用于燃料电池测试的阴极气体供应系统和方法与流程

本发明涉及燃料电池测试领域，尤其涉及一种用于燃料电池测试的阴极气体供应系统。进一步地，本发明还涉及一种用于燃料电池测试的阴极气体供应方法。

背景技术：

燃料电池是将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置，其不受卡诺循环效应的限制，具有较高的效率。对于燃料电池，例如，质子交换膜燃料电池(pemfc)，通过将含有氢气的燃料气体和含有氧气的氧化气体分别供应至质子交换膜两侧的阳极和阴极，来进行电化学反应，从而将化学能直接转换成电能。

随着燃料电池行业的飞速发展，各种应用场景均对燃料电池的性能提出了更高的需求。因此，无论是在燃料电池的研发过程中，还是在燃料电池的生产测试中，提供一种精确、快速和稳定的用于燃料电池测试的气体供应系统是十分必要的。为了确定燃料电池最佳的工作条件，需要设定不同的气体供应温度和湿度，进而测试所述燃料电池在不同工作条件下的性能，从而用于验证设计方案和为后续研发提供精确的数据支撑。

现有的用于燃料电池测试的阴极气体供应系统大多通过鼓泡法对阴极供应气体进行加湿处理，而且通过调控加湿装置中加湿水的温度来控制阴极供应气体的温度。但是，为了在加湿装置中使加湿水与阴极供应气体进行充分的热交换，使阴极供应气体的温度被抬升至与加湿水的温度基本相同，需要确保加湿装置中循环有足量的加湿水。显然地，加湿水的量越多，需要的温度调控时间越长。因此，现有技术中普遍存在的问题就是对于阴极供应气体的湿度和温度调控时间过长，响应速度和响应效率较低，增加了测试的时间成本。此外，加湿水的量越多，加湿装置的体积必然越大。

技术实现要素：

本发明的主要优势在于提供一种用于燃料电池测试的阴极气体供应系统，其中所述阴极气体供应系统能够利用燃料电池中电化学反应产生的热能对阴极供应气体预加热，以减少所述阴极气体供应系统的加湿装置中加湿水的需求量，进而缩短对所述阴极供应气体的湿度和温度的调控时间，从而提高所述阴极气体供应系统的响应速度和响应效率。

本发明的另一优势在于提供一种用于燃料电池测试的阴极气体供应系统，其中被设置在供气端与所述加湿装置之间的热交换单元适于与所述燃料电池的电堆的至少一个出口相连通，以使所述燃料电池产生的部分热能通过所述出口被携带至所述热交换单元，从而使所述阴极供应气体能够在所述热交换单元内利用所述热能进行热交换。

本发明的另一优势在于提供一种用于燃料电池测试的阴极气体供应系统，由于所述加湿装置中加湿水的需求量减少，所述加湿装置的体积和尺寸能够相应地减少，以节约占地空间和制造成本。

本发明的另一优势在于提供一种用于燃料电池测试的阴极气体供应方法，其中在所述阴极供应气体被通入所述加湿装置中进行加湿之前，利用所述燃料电池中电化学反应产生的热能对所述阴极供应气体预加热，通过对所述燃料电池产生的废热的回收和利用，在不增加额外的热源的前提下，提高了所述阴极气体供应系统的响应速度和响应效率。

为了实现本发明上述至少一个目的或优势，本发明提供一种用于燃料电池测试的阴极气体供应系统，适于为燃料电池的电堆供应一种阴极供应气体，其中所述电堆具有至少一个出口，包括：

供气路，用于供应所述阴极供应气体；

加湿装置，其中所述加湿装置被设置在所述供气路；

加湿水回路，用于对所述加湿装置内的加湿水进行循环和控温；和

热交换单元，其中所述热交换单元被设置在所述供气路中所述加湿装置的上游，并且所述热交换单元适于与所述电堆的至少一个出口相连通，以使所述阴极供应气体能够在所述热交换单元内，利用通过所述出口被携带至所述热交换单元的所述燃料电池产生的热能，来进行热交换。

进一步地，所述加湿水回路中设有一个用于控制加湿水循环的加湿水水泵、一个加湿水加热器和一个加湿水冷却装置，其中所述加湿水加热器和所述加湿水冷却装置均用于调节所述加湿水的温度。

进一步地，所述加湿装置包括鼓泡区，填料区、分离区、设置在所述鼓泡区的进气歧管、以及设置在所述填料区与所述分离区之间的多个雾化喷头，其中所述填料区设置在所述鼓泡区与所述分离区之间，所述鼓泡区与所述加湿水回路的一端相连通，所述雾化喷头与所述加湿水回路的另一端相连通。

