一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)及測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)及測試方法，所述測試系統(tǒng)包括燃料電池、氧化劑供給單元、燃料供給單元、裝夾單元、加濕單元、冷卻管、高低溫箱、分區(qū)測試板、負(fù)載單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元；所述測試方法為：分區(qū)測試板替代燃料電池的陽極板；使高低溫箱內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定的低溫環(huán)境溫度；給燃料電池提供氧化劑和燃料，使其正常工作；數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)采集各埋入電阻兩端壓降、各溫度電阻的電壓以及流過溫度電阻的電流；數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的信號計(jì)算燃料電池內(nèi)部各分區(qū)的電流密度分布以及各時(shí)刻的分區(qū)溫度，獲得電流密度分布圖和溫度分布圖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有操作方便、可實(shí)現(xiàn)可視化測量、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)及測試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其是涉及一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)及 測試方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著化石等傳統(tǒng)能源的緊缺與全球氣候不斷變暖，人類面臨著巨大的能源危機(jī)與 生存危機(jī)。亟需尋求新型、高效、清潔能源來逐步替代傳統(tǒng)能源以應(yīng)對能源危機(jī)。燃料電池 以其優(yōu)異的性能成為世界各個(gè)國家研究的熱點(diǎn)，在發(fā)電，移動電源，車載電源上發(fā)揮了巨大 作用。燃料電池汽車的研究日益深入，但其商業(yè)化仍然存在技術(shù)瓶頸問題，除了電池耐久性 和成本因素，提高低溫啟動性能也是關(guān)鍵問題之一。
[0003] 當(dāng)燃料電池內(nèi)局部溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，燃料電池工作產(chǎn)生的水會發(fā)生凍結(jié)。在電池 內(nèi)的溫度上升到零度之前，催化層內(nèi)的水如果發(fā)生凍結(jié)，電化學(xué)反應(yīng)將會因局部反應(yīng)區(qū)域 的冰封而停止，同時(shí)冰的形成由于體積膨脹可能會對膜電極組件的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。 其中溫度分布主要影響燃料電池內(nèi)部熱量分布及水的結(jié)冰，電流密度分布主要影響水的生 成速率及水分布。因此，搭建一個(gè)燃料電池冷啟動分區(qū)測試平臺、測量燃料電池冷啟動分區(qū) 的電流密度分布和溫度分布、探究不同條件下燃料電池冷啟動分區(qū)性能對提高質(zhì)子交換膜 燃料電池的性能和壽命起著關(guān)鍵作用。
[0004] 目前發(fā)表的專利及論文中還沒有關(guān)于燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試方面的內(nèi)容， 大都只是側(cè)重燃料電池冷啟動整體性能的測試。因此建立一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測 試系統(tǒng)，對于考察燃料電池冷啟動下內(nèi)部物質(zhì)傳遞與局部電化學(xué)反應(yīng)耦合的變化規(guī)律、考 察燃料電池內(nèi)部水熱分布特性及優(yōu)化燃料電池的水熱操作條件等研究具有很大的指導(dǎo)意 義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種燃料電池冷啟 動分區(qū)性能測試系統(tǒng)及測試方法，用于測試?yán)鋯訒r(shí)燃料電池各個(gè)分區(qū)的電流密度和溫 