一种双通道多工况燃料电池电堆测试设备的制作方法

1.本发明涉及燃料电池检测技术领域，具体为一种双通道多工况燃料电池电堆测试设备。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。
3.在燃料电池开发工程中，经常会以燃料电池系统中电堆作为被测物，通过某种设备以及控制策略，为电堆供给氢气和空气，进而控制电堆的运行过程。在该过程中，通常会选择减少电堆被测物所包含的单电池数量，即使用短堆代替长堆进行电堆测试，以降低测试成本。
4.但是，使用短堆的测试方式，每次也就只能对一个电堆被测物进行测试。那么，对于向耐久性测试这样长周期试验的工序而言，如何在一次测试过程中或在一个时间段内，获得多个电堆被测物的数据，降低测试过程和数据获得过程的时间成本和经济成本，是本领域技术人员需要解决的技术问题，并且现有的电池电堆测试设备大多为单通道单一工况检测，并且供气方式相对单一，无法满足大功率燃料电池单堆测试需求，另外，阴阳极供气相对流向无法及时转换提供，为此，我们提出一种双通道多工况燃料电池电堆测试设备。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种双通道多工况燃料电池电堆测试设备，以解决背景技术中需要解决的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双通道多工况燃料电池电堆测试设备，包括总控制模块、第一控制模块、第二控制模块、双通道电子负载、第一测试系统和第二测试系统，所述总控制模块的输出端分别与第一控制模块和第二控制模块电性连接，所述第一控制模块的输出端与第一测试系统的输入端电性连接，所述第二控制模块的输出端与第二测试系统的输入端电性连接，所述第一测试系统和第二测试系统的输出端均与双通道电子负载的输入端电性连接；
7.所述第一测试系统和第二测试系统结构相同，且均由供气装置、热管理装置、尾排装置和燃料电池电堆组成，所述第一控制模块的输出端与供气装置、热管理装置和尾排装置的输入端电性连接，所述供气装置和热管理装置的输出端均与燃料电池电堆的输入端电性连接，所述燃料电池电堆的输出端与尾排装置的输入端电性连接，所述燃料电池电堆的另一输出端与双通道电子负载的输入端电性连接。
8.优选的，所述热管理装置包括储液罐、流量计、水泵、第二冷却板换和第二背压阀，
所述燃料电池电堆的一端通过第二连接管通过流量计与第一连接管固定连通，所述第一连接管的一端与储液罐固定连通，所述储液罐的底部通过水泵与第二加热器固定连通，所述第二加热器的一端通过第三连接管与第二冷却板换固定连通，所述第二冷却板换的一侧通过第四连接管固定连通有第二背压阀，所述第二背压阀的一侧固定连通有第五连接管，所述第五连接管远离第二背压阀的一端与燃料电池电堆固定连通。
9.优选的，所述第二连接管的表面分别贯穿设置有第三温度传感器和第三压力传感器，所述第五连接管的表面分别贯穿设置有第四温度传感器、第四压力传感器和第一电导率传感器。
10.优选的，所述供气装置包括空气供应管、减压阀、质量流量控制器、第一氮气供应管、第一加热器和第一加湿器，所述空气供应管的一侧固定连通有第一输气管，所述第一输气管的一侧通过减压阀固定连通有质量流量控制器，所述质量流量控制器的出气端固定连通有第二输气管，所述第二输气管的表面贯穿设置有第一氮气供应管，所述第二输气管远离质量流量控制器的一端与第一加热器固定连通，所述第一加热器的出口一端通过第三输气管与第一加湿器固定连通，所述第一加湿器的出口一端固定连通有第四输气管，所述第四输气管远离第一加湿器的一端与燃料电池电堆相互连通。