进一步地，其特征在于，所述热交换单元包括一个阴极热交换装置，其中所述阴极热交换装置被设置在所述加湿装置上游的所述供气路，所述阴极热交换装置还被设置在所述燃料电池的阴极排路，且通过所述阴极排路与所述出口中的阴极出口相连通。

进一步地，所述热交换单元包括一个阳极热交换装置，其中所述阳极热交换装置被设置在所述加湿装置上游的所述供气路，所述阳极热交换装置还被设置在所述燃料电池的阳极循环路，且通过所述阳极循环路与所述出口中的阳极出口相连通。

进一步地，所述热交换单元包括一个水路热交换装置，其中所述水路热交换装置被设置在所述加湿装置上游的所述供气路，所述水路热交换装置还被设置在所述燃料电池的冷却液循环路，且通过所述冷却液循环路与所述出口中的冷却液出口相连通。

进一步地，所述热交换单元包括串联在所述供气路的阴极热交换装置、阳极热交换装置和水路热交换装置，其中所述阴极热交换装置在所述供气路中被设置在所述水路热交换装置的上游，其中所述阳极热交换装置在所述供气路中被设置在所述水路热交换装置的上游。

进一步地，所述热交换单元包括一个集成热交换装置和一个水路热交换装置，其中所述集成热交换装置设置在所述供气路中所述水路热交换装置的上游，其中所述集成热交换装置包括集热腔、至少一个阴极热交换通道、至少一个阳极热交换通道、以及至少一个供气热交换通道，其中所述阴极热交换通道、所述阳极热交换通道、和所述供气热交换通道均被容纳在所述集热腔，其中所述阴极热交换通道连通在所述燃料电池的阴极排路中，所述阳极热交换通道连通在所述燃料电池的阳极循环路中，所述供气热交换通道连通在所述供气路中，其中所述集热腔内充设有热传递介质。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种用于燃料电池测试的阴极气体供应方法，包括以下步骤：

s1、使阴极供应气体流入热交换单元内，利用被携带至所述热交换单元的所述燃料电池产生的热能，对所述阴极供应气体以热交换的形式进行预热；

s2、被预热的所述阴极供应气体流入加湿装置中，在所述加湿装置中被加湿，并且被进一步加热；和

s3、所述阴极供应气体流出所述加湿装置后，被通入所述燃料电池的电堆内。

特别地，所述步骤s1进一步包括以下步骤s1a、s1b、s1c中至少一个步骤：

s1a、使所述阴极供应气体和所述燃料电池的阴极反应产物分别流入所述热交换单元的阴极热交换装置，利用所述阴极反应产物携带出的热能对所述阴极供应气体预加热；

s1b、使所述阴极供应气体和所述燃料电池的阳极循环物分别流入所述热交换单元的阳极热交换装置，利用所述阳极循环物携带出的热能对所述阴极供应气体预加热；

s1c、使所述阴极供应气体和所述燃料电池的冷却液分别流入所述热交换单元的水路热交换装置，利用所述冷却液携带出的热能对所述阴极供应气体预加热。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的用于燃料电池测试的阴极气体供应系统的示意图；

图2为本发明另一实施例的用于燃料电池测试的阴极气体供应系统的示意图；

图3为本发明另一实施例的用于燃料电池测试的阴极气体供应系统的示意图；

图4为本发明另一实施例的用于燃料电池测试的阴极气体供应系统的示意图；

图5为本发明另一实施例的用于燃料电池测试的阴极气体供应系统的部分示意图，其主要示出了热交换单元的一种实施方式，与上述实施例中相同的结构关系不进行全部显示；

图6为本发明另一实施例的用于燃料电池测试的阴极气体供应系统的部分示意图，其主要示出了所述热交换单元的另一种实施方式，与上述实施例中相同的结构关系不进行全部显示；

图7为本发明的用于燃料电池测试的阴极气体供应方法的步骤示意图；

图8为本发明所述用于燃料电池测试的阴极气体供应方法的另一步骤示意图。

具体实施方式

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，以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明，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。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域普通技术人员应该理解，除非本文中特地指出，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。

本领域普通技术人员应该理解，除非本文中特地指出，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等所指代的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所涉及的装置或元件必须具有特定的方位或位置。因此，上述术语不应理解为对本发明的限制。