度，具有操作方便、可實(shí)現(xiàn)可視化測量、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] 一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)，所述的燃料電池包括依次連接的陽極 板、膜電極和陰極板，所述的測試系統(tǒng)包括燃料電池、氧化劑供給單元、燃料供給單元、裝夾 單元、加濕單元、冷卻管、高低溫箱、分區(qū)測試板、負(fù)載單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元， 所述的分區(qū)測試板在測試時(shí)替代陽極板與燃料電池的膜電極連接，并通過裝夾單元夾緊， 所述的冷卻管與燃料電池的陰極板連接，所述的燃料電池、分區(qū)測試板、裝夾單元和冷卻管 均設(shè)置在高低溫箱內(nèi)，所述的分區(qū)測試板、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元依次連接，所述的 氧化劑供給單元、燃料供給單元分別連接加濕單元，所述的加濕單元與冷卻管連接，所述的 負(fù)載單元與燃料電池連接。
[0008] 所述的高低溫箱用于模擬燃料電池冷啟動環(huán)境。
[0009] 所述的分區(qū)測試板包括上板和下板，所述的上板表面刻有用于替代陽極的流道， 上板被分割為若干個(gè)相互絕緣的分區(qū)，所述的各分區(qū)與下板間設(shè)有埋入電阻，所述的埋入 電阻通過金屬柱分別連接分區(qū)與下板，所述的金屬柱通過采樣線與數(shù)據(jù)采集單元連接，所 述的上板下方設(shè)有多個(gè)串聯(lián)的溫度電阻，所述的溫度電阻與數(shù)據(jù)采集單元連接。
[0010] 所述的埋入電阻個(gè)數(shù)、溫度電阻個(gè)數(shù)及分區(qū)個(gè)數(shù)相同。
[0011] 所述的上板兩端設(shè)有用于連接數(shù)據(jù)采集單元的接口。
[0012] 所述的分區(qū)測試板上設(shè)有用于裝夾定位的圓孔。
[0013] 所述的裝夾單元包括擋板和頂缸，頂缸固定在擋板內(nèi)部，通過控制頂缸的伸縮實(shí) 現(xiàn)分區(qū)測試板的裝夾。
[0014] 一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試方法，包括以下步驟：
[0015] 1)分區(qū)測試板替代燃料電池的陽極板，并通過裝夾單元固定在燃料電池上；
[0016] 2)設(shè)定高低溫箱的低溫環(huán)境溫度，并使高低溫箱內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定的低溫環(huán)境溫 度；
[0017] 3)氧化劑供給單元、燃料供給單元分別通過加濕單元和冷卻管向高低溫箱內(nèi)的燃 料電池提供氧化劑和燃料，燃料電池連接負(fù)載單元，正常工作；
[0018] 4)數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)采集各埋入電阻兩端壓降、各溫度電阻的電壓以及流過溫度 電阻的電流，并將采集的信號傳輸給數(shù)據(jù)處理單元；
[0019] 5)數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的信號計(jì)算燃料電池內(nèi)部各分區(qū)的電流密度分布以 及各時(shí)刻的分區(qū)溫度，輸出并顯示電流密度分布圖和溫度分布圖。
[0020] 所述的燃料電池內(nèi)部各分區(qū)的電流密度分布根據(jù)各埋入電阻兩端壓降和相應(yīng)的 埋入電阻的阻值計(jì)算得到。
[0021] 所述的各時(shí)刻的分區(qū)溫度的計(jì)算方法為：
[0022] 首先根據(jù)該時(shí)刻下每個(gè)溫度電阻電壓和流過溫度電阻的電流計(jì)算出該溫度點(diǎn)下 各溫度電阻的阻值，然后通過電阻溫升公式求出該時(shí)刻的分區(qū)溫度。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1)本發(fā)明使用分區(qū)測試板測量燃料電池冷啟動時(shí)內(nèi)部各個(gè)分區(qū)電流密和溫度分 布，同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃料電池電流密度和溫度分布可視化測量，操作方便。
[0025] 2)本發(fā)明利用高低溫箱及冷卻管等手段能夠模擬低溫下燃料電池冷啟動狀況，不 受外部環(huán)境限制。