11.优选的，所述供气装置还包括第二加湿器、第三加热器、三通阀、电磁阀，所述第二加湿器的进口一端固定连通有第三加热器，所述第三加热器的一端固定连通有第一输送管，所述第一输送管的一端固定连通有第二氮气供应管，所述第一输送管的底部固定连通有氢气供应管，所述第二加湿器的出口一端固定连通有第二输送管，所述第二输送管的一端固定连通有三通阀，所述三通阀的其中一组出口固定连通有第三输送管，所述第三输送管远离三通阀的延伸至燃料电池电堆的内部，所述燃料电池电堆的另一侧固定连通有第四输送管，所述第四输送管远离燃料电池电堆的一端通过电磁阀固定连通有第五输送管，所述燃料电池电堆的一侧固定连通有回流管，所述回流管远离燃料电池电堆的一端与第四输送管的底部固定连通，所述三通阀的另一出口固定连通有分流管，所述分流管远离三通阀的一端与第五输送管的底部固定连通。
12.优选的，所述第四输气管的表面贯穿设置有第一温度传感器、第一压力传感器和湿度传感器，所述第四输送管的表面贯穿设置有第二电导率传感器、第五压力传感器和第五温度传感器。
13.优选的，所述尾排装置包括第五输气管、第一背压阀和第一冷却板换，所述燃料电池电堆的另一侧固定连通有第五输气管，所述第五输气管的一端通过第一背压阀固定连通有第六输气管，所述第六输气管远离第一背压阀的一端延伸至第一冷却板换的进口位置，所述第一冷却板换的出口位置固定连通有阴极尾气排放管，所述第五输气管的表面贯穿设置有第二温度传感器和第二压力传感器。
14.优选的，所述尾排装置还包括第三背压阀和第三冷却板换，所述第五输送管远离电磁阀的一端固定连通有第三背压阀，所述第三背压阀的进口位置通过第六输送管与第三冷却板换的进口位置固定连通，所述第三冷却板换的出口位置固定连通有阳极尾气排放管。
15.优选的，所述第一冷却板换、第二冷却板换和第三冷却板换的底部分别固定连通有冷却水进水管和冷却水出水管。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.1、本发明实现多通道、多电堆独立或并联扩容测试，也可实现双通道联合供气，满足大功率燃料电池单堆测试需求。另外，可在线切换阴阳极供气相对流向，实现燃料电池电堆变结构、多工况测试；
18.2、本发明处于并机模式下，第一测试系统和第二测试系统并机测试，通过控制双通道电子负载便可以实现同步平衡带载和不平衡带载测试；
19.3、当处于非并机模式下，第一控制模块和第二控制模块分别控制第一测试系统和第二测试系统独立完成测试；并且在处于单堆模式下的时候，第一测试系统和第二测试系统相互并联并且通过供气装置、热管理装置以及联合尾排装置进行共同工作，从而便可以实现测试单机的扩容；
20.4、当双通道电子负载工作模式以及相关参数量设定完成之后，启动双通道电子负载进行燃料电池电堆测试，随后便可以对相应数据参数进行调整，并且也可通过电动三通阀切换气体供给流向，即切换电堆反应气体进出口位置，以达到调整阴阳极反应气体相对流向的目的。
附图说明
21.图1为本发明系统原理示意图；
22.图2为本发明连接结构示意图。
23.图中：1总控制模块、2第一控制模块、3第二控制模块、4双通道电子负载、5第一测试系统、6第二测试系统、7供气装置、8热管理装置、9尾排装置、10燃料电池电堆、11空气供应管、12第一输气管、13减压阀、14质量流量控制器、15氮气供应管、16第二输气管、17第一加热器、18第三输气管、19第一加湿器、20第四输气管、21第五输气管、22第一背压阀、23第六输气管、24第一冷却板换、25阴极尾气排放管、26储液罐、27第一连接管、28流量计、29第二连接管、30水泵、31第二加热器、32第三连接管、33第二冷却板换、34第四连接管、35第二背压阀、36第五连接管、37第二加湿器、38第一输送管、39第三加热器、40第二氮气供应管、41氢气供应管、42三通阀、43第二输送管、44第三输送管、45第四输送管、46电磁阀、47分流管、48回流管、49第五输送管、50第三背压阀、51第六输送管、52第三冷却板换、53阳极尾气排放管、54第一温度传感器、55第一压力传感器、56湿度传感器、57第二温度传感器、58第二压力传感器、59第三温度传感器、60第三压力传感器、61第四温度传感器、62第四压力传感器、63第一电导率传感器、64第二电导率传感器、65第五压力传感器、66第五温度传感器。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.请参阅图1和图2，本发明提供一种技术方案：一种双通道多工况燃料电池电堆测试设备，包括总控制模块1、第一控制模块2、第二控制模块3、双通道电子负载4、第一测试系统5和第二测试系统6，所述总控制模块1的输出端分别与第一控制模块2和第二控制模块3