参考本发明说明书附图之图1至图6所示，根据本发明实施例的用于燃料电池测试的阴极气体供应系统的实施方式和原理被阐明。所述阴极气体供应系统用于在燃料电池测试中，为所述燃料电池的电堆3供应具有设定的湿度和温度的阴极供应气体。本发明所述的燃料电池，更具体地是指质子交换膜燃料电池，其原理是通过将含有氢气的燃料气体和含有氧气的氧化气体分别供应至质子交换膜两侧的阳极和阴极，来进行电化学反应，从而将化学能直接转换成电能。本领域技术人员应该理解的是，所述阴极供应气体可以是空气、氧气、空气与氧气的混合气体和/或其它含有氧气的气体等。

所述阴极气体供应系统包括连通在供气端和所述电堆3的阴极入口之间的供气路1、被设置在所述供气路1的热交换单元10和加湿装置11、以及用于对所述加湿装置11内的加湿水进行循环和控温的加湿水回路2，其中所述阴极供应气体自所述供气端被提供，依次流经所述热交换单元10和所述加湿装置11后，通入所述电堆3内参与电化学反应。具体地，所述热交换单元10被设置在所述供气端和所述加湿装置11之间，所述加湿装置11被设置在所述热交换单元10和所述电堆3的阴极入口之间。

可以理解的是，根据所述阴极供应气体在所述供气路1中的流动方向，相对靠近所述供气端定义为上游，相对靠近所述电堆3的阴极入口定义为下游。因此，所述热交换单元10被设置在所述供气路1中所述加湿装置11的上游。

特别地，在所述阴极气体供应系统的所述加湿水回路2中设有一个用于控制加湿水循环的加湿水水泵21、一个加湿水加热器22和一个加湿水冷却装置23，其中所述加湿水加热器22和所述加湿水冷却装置23均用于调节所述加湿水的温度，如在所述加湿水的温度低于设定温度时，增大所述加湿水加热器22的功率，在所述加湿水的温度高于设定温度时，关闭所述加湿水加热器22，同时通过所述加湿水冷却装置23对所述加湿水进行冷却降温。在所述阴极气体供应系统中，从所述加湿装置11内流出的所述阴极供应气体的温度应当被抬升至与所述加湿水的温度基本相同。因此，所述阴极供应气体需要在所述加湿装置11中与所述加湿水进行充分的热交换，而通入所述加湿装置11中的所述阴极供应气体的温度越低，所述加湿装置11中所述加湿水的需求量就越大。相应地，所述加湿水的量越大，其被升温和降温所需的时间就越长。更特别地，所述加湿水为去离子水。

进一步地，所述热交换单元10适于与电堆3的至少一个出口30相连通，以使所述燃料电池产生的部分热能通过所述出口30被携带至所述热交换单元10，从而使所述阴极供应气体能够在所述热交换单元10内利用所述热能进行热交换。

因此，所述阴极气体供应系统先在所述热交换单元10内利用所述热能对所述阴极供应气体预加热，再将所述阴极供应气体通入至所述加湿装置11内与所述加湿水进行热交换。可以理解的是，所述热交换单元10为所述加湿装置11分担了部分热交换负荷，能够减少所述加湿装置11中所述加湿水的需求量，进而缩短对所述阴极供应气体的湿度和温度的调控时间，从而提高了所述阴极气体供应系统的响应速度和响应效率。此外，由于所述加湿装置11中所述加湿水的需求量减少，所述加湿装置11的体积和尺寸能够相应地减少，以节约占地空间和制造成本。从另一个方面来说，所述阴极气体供应系统通过对所述燃料电池产生的废热的回收和利用，在不增加额外的热源的前提下，提高了响应速度和响应效率。

进一步地，所述加湿装置11包括鼓泡区111，填料区112、分离区113、设置在所述鼓泡区111的进气歧管114、以及设置在所述填料区112与所述分离区113之间的多个雾化喷头115，其中所述填料区112设置在所述鼓泡区111与所述分离区113之间，所述鼓泡区111与所述加湿水回路2的一端相连通，所述雾化喷头115与所述加湿水回路2的另一端相连通。可以理解的是，所述加湿装置11内的所述加湿水在所述鼓泡区111内具有一定的液位高度，并且所述加湿水能够从所述鼓泡区111经所述加湿水回路2回流至所述雾化喷头115，经所述雾化喷头115呈雾状喷出后，再汇聚在所述鼓泡区111，从而在所述加湿水回路2和所述加湿装置11内进行循环。所述阴极供应气体通过所述进气歧管114进入所述鼓泡区111内进行初步加湿，然后进入所述填料区112内进行充分加湿，最后通过所述分离区113分离掉所述阴极供应气体携带的液滴后通入所述电堆3内。所述雾化喷头115与所述填料区112能够增强所述加湿装置11的加湿效果和加湿效率。优选地，所述填料区112具有致密的蜂窝状多孔结构。

