一种燃料电池冷启动快速测试系统技术方案

本发明专利技术提出一种燃料电池冷启动快速测试系统，本系统核心为可控热边界燃料电池子系统，通过加入调热部件、热物理量传感器以及热物理量跟随PID控制器，准确控制单片或多片燃料电池热边界。此外电池置于燃料电池环境温度控制子系统的控温域中以控制电池环境温度；燃料电池气体供应子系统与可控热边界燃料电池子系统通过气体管道连接，可控制气体种类、温度、湿度、流速、压强；燃料电池电信号控制子系统与可控热边界燃料电池子系统通过电压、电流信号线连接，以控制电池电压或电流。本发明专利技术通过控制单片或多片燃料电池的热边界条件，使得基于单片或多片燃料单池即可开展冷启动测试，可大大降低成本，降低表征难度，缩短测试时间。缩短测试时间。缩短测试时间。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池冷启动快速测试系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体的说是一种燃料电池冷启动快速测试系统。

技术介绍

[0002]传统能源正逐渐退出历史舞台，氢能作为一种新型能源，被认为是21世纪的终极能源。燃料电池是氢能产业的重要载体，具有效率高、零排放、无噪音、可靠性高等优点，有着广阔的发展前景。其中质子交换膜燃料电池由于其功率密度高、响应快等特点，成为交通运输领域重要发展方向，而零下启动是燃料电池汽车在温寒带大规模应用的关键瓶颈之一。
[0003]针对燃料电池零下启动问题，学界和业界开展了大量研究工作，取得了重要进展，如2008年，丰田汽车公司的燃料电池汽车FCHV-adv实现野外-37℃成功自启动(Kojima K,Morita T.Development of fuel cell hybrid vehicle in TOYOTA[J].ECS Transactions,2008,16(2):185-198.)。但仍存在许多问题有待研究，大量工作亟待开展，如采用石墨基双极板的燃料电池商用车尚不具备零下30℃自启动能力，需要进行外部提前预热才能保证零下环境下的使用，因此需要开发适用于石墨基双极板燃料电池的启动策略；目前关于燃料电池零下启动老化机理的研究均为失败启动情况，即存在大量水结冰的情况下的老化机理，而成功启动情况的老化机理及耐久性研究仍为空白。为实现零下启动策略快速开发及老化机理快速探究，需要高效、快速的实验平台及测试系统。
[0004]目前学界和业界开展零下启动研究的实验平台主要有等温边界单体燃料电池和电堆，其中等温边界单体燃料电池主要用于零下启动失效机理研究以及失败启动情况的老化机理探究，电堆主要用于零下启动策略探究。已有技术(CN108414939A)，公布了一种燃料电池电堆低温冷启动测试研究平台，包括氧化剂、还原剂、冷却剂供应装置，以及用于调节电堆所处环境温度的高低温环境试验箱。实验时，将燃料电池电堆置于高低温环境试验箱中，氧化剂、还原剂、冷却剂供应装置通过管道与电堆氧化剂、还原剂、冷却剂输入端连接，此外氧化剂、还原剂供应装置与电堆之间均设有温湿度控制装置。该技术可用于燃料电池电堆冷启动评价。该燃料电池冷启动评价系统主要针对电堆，而电堆实验成本高、表征难、耗时长，仅适用于启动策略、老化的验证实验，不适用于启动策略、老化机理、耐久性测试等快速开发与探究。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对燃料电池电堆冷启动测试成本高、表征难、耗时长问题而提出，提出一种燃料电池冷启动快速测试系统，通过控制单片或多片燃料电池的热边界条件，使得基于单片或多片燃料单池即可开展冷启动测试，可大大降低成本，降低表征难度，缩短测试时间，提高冷启动策略、老化机理和耐久性测试快速开发与探究效率。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术的一种燃料电池冷启动快速测试系统，其特征在于：包括可控热边界燃料