电性连接，所述第一控制模块2的输出端与第一测试系统5的输入端电性连接，所述第二控制模块3的输出端与第二测试系统6的输入端电性连接，所述第一测试系统5和第二测试系统6的输出端均与双通道电子负载4的输入端电性连接；
26.其中，处于并机模式下，第一测试系统5和第二测试系统6并机测试，通过控制双通道电子负载4便可以实现同步平衡带载和不平衡带载测试；
27.当处于非并机模式下，第一控制模块2和第二控制模块3分别控制第一测试系统5和第二测试系统6独立完成测试；并且在处于燃料电池电堆10单堆模式下的时候，第一测试系统5和第二测试系统6相互并联并且通过供气装置7、热管理装置8以及联合尾排装置9进行共同工作，从而便可以实现测试单机的扩容，而设置的总控制模块1可以实现对第一控制模块2和第二控制3的共同控制或者单一控制。
28.请参阅图2，所述第一测试系统5和第二测试系统6结构相同，且均由供气装置7、热管理装置8、尾排装置9和燃料电池电堆10组成，所述第一控制模块2的输出端与供气装置7、热管理装置8和尾排装置9的输入端电性连接，所述供气装置7和热管理装置8的输出端均与燃料电池电堆10的输入端电性连接，所述燃料电池电堆10的输出端与尾排装置9的输入端电性连接，所述燃料电池电堆10的另一输出端与双通道电子负载4的输入端电性连接。
29.所述热管理装置8包括储液罐26、流量计28、水泵30、第二冷却板换33和第二背压阀35，所述燃料电池电堆10的一端通过第二连接管29通过流量计28与第一连接管27固定连通，所述第一连接管27的一端与储液罐26固定连通，所述储液罐26的底部通过水泵30与第二加热器31固定连通，所述第二加热器31的一端通过第三连接管32与第二冷却板换33固定连通，所述第二冷却板换33的一侧通过第四连接管34固定连通有第二背压阀35，所述第二背压阀35的一侧固定连通有第五连接管36，所述第五连接管36远离第二背压阀35的一端与燃料电池电堆10固定连通，所述第二连接管29的表面分别贯穿设置有第三温度传感器59和第三压力传感器60，所述第五连接管36的表面分别贯穿设置有第四温度传感器61、第四压力传感器62和第一电导率传感器63。
30.其中，热管理装置8的设置可以为燃料电池电堆10进行供水，而在供水的过程中，通过水泵30可以将储液罐26内部的等会离子水通过第二电加热器31和第二冷却板换33将去离子水温度达到相应的设定温度，随后便可以经过第二背压阀35调整至相应的额定压力输送至燃料电池电堆10的内部，随后循环完成过后的去离子水可以经过第二连接管29和第一连接管27重新输送至储液罐26的内部进行去离子水再利用，并且第三温度传感器59和第三压力传感器60的设置可以对第二连接管29输出的去离子水的温度以及输出压力60进行检测，随后便可以将数据传输至总控制模块1内部，随后与第四温度传感器61、第四压力传感器62和第一电导率传感器63相互配合，从而可以利用第二电加热器31和第二冷却板换33将去离子水设置至相应的温度，而设置的第一电导率传感器63可以对第五连接管36内部去离子水的电导率。
31.请参阅图2，所述供气装置7包括空气供应管11、减压阀13、质量流量控制器14、第一氮气供应管15、第一加热器17和第一加湿器19，所述空气供应管11的一侧固定连通有第一输气管12，所述第一输气管12的一侧通过减压阀13固定连通有质量流量控制器14，所述质量流量控制器14的出气端固定连通有第二输气管16，所述第二输气管16的表面贯穿设置有第一氮气供应管15，所述第二输气管16远离质量流量控制器14的一端与第一加热器17固
定连通，所述第一加热器17的出口一端通过第三输气管18与第一加湿器19固定连通，所述第一加湿器19的出口一端固定连通有第四输气管20，所述第四输气管20远离第一加湿器19的一端与燃料电池电堆10相互连通，所述第四输气管20的表面贯穿设置有第一温度传感器54、第一压力传感器55和湿度传感器56。
