一种燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，包括燃料电池电堆、分别与燃料电池堆阳极气体进口连接的氢气进气管路和第一空气进气管路以及与燃料电池堆阴极气体进口连接的第二空气进气管路，所述的氢气进气管路上包括第一气体增湿器，所述的第一空气进气管路上包括第二气体增湿器，所述的第二空气进气管路上包括第三气体增湿器，该装置还包括分别与燃料电池电堆连接的电堆电压内阻监测器、气体含量监测器和电堆温度控制器，与现有技术相比，本发明专利技术具有匹配实际运行条件，满足启停优化策略开发等优点。

A device and method for accelerating life test of fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法
本专利技术涉及燃料电池系统
，尤其是涉及一种燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法。
技术介绍
燃料电池能够将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的发展前景。其中质子交换膜燃料电池功率密度高、启动快、对负载变化响应快，成为交通运输领域能源重要发展方向。质子交换膜燃料电池作为车用动力必须要经受高电位、大电流、频变载、零下启动、空气杂质等复杂工况和严苛环境的考验，其中常温下的频繁开启而引起的性能衰减是燃料电池汽车在寿命提高的主要障碍之一。因此，需要一种能够快速对燃料电池进行启停测试的装置和方法。中国专利CN201156078Y和CN101158711B分别公开了一种燃料电池加速启停的寿命试验装置和方法。装置是由空气电池阀、装有压缩空气的瓶体组成，其特征是压缩空气的瓶体通过空气电磁阀连接到燃料电池工作电池阀的阳极氢气进口处。试验的方法包括如下步骤：a)电池阀通电，分别将相应的空气或氧气和氢气分别燃料电池的阴极与阳极；b)给燃料电池加负载运行，负载大小为20mA/cm2,运行时间为5-10分钟后卸载的电池温度保持在60℃左右；c)关闭工作电磁阀，停止空气或氧气和氢气进入燃料电池，停止工作；空气电磁阀通电将压缩空气瓶体内的空气送到燃料电池的氢气腔，时间为10-30秒，关闭空气电磁阀，等待5-10分钟；d)重复a～c步骤。该专利的试验装置只通过电磁阀控制通入燃料电池电堆的氢气和空气，没有对通入气体做进一步处理，无法与实际运行的燃料电池开启状态相匹配，长时间进行多次的气体循环测试后，燃料电池内部环境会因吹扫而改变，验证的结果不能反应实际运行中燃料电池启动中衰减情况，无法准确完成对燃料电池加速启停的寿命试验。
技术实现思路
本专利技术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匹配实际运行条件的燃料电池启停加速寿命测试的装置及方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，包括燃料电池电堆、分别与燃料电池堆阳极气体进口连接的氢气进气管路和第一空气进气管路以及与燃料电池堆阴极气体进口连接的第二空气进气管路，所述的氢气进气管路上包括第一气体增湿器，所述的第一空气进气管路上包括第二气体增湿器，所述的第二空气进气管路上包括第三气体增湿器，该装置还包括分别与燃料电池电堆连接的电堆电压内阻监测器、气体含量监测器和电堆温度控制器。燃料电池开启过程中在阳极腔体内形成氢空界面，导致阴极催化层的碳与水反应，造成电池性能的衰减。因此，气体的湿度对燃料电池启停寿命测试有很大的影响碳，本专利技术通过引入气体增湿器，能够与实际运行的燃料电池开启状态相匹配，测试的结果能够较为真实的反映启停机造成的性能衰减情况，使测试结果更加准确。进一步地，所述的气体含量监测器与燃料电池电堆的阴极气体出口连接，用于检测电堆阴极出口的CO2和CO的浓度，通过引入气体含量监测器，获取阴极气体出口的实时CO2和CO的含量变化，检测内部因碳载体发生腐蚀而产生的CO2和CO，分析出电堆内部的碳腐蚀情况，使计算出的衰减情况更加准确。更进一步地，所述的氢气进气管路还包括依次连接的第一减压阀、第一电磁阀、第一流量计和第一单向阀，所述的第一减压阀与氢气罐连接，用于减压通入的氢气，所述的第一气体增湿器设置于第一流量计和第一单向阀之间，所述的第一空气进气管路还包括依次连接的第二减压阀、第二电磁阀、第二流量计和第二单向阀，所述的第二减压阀连接压缩空气，用于减压通入的空气，所述的第二气体增湿器设置于第二流量计和第二单向阀之间，所述的第一单向阀和第二单向阀分别通过三通阀与燃料电池电堆阳极气体进口连接。更进一步地，所述的第二空气进气管路还包括依次连接的第三减压阀、第三电磁阀和第三流量计，所述的第三减压阀连接压缩空气，用于减压通入的空气，所述的第三气体增湿器设置于燃料电池电堆阴极气体进口和第三流量计之间。一种利用如所述的燃料电池启停加速寿命测试装置的测试方法，包括以下步骤：S1)打开氢气进气管路和第二空气进气管路，分别向燃料电池堆的阳极和阴极通入氢气和空气；S2)打开第一气体增湿器、第二气体增湿器和第三气体增湿器，分别设定各增湿器出口处的气体温度和湿度；S3)打开电堆温度控制器，设定燃料电池电堆的运行温度T；S4)打开电堆电压内阻监测器和气体含量监测器，监测电堆的输出电压、电堆内阻和电堆阴极出口的CO2和CO的浓度；S5)打开第三电磁阀；S6)打开第一电磁阀，保持运行第一设定时间t1；S7)关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀，保持运行第二设定时间t2；S8)重复步骤S6)和S7)，直至达到设定循环次数；S9)根据循环前后燃料电池极化性能的变化，计算得到性能衰减速率，并根据性能衰减速率反应的电堆寿命，实现对不同控制方法的对比或优化选择。步骤S4)中监测的内阻和电压用于监控启停循环是否异常，衰减速率通过运行启停循环测试后，比较燃料电池前后发电性能变化来计算。进一步地，所述的性能衰减速率为启停循环测试后燃料电池极化性能与未进行启停测试的燃料电池极化性能的比值，即性能衰减速率＝(启停循环测试后的燃料电池极化性能/未进行启停测试的燃料电池极化性能)*100％。进一步地，所述的步骤S1)中，通入燃料电池堆的氢气和空气的压力均低于200kPag，流量范围均为0-100L/min。考虑到实际运行的综合效率，压力的优选范围为50-170kPag。进一步地，所述的第一气体增湿器、第二气体增湿器和第三气体增湿器设定出口处气体的温度范围均为0-90℃，优选地，该温度范围为20-85℃，湿度范围均为0-120％，所述的电堆温度控制器设定燃料电池电堆的运行温度T的范围为0-90℃，优选地，运行温度T的范围为20-80℃，各设定温度范围可以更贴近实际运行条件，得到更准确的测试结果。进一步地，所述的第一设定时间t1的范围为1-100s，该设定时间结合实际系统的有效控制范围，优选地，第一设定时间t1的范围为1-50s，所述的第二设定时间t2的范围为1-500s，优选地，第二设定时间t2的范围为10-200s。进一步地，所述的设定循环次数的范围为1-5000次，优选为1500-5000次。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术通过引入气体增湿器，能够与实际启停过程中，燃料电池阳极腔体内形成氢空界面，导致阴极催化层的碳与水反应，造成电池性能衰减的状态相匹配，测试的结果能够较为真实的反映启停机造成的性能衰减情况，使测试结果更加准确；2)本专利技术通过引入气体含量监测器，获取阴极气体出口的实时CO2和CO的含量变化，分析出电堆内部的碳腐蚀情况，使计算出的衰减情况更加准确；3)本专利技术通过引入气体增湿器，对气体进行增湿，避免利用长时间的干气体循环测试后，导致燃料电池内部因吹扫变干，而影响测试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，包括燃料电池电堆(1)、分别与燃料电池堆(1)阳极气体进口连接的氢气进气管路和第一空气进气管路以及与燃料电池堆(1)阴极气体进口连接的第二空气进气管路，其特征在于，所述的氢气进气管路上包括第一气体增湿器(4)，所述的第一空气进气管路上包括第二气体增湿器(5)，所述的第二空气进气管路上包括第三气体增湿器(6)，该装置还包括分别与燃料电池电堆(1)连接的电堆电压内阻监测器(7)、气体含量监测器(8)和电堆温度控制器(10)。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，包括燃料电池电堆(1)、分别与燃料电池堆(1)阳极气体进口连接的氢气进气管路和第一空气进气管路以及与燃料电池堆(1)阴极气体进口连接的第二空气进气管路，其特征在于，所述的氢气进气管路上包括第一气体增湿器(4)，所述的第一空气进气管路上包括第二气体增湿器(5)，所述的第二空气进气管路上包括第三气体增湿器(6)，该装置还包括分别与燃料电池电堆(1)连接的电堆电压内阻监测器(7)、气体含量监测器(8)和电堆温度控制器(10)。