根据上述描述，本发明用于燃料电池测试的阴极气体供应系统的基本原理和核心发明精神被阐明，下述将结合部分具体的实施方式进行展开。在本发明的一个实施例中，参考本发明说明书附图之图2，所述热交换单元10包括一个阴极热交换装置101，其中所述阴极热交换装置101被设置在所述加湿装置11上游的所述供气路1。进一步地，所述阴极热交换装置101还被设置在所述燃料电池的阴极排路31，且通过所述阴极排路31与所述出口30中的阴极出口301相连通。可以理解的是，所述阴极排路31和所述阴极出口301用于排出所述燃料电池的阴极反应产物，如未反应完的空气和/或氧气，以及生成的水等，其中所述阴极反应产物将携带出所述燃料电池电化学反应中产生的部分热能。因此，所述阴极热交换装置101被设置允许所述阴极供应气体和所述阴极反应产物分别流经所述阴极热交换装置101，以供所述阴极供应气体和所述阴极反应产物在所述阴极热交换装置101内进行热交换，从而利用所述阴极反应产物携带出的热能对所述阴极供应气体预加热。

参考本发明说明书附图之图3，在本发明的另一个实施例中，所述热交换单元10包括一个阳极热交换装置102，其中所述阳极热交换装置102被设置在所述加湿装置11上游的所述供气路1。进一步地，所述阳极热交换装置102还被设置在所述燃料电池的阳极循环路32，且通过所述阳极循环路32与所述出口30中的阳极出口302相连通。可以理解的是，所述阳极循环路32连通在所述阳极出口302和所述电堆3的阳极入口之间，用于使阳极循环物(部分水和未反应完的阳极气体，如氢气)经气液分离器321除水后，再通过循环泵322循环回所述电堆3内，其中所述阳极循环物将携带出所述燃料电池电化学反应中产生的部分热能。因此，所述阳极热交换装置102被设置允许所述阴极供应气体和所述阳极循环物分别流经所述阳极热交换装置102，以供所述阴极供应气体和所述阳极循环物在所述阳极热交换装置102内进行热交换，从而利用所述阳极循环物携带出的热能对所述阴极供应气体预加热。

优选地，所述阳极热交换装置102在所述阳极循环路32中被设置在所述气液分离器321的上游，其中，根据所述阳极循环物的流向，相对靠近所述阳极出口302被定义为上游，相对靠近所述阳极入口被定义为下游。因此，所述阳极热交换装置102不仅能够对所述阴极供应气体进行预热，还能使所述阳极循环物被降温，以增强所述阳极循环物在所述气液分离器321中的除水效果。

参考本发明说明书附图之图4，在本发明的另一个实施例中，所述热交换单元10包括一个水路热交换装置103，其中所述水路热交换装置103被设置在所述加湿装置11上游的所述供气路1。进一步地，所述水路热交换装置103还被设置在所述燃料电池的冷却液循环路33，且通过所述冷却液循环路33与所述出口30中的冷却液出口303相连通。可以理解的是，所述冷却液循环路33连通在所述冷却液出口303和所述电堆3的冷却液入口之间，用于使冷却液(如去离子水或50％乙二醇溶液等)经散热器331散热冷却后，再通过冷却液水泵332循环回所述电堆3内，继续为所述电堆3降温，其中所述冷却液将携带出所述燃料电池电化学反应中产生的部分热能。因此，所述水路热交换装置103被设置允许所述阴极供应气体和所述冷却液分别流经所述水路热交换装置103，以供所述阴极供应气体和所述冷却液在所述水路热交换装置103内进行热交换，从而利用所述冷却液携带出的热能对所述阴极供应气体预加热。

优选地，所述水路热交换装置103在所述冷却液循环路33中被设置在所述散热器331的上游，其中，根据所述冷却液的流向，相对靠近所述冷却液出口303被定义为上游，相对靠近所述冷却液入口被定义为下游。因此，所述水路热交换装置103不仅能够对所述阴极供应气体进行预热，还能使所述冷却液被降温，以分担所述散热器331的负荷。