32.其中，供气装置7的设置可以使空气供应管11输送的空气以及第一氮气供应管15供应的氮气通过第一加湿器19进行加湿处理之后经过第四输气管20输送至燃料电池电堆10的内部，而第四输气管20表面设置的第一温度传感器54、第一压力传感器55和湿度传感器56可以对输送的物料温度，压力以及湿度进行及时采集，并可以将数据及时传输至第一控制模块2的内部，随后便可以根据相应的额定数据来控制减压阀13和质量流量控制器14来改变空气的输送流速，并且通过改变第一加湿器19和第一加热器17来使输送的空气以及氮气改变至相应的湿度以及温度。
33.请参阅图2，所述供气装置7还包括第二加湿器37、第三加热器39、三通阀42、电磁阀46，所述第二加湿器37的进口一端固定连通有第三加热器39，所述第三加热器39的一端固定连通有第一输送管38，所述第一输送管38的一端固定连通有第二氮气供应管40，所述第一输送管38的底部固定连通有氢气供应管41，所述第二加湿器37的出口一端固定连通有第二输送管43，所述第二输送管43的一端固定连通有三通阀42，所述三通阀42的其中一组出口固定连通有第三输送管44，所述第三输送管44远离三通阀42的延伸至燃料电池电堆10的内部，所述燃料电池电堆10的另一侧固定连通有第四输送管45，所述第四输送管45远离燃料电池电堆10的一端通过电磁阀46固定连通有第五输送管49，所述燃料电池电堆10的一侧固定连通有回流管48，所述回流管48远离燃料电池电堆10的一端与第四输送管45的底部固定连通，所述三通阀42的另一出口固定连通有分流管47，所述分流管47远离三通阀42的一端与第五输送管49的底部固定连通，所述第四输送管45的表面贯穿设置有第二电导率传感器64、第五压力传感器65和第五温度传感器66。
34.其中，第二氮气供应管40和氢气供应管41的设置可以为燃料电池电堆10提供相应的氢气和氮气，而设置的三通阀可以改变气体的输送方向，当气体通过第三输送管44输送的过程中，首先第三输送管44可以使气体输送至燃料电池电堆10的内部，并通过第四输送管45和电磁阀46进行输送，而当需要改变气体的运动方向时，首先关闭电磁阀46，电磁阀46关闭之后，首先通过分流管47回流输送至第四输送管45的内部，并且可以改变气体的运动方向，使气体由第四输送管45输送至燃料电池电堆10的内部，从而便可以完成电堆反应气体进出口位置的快速切换，从而可以达到调整阴阳极反应气体相对流向的目的。
35.请参阅图2，所述所述尾排装置9包括第五输气管21、第一背压阀22和第一冷却板换24，所述燃料电池电堆10的另一侧固定连通有第五输气管21，所述第五输气管21的一端通过第一背压阀22固定连通有第六输气管23，所述第六输气管23远离第一背压阀22的一端延伸至第一冷却板换24的进口位置，所述第一冷却板换24的出口位置固定连通有阴极尾气排放管25，所述第五输气管21的表面贯穿设置有第二温度传感器57和第二压力传感器58。
36.所述尾排装置9还包括第三背压阀50和第三冷却板换52，所述第五输送管49远离电磁阀46的一端固定连通有第三背压阀50，所述第三背压阀50的进口位置通过第六输送管51与第三冷却板换52的进口位置固定连通，所述第三冷却板换52的出口位置固定连通有阳极尾气排放管53。
37.其中，尾排装置9的设置可以对排出的尾气进行处理，并且通过第一冷却板换24和第三冷却板换52进行处理，充分冷却，并产生了大量冷凝水，而产生的冷凝水可以与储液罐26相互连通，经过气液分离器分水后，将冷凝后的去离子水进行二次利用，随后气体便可以经过阴极尾气排放管25和阳极尾气排放管53经过排空。
38.所述第一冷却板换24、第二冷却板换33和第三冷却板换52的底部分别固定连通有冷却水进水管和冷却水出水管。