电池子系统，燃料电池环境温度控制子系统，燃料电池气体供应子系统和燃料电池电信号控制子系统；其中，
[0008]所述可控热边界燃料电池子系统，用于准确控制燃料电池的热边界条件，包括热物理量跟随PID控制器、位于燃料电池核心部件两侧由内至外依次设置的集流体和调热部件、以及将燃料电池核心部件、集流体和调热部件进行压紧的端板；所述调热部件采用加热板或者由加热板和设置于加热板外侧的绝热板组成；所述热物理量跟随PID控制器设有热物理量传感器接口、电压传感器接口和电流传感器接口以及计算单元；所述热物理量跟随PID控制器通过伸入端板、燃料电池核心部件、集流体或加热片内的热物理量传感器实时接收并读取加热过程中的热物理量信号；所述热物理量跟随PID控制器通过电压和电流传感器实时接收并读取加热过程中集流体处的电压和电流信号；所述热物理量跟随PID控制器根据实时接收的热物理量信号、电压和电流信号，计算燃料电池的实时产热功率，并根据设定的热量散失率，预测燃料电池的温度或热流密度并输出电信号，该输出电信号传输至所述加热片，基于此输出电信号控制所述加热片的加热功率，使燃料电池的热物理量跟随其预测热物理量；
[0009]所述燃料电池环境温度控制子系统，用于控制燃料电池的环境温度，包括控温域、温度传感器及控温元件；所述可控热边界燃料电池子系统放置于所述控温域中，所述温度传感器测试控温域的温度，通过信号线与控温元件相连，从而调控控温域的温度；
[0010]所述燃料电池气体供应子系统，用于向燃料电池提供测试所需的气体，包括通过气体管道依次连接的气源、减压阀、流量阀、流量计、加湿和温控装置以及背压阀，所述气源通过气体管道与所述可控热边界燃料电池子系统内的电池气体进口连接，所述背压阀通过气体管道与所述可控热边界燃料电池子系统内的电池气体出口连接；
[0011]所述燃料电池电信号控制子系统，用于控制燃料电池的运行电压或者电流，与所述可控热边界燃料电池子系统内的集流体通过电压或电流信号线连接，燃料电池电信号控制子系统采用电子负载、电化学工作站或电源。
[0012]本专利技术的另一种燃料电池冷启动快速测试系统，其特征在于：包括可控热边界燃料电池子系统，燃料电池环境温度控制子系统，燃料电池气体供应子系统和燃料电池电信号控制子系统；其中，
[0013]所述可控热边界燃料电池子系统，用于准确控制燃料电池的热边界条件，包括热物理量跟随PID控制器、位于燃料电池核心部件两侧由内至外依次设置的集流体和调热部件、以及将燃料电池核心部件、集流体和调热部件进行压紧的端板；所述调热部件由从内至外依次设置的调热板、加热片和绝热板组成；所述热物理量跟随PID控制器设有热物理量传感器接口、电压传感器接口和电流传感器接口以及计算单元；所述热物理量跟随PID控制器通过伸入调热板内中的温度传感器实时接收并读取加热过程中调热板内、外侧的温度信号，或者所述热物理量跟随PID控制器通过位于调热板内侧的热流密度传感器实时接收并读取加热过程中调热板与集流体间的热流密度信号；所述热物理量跟随PID控制器通过电压和电流传感器实时接收并读取加热过程中集流体处的电压和电流信号；所述热物理量跟随PID控制器根据实时接收的热物理量信号、电压和电流信号，计算燃料电池的实时产热功率，并根据设定的热量散失率，预测燃料电池的温度或热流密度并输出电信号，该输出电信号传输至加热片，基于此输出电信号控制加热片的加热功率，使燃料电池的热物理量跟随
其预测热物理量；
[0014]所述燃料电池环境温度控制子系统，用于控制燃料电池的环境温度，包括控温域、温度传感器及控温元件；所述可控热边界燃料电池子系统放置于所述控温域中，所述温度传感器测试控温域的温度，通过信号线与控温元件相连，从而调控控温域的温度；