参考本发明说明书附图之图5，在本发明的一些实施例中，所述热交换单元10包括所述阴极热交换装置101、所述阳极热交换装置102和所述水路热交换装置103中的任意一个、两个或全部。值得一提的是，所述阴极热交换装置101、所述阳极热交换装置102和所述水路热交换装置103与所述燃料电池的连接关系分别与上述图2、3和4中所示的实施方式相同。特别地，在本发明的另一个实施例中，所述热交换单元10的所述阴极热交换装置101、所述阳极热交换装置102和所述水路热交换装置103串联在所述供气路1，其中所述阴极热交换装置101在所述供气路1中被设置在所述水路热交换装置103的上游，其中所述阳极热交换装置102在所述供气路1中被设置在所述水路热交换装置103的上游。

本领域技术人员能够理解的是，当燃料电池的运行状态发生改变时，从所述电堆3的所述出口30被携带出的热能是波动的，尤其是从所述阴极出口301和所述阳极出口302被携带出的热能，这势必会导致所述阴极热交换装置101和所述阳极热交换装置102中的热交换过程处于非稳定状态，导致进入所述加湿装置11中的所述阴极供应气体的温度产生波动，不利于所述阴极气体供应系统进行稳定调节。

因此，在本发明的具体实施过程中，针对上述的技术问题提出了另一种实施方式。如图6所示，所述热交换单元10包括一个集成热交换装置100和所述水路热交换装置103，其中所述集成热交换装置100设置在所述供气路1中所述水路热交换装置103的上游。值得一提的是，所述水路热交换装置103与所述燃料电池的连接关系与上述图4中所示的实施方式相同。

具体地，所述集成热交换装置100包括集热腔1000、至少一个阴极热交换通道1001、至少一个阳极热交换通道1002、以及至少一个供气热交换通道1003，其中所述阴极热交换通道1001、所述阳极热交换通道1002、和所述供气热交换通道1003均被容纳在所述集热腔1000，其中所述阴极热交换通道1001连通在所述燃料电池的所述阴极排路31中供所述阴极反应产物流入，所述阳极热交换通道1002连通在所述燃料电池的所述阳极循环路32中供所述阳极循环物流入，所述供气热交换通道1003连通在所述供气路1中供所述阴极供应气体流入，其中所述集热腔1000内充设有热传递介质。

可以理解的是，通过集成所述阴极热交换通道1001、所述阳极热交换通道1002和所述供气热交换通道1003于充设有所述热传递介质的所述集热腔1000内，将热传递过程转变为间接热传递，同时削弱甚至克服了上述阴、阳极热传递存在波动的问题。

特别地，所述阳极热交换通道1002在所述阳极循环路32中的连通关系与上述图3中所示的所述阳极热交换装置102在所述阳极循环路32中的设置关系相同。换言之，所述阳极热交换通道1002连通在所述阳极循环路32中所述气液分离器321的上游。

优选地，所述阴极热交换通道1001和所述阳极热交换通道1002被设置在所述集热腔1000的下部，相应地，所述供气热交换通道1003被设置在所述集热腔1000的上部，以增强热交换的效果。

根据本发明的另一方面，结合上述具体描述，并参考本发明说明书附图之图7，本发明进一步提供一种用于燃料电池测试的阴极气体供应方法，包括以下步骤：

s1、使阴极供应气体流入热交换单元内，利用被携带至所述热交换单元的所述燃料电池产生的热能，对所述阴极供应气体以热交换的形式进行预热；

s2、被预热的所述阴极供应气体流入加湿装置中，在所述加湿装置中被加湿，并且被进一步加热；和

s3、所述阴极供应气体流出所述加湿装置后，被通入所述燃料电池的电堆内。

特别地，如图8所示，所述步骤s1进一步包括以下步骤s1a、s1b、s1c中至少一个步骤：

s1a、使所述阴极供应气体和所述燃料电池的阴极反应产物分别流入所述热交换单元的阴极热交换装置，利用所述阴极反应产物携带出的热能对所述阴极供应气体预加热；

s1b、使所述阴极供应气体和所述燃料电池的阳极循环物分别流入所述热交换单元的阳极热交换装置，利用所述阳极循环物携带出的热能对所述阴极供应气体预加热；

s1c、使所述阴极供应气体和所述燃料电池的冷却液分别流入所述热交换单元的水路热交换装置，利用所述冷却液携带出的热能对所述阴极供应气体预加热。

本领域普通技术人员应该理解，上述描述和附图所示的实施方式仅仅是为了示例性地解释本发明，而不是对本发明的限制。所有在本发明精神之内的等同实施、修改和改进均应包含在本发明的保护范围之内。