阳极气体温湿度。3.根据权利要求1所述的多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，所述阳极气体通道中依次连接有阳极多通道进堆压力检测单元、被测电堆、被测阳极多通道出堆压力检测单元和阳极多通道出堆流量检测单元。4.根据权利要求1所述的多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，所述阳极测试组件还包括依次连接的阳极尾排降温板式换热器、阳极背压阀和阳极水汽分离罐，多个所述阳极气体通道的末端汇合后与阳极尾排降温板式换热器连接。5.根据权利要求1所述的多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，所述阴极加湿系统包括：加湿罐、液位传感器、进水电磁阀、排水电磁阀、水泵、加热器、板式换热器冷侧比例阀、板式换热器、热电偶温度传感器；所述加湿罐底部引出一支路依次连接水泵、加热器、板式换热器后回到加湿罐顶部，所述加湿罐底部引出另一支路连接排水电磁阀，所述加湿罐上还设置有一路进水支路，所述进水电磁阀设置在进水支路上；所述阴极测试组件还包括阴极流量分配电动三通阀，所述阴极流量分配电动三通阀的入口连接阴极气源，所述阴极流量分配电动三通阀的第一出口经过气体管道与多个并联的阴极气体管道连通，所述阴极流量分配电动三通阀的第一出口贯通加湿罐后与阴极流量分配电动三通阀的第一出口连通；所述阴极测试组件还包括阴极进堆温湿度传感器，所述阴极进堆温湿度传感器测量连通后的阴极气体温湿度。
6.根据权利要求1所述的多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，所述阴极气体通道中依次连接有阴极多通道进堆压力检测单元、被测电堆、被测阴极多通道出堆压力检测单元和阴极多通道出堆流量检测单元。7.根据权利要求1所述的多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，所述阴极测试组件还包括依次连接的阴极尾排降温板式换热器、阴极背压阀和阴极水汽分离罐，多个所述阴极气体通道汇合后与阴极尾排降温板式换热器连接。8.根据权利要求1所述的多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，所述水路测试组件还包括循环水路水箱、循环水路水泵、水路进堆温度流量传感器、水路多通道进堆压力传感器、水路多通道出堆压力传感器、水路多通道出堆流量传感器以及水路加热器；所述循环水路水箱通过管道依次连接循环水路水泵、水路进堆温度流量传感器后与多个水路通道连接；每个水路支路中包括依次连接水路多通道进堆压力传感器、水路多通道出堆压力传感器、水路多通道出堆流量传感器；每条水路支路汇合后通过管路与循环水路水箱连通，所述水路加热器设置在管路上。9.根据权利要求1所述的多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，所述水路测试组件还包括水路背压阀；所述水路背压阀的一端连接外部气压源，所述水路背压阀的另一端通过管道与循环水路水箱连通。10.根据权利要求1所述的多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，其特征在于，所述阳极测试组件和阴极测试组件均采用空气作为测试气体。

技术总结
本发明提供了一种多通道燃料电池电堆干湿循环对比装置，包括：阳极测试组件、阴极测试组件以及水路测试组件；所述阳极测试组件包括阳极加湿系统，以及多个并联设置的阳极气体通道，所述阴极测试组件包括阴极加湿系统，以及多个并联设置的阴极气体通道，所述水路测试组件包括多个并联设置的水路通道。本发明提供的多通道燃料电池电堆干湿对比装置实现氢燃料电池质子膜机械耐久性的快速评价。通过气体压力、温度、流量均相等的多通道实现了不同的氢燃料电池质子膜电堆在相同工况下的对比，能实现更高效的测试。本装置可实现流量、温度、湿度、气体背压和干湿气体快速切换与精准控制。气体背压和干湿气体快速切换与精准控制。气体背压和干湿气体快速切换与精准控制。


技术研发人员：金贞峰 孙贺 杜晓莉 张茹 杨绍军 甘全全 戴威
受保护的技术使用者：上海神力科技有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/8