[0015]所述燃料电池气体供应子系统，用于向燃料电池提供测试所需的气体，包括通过气体管道依次连接的气源、减压阀、流量阀、流量计、加湿和温控装置以及背压阀，所述气源通过气体管道与所述可控热边界燃料电池子系统内的电池气体进口连接，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池冷启动快速测试系统，其特征在于：包括可控热边界燃料电池子系统(1)，燃料电池环境温度控制子系统(2)，燃料电池气体供应子系统(3)和燃料电池电信号控制子系统(4)；其中，所述可控热边界燃料电池子系统(1)，用于准确控制燃料电池的热边界条件，包括热物理量跟随PID控制器(12)、位于燃料电池核心部件(5)两侧由内至外依次设置的集流体(6)和调热部件、以及将燃料电池核心部件(5)、集流体(6)和调热部件进行压紧的端板(10)；所述调热部件采用加热板(8)或者由加热板(8)和设置于加热板外侧的绝热板(9)组成；所述热物理量跟随PID控制器(12)设有热物理量传感器接口、电压传感器接口和电流传感器接口以及计算单元；所述热物理量跟随PID控制器(12)通过伸入端板(10)、燃料电池核心部件(5)、集流体(6)或加热片(8)内的热物理量传感器(11)实时接收并读取加热过程中的热物理量信号；所述热物理量跟随PID控制器(12)通过电压和电流传感器(14)实时接收并读取加热过程中集流体(6)处的电压和电流信号；所述热物理量跟随PID控制器(12)根据实时接收的热物理量信号、电压和电流信号，计算燃料电池的实时产热功率，并根据设定的热量散失率，预测燃料电池的温度或热流密度并输出电信号，该输出电信号传输至所述加热片，基于此输出电信号控制所述加热片的加热功率，使燃料电池的热物理量跟随其预测热物理量；所述燃料电池环境温度控制子系统(2)，用于控制燃料电池的环境温度，包括控温域、温度传感器及控温元件；所述可控热边界燃料电池子系统(1)放置于所述控温域中，所述温度传感器测试控温域的温度，通过信号线与控温元件相连，从而调控控温域的温度；所述燃料电池气体供应子系统(3)，用于向燃料电池提供测试所需的气体，包括通过气体管道依次连接的气源、减压阀、流量阀、流量计、加湿和温控装置以及背压阀，所述气源通过气体管道与所述可控热边界燃料电池子系统(1)内的电池气体进口连接，所述背压阀通过气体管道与所述可控热边界燃料电池子系统(1)内的电池气体出口连接；所述燃料电池电信号控制子系统(4)，用于控制燃料电池的运行电压或者电流，与所述可控热边界燃料电池子系统(1)内的集流体(6)通过电压或电流信号线连接，燃料电池电信号控制子系统(4)采用电子负载、电化学工作站或电源。2.一种燃料电池冷启动快速测试系统，其特征在于：包括可控热边界燃料电池子系统(1)，燃料电池环境温度控制子系统(2)，燃料电池气体供应子系统(3)和燃料电池电信号控制子系统(4)；其中，所述可控热边界燃料电池子系统(1)，用于准确控制燃料电池的热边界条件，包括热物理量跟随PID控制器(12)、位于燃料电池核心部件(5)两侧由内至外依次设置的集流体(6)和调热部件、以及将燃料电池核心部件(5)、集流体(6)和调热部件进行压紧的端板(10)；所述调热部件由从内至外依次设置的调热板(7)、加热片(8)和绝热板(9)组成；所述热物理量跟随PID控制器(12)设有热物理量传感器接口、电压传感器接口和电流传感器接口以及计算单元；所述热物理量跟随PID控制器(12)通过伸入调热板(7)内中的温度传感器实时接收并读取加热过程中调热板(7)内、外侧的温度信号，或者所述热物理量跟随PID控制器(12)通过位于调热板(7)内侧的热流密度传感器实时接收并读取加热过程中调热板(7)与集流体(6)间的热流密度信号；所述热物理量跟随PID控制器(12)通过电压和电流传感器(14)实时接收并读取加热过程中集流体(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张剑波，汪尚尚，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：