2.根据权利要求1所述的一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，其特征在于，所述的气体含量监测器(8)与燃料电池电堆(1)的阴极气体出口连接，用于检测电堆阴极出口的CO2和CO的浓度。


3.根据权利要求2所述的一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，其特征在于，所述的氢气进气管路还包括依次连接的第一减压阀(14)、第一电磁阀(11)、第一流量计(17)和第一单向阀(20)，所述的第一减压阀(14)与氢气罐(2)连接，用于减压通入的氢气，所述的第一气体增湿器(4)设置于第一流量计(17)和第一单向阀(20)之间，所述的第一空气进气管路还包括依次连接的第二减压阀(15)、第二电磁阀(12)、第二流量计(18)和第二单向阀(21)，所述的第二减压阀(15)连接压缩空气(3)，用于减压通入的空气，所述的第二气体增湿器(4)设置于第二流量计(18)和第二单向阀(21)之间，所述的第一单向阀(20)和第二单向阀(21)分别通过三通阀(22)与燃料电池电堆(1)阳极气体进口连接。


4.根据权利要求3所述的一种燃料电池启停加速寿命测试的装置，其特征在于，所述的第二空气进气管路还包括依次连接的第三减压阀(16)、第三电磁阀(13)和第三流量计(9)，所述的第三减压阀(16)连接压缩空气(3)，用于减压通入的空气，所述的第三气体增湿器(6)设置于燃料电池电堆(1)阴极气体进口和第三流量计(19)之间。


5.一种利用如权利要求4所述的燃料电池启停加速寿命测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈广明，徐鑫，甘全全，王永湛，
申请(专利权)人：上海神力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31