39.使用时，首先，选择并机、非并机或单堆测试模式，进入测试状态，随后通过第一控制模块2和第二控制模块3，控制相应第一测试系统5和第二侧视系统6内部的供气装置7先对被测件进行氮气保压与吹扫，确保系统无外漏，和无多余气体，随后通过总控制模块1设定相应的燃料电池电堆10的信息，并分别设定阴阳极量气体流量、压力、温度和湿度，以及冷却水路流量、温度，然后通过第一控制模块2和第二控制模块3调节控制各路参数达到设定值，当工况条件稳定后，设定双通道电子负载4工作模式以及相关参数量，启动双通道电子负载4进行燃料电池电堆10测试，可根据实验情况在线调整相关参数量，如温度调整、压力调整、流量调整、负载调整，并且电动三通阀可以切换气体供给流向，即切换燃料电池电堆10反应气体进出口位置，以达到调整阴阳极反应气体相对流向的目的，并且处于并机模式下，第一测试系统5和第二测试系统6并机测试，通过控制双通道电子负载4便可以实现同步平衡带载和不平衡带载测试；
40.当处于非并机模式下，第一控制模块2和第二控制模块3分别控制第一测试系统5和第二测试系统6独立完成测试；并且在处于燃料电池电堆10单堆模式下的时候，第一测试系统5和第二测试系统6相互并联并且通过供气装置7、热管理装置8以及联合尾排装置9进行共同工作，从而便可以实现测试单机的扩容，而设置的总控制模块1可以实现对第一控制模块2和第二控制3的共同控制或者单一控制，而热管理装置8的设置可以为燃料电池电堆10进行供水，而在供水的过程中，通过水泵30可以将储液罐26内部的等会离子水通过第二电加热器31和第二冷却板换33将去离子水温度达到相应的设定温度，随后便可以经过第二背压阀35调整至相应的额定压力输送至燃料电池电堆10的内部，随后循环完成过后的去离子水可以经过第二连接管29和第一连接管27重新输送至储液罐26的内部进行去离子水再利用，并且第三温度传感器59和第三压力传感器60的设置可以对第二连接管29输出的去离子水的温度以及输出压力60进行检测，随后便可以将数据传输至总控制模块1内部，随后与第四温度传感器61、第四压力传感器62和第一电导率传感器63相互配合，从而可以利用第二电加热器31和第二冷却板换33将去离子水设置至相应的温度，而设置的第一电导率传感器63可以对第五连接管36内部去离子水的电导率，供气装置7的设置可以使空气供应管11输送的空气以及第一氮气供应管15供应的氮气通过第一加湿器19进行加湿处理之后经过第四输气管20输送至燃料电池电堆10的内部，而第四输气管20表面设置的第一温度传感器54、第一压力传感器55和湿度传感器56可以对输送的物料温度，压力以及湿度进行及时采集，并可以将数据及时传输至第一控制模块2的内部，随后便可以根据相应的额定数据来控制减压阀13和质量流量控制器14来改变空气的输送流速，并且通过改变第一加湿器19和第一加热器17来使输送的空气以及氮气改变至相应的湿度以及温度，随后第二氮气供应管40和氢气供应管41的设置可以为燃料电池电堆10提供相应的氢气和氮气，而设置的三通阀可以改变气体的输送方向，当气体通过第三输送管44输送的过程中，首先第三输送管44可以
使气体输送至燃料电池电堆10的内部，并通过第四输送管45和电磁阀46进行输送，而当需要改变气体的运动方向时，首先关闭电磁阀46，电磁阀46关闭之后，首先通过分流管47回流输送至第四输送管45的内部，并且可以改变气体的运动方向，使气体由第四输送管45输送至燃料电池电堆10的内部，从而便可以完成电堆反应气体进出口位置的快速切换，从而可以达到调整阴阳极反应气体相对流向的目的，最后尾排装置9的设置可以对排出的尾气进行处理，并且通过第一冷却板换24和第三冷却板换52进行处理，充分冷却，并产生了大量冷凝水，而产生的冷凝水可以与储液罐26相互连通，经过气液分离器分水后，将冷凝后的去离子水进行二次利用，随后气体便可以经过阴极尾气排放管25和阳极尾气排放管53经过排空。
41.实验结束后，停止电子负载，并先后停止反应气体压力、温度、流量控制，接着停止冷却水路循环。然后，开启氮气吹扫，直至反应气体吹扫干净，保证设备停机安全。最后，关闭气源、水源和电源。
42.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。