[0026] 3)本發(fā)明通過控制裝夾單元實(shí)現(xiàn)燃料電池自動化裝夾，同時(shí)裝夾壓力均勻，操作 方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明測試系統(tǒng)的電路原理圖；
[0028] 圖2為分區(qū)測試板結(jié)構(gòu)圖；
[0029] 圖3為分區(qū)測試板剖視圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明測試方法的流程圖；
[0031] 圖5為本發(fā)明燃料和氧化劑冷卻示意圖。
[0032] 圖中：1、燃料電池；2、分區(qū)測試板；3、裝夾單元；4、冷卻管；5、高低溫箱；6、氧化 劑供給單元；7、燃料供給單元；8、加濕單元；9、數(shù)據(jù)采集單元；10、數(shù)據(jù)處理單元；11、負(fù)載 單元；12、膜電極；13、陰極板；14、排氣管，A、未反應(yīng)燃料及氧化劑；21、接口；22、反應(yīng)區(qū)域； 23、流道；24、圓孔；25、溫度電阻；26、金屬柱；27、采樣線；28、埋入電阻。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于 下述的實(shí)施例。
[0034] 如圖1所示，一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)，所述的測試系統(tǒng)包括燃料 電池1、氧化劑供給單元6、燃料供給單元7、裝夾單元3、加濕單元8、冷卻管4、高低溫箱5、 分區(qū)測試板2、負(fù)載單元11、數(shù)據(jù)采集單元9和數(shù)據(jù)處理單元10,所述的燃料電池包括依次 連接的陽極板、膜電極12和陰極板13,所述的分區(qū)測試板2在測試時(shí)替代陽極板與燃料電 池1的膜電極12連接，并通過裝夾單元3夾緊，所述的冷卻管4與燃料電池1的陰極板13 連接，所述的燃料電池1、分區(qū)測試板2、裝夾單元3和冷卻管4均設(shè)置在高低溫箱5內(nèi)，所 述的分區(qū)測試板2、數(shù)據(jù)采集單元9、數(shù)據(jù)處理單元10依次連接，所述的氧化劑供給單元6、 燃料供給單元7分別連接加濕單元8,所述的加濕單元8與冷卻管4連接，所述的負(fù)載單元 11與燃料電池1連接。加濕單元8和冷卻管4均設(shè)有兩個(gè)，分別對應(yīng)連接。本測試系統(tǒng)能 夠模擬低溫下燃料電池冷啟動狀況，測量燃料電池冷啟動時(shí)分區(qū)性能參數(shù)，操作簡單，同時(shí) 實(shí)現(xiàn)燃料電池電流密度和溫度分布可視化測量。燃料電池1上連接有用于排出未反應(yīng)燃料 及氧化劑A的排氣管14。
[0035] 所述的高低溫箱5用于模擬燃料電池冷啟動環(huán)境，將燃料電池放入高低溫箱中測 試。
[0036] 如圖2-圖3所示，所述的分區(qū)測試板2包括上板和下板，上板上表面與膜電極接 觸的反應(yīng)區(qū)域22及下板下表面渡金，其它部分由絕緣材料制成。所述的上板表面的反應(yīng)區(qū) 域22上刻有用于替代陽極的流道23,上板被分割為若干個(gè)相互絕緣的分區(qū)，使得分區(qū)之間 電流不會橫向流動，所述的各分區(qū)與下板間設(shè)有埋入電阻28,所述的埋入電阻28通過金屬 柱26分別連接分區(qū)與下板，所述的金屬柱26通過采樣線27與數(shù)據(jù)采集單元9連接，所述 的上板下方設(shè)有多個(gè)串聯(lián)的溫度電阻25,所述的溫度電阻25與數(shù)據(jù)采集單元9連接，溫度 電阻不和上下板相連。所述的埋入電阻個(gè)數(shù)、溫度電阻個(gè)數(shù)及分區(qū)個(gè)數(shù)相同，均為η。
[0037] 所述的上板兩端設(shè)有用于連接數(shù)據(jù)采集單元9的接口 21。分區(qū)測試板2上設(shè)有兩 個(gè)用于裝夾定位的圓孔24。
[0038] 所述的裝夾單元3包括擋板和頂缸，頂缸固定在擋板內(nèi)部，通過控制頂缸的伸縮 實(shí)現(xiàn)分區(qū)測試板的裝夾。
[0039] 如圖4所示，一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試方法，包括以下步驟：
[0040] 1)分區(qū)測試板2替代燃料電池1的陽極板，并通過裝夾單元3固定在燃料電池1 上；
[0041] 2)設(shè)定高低溫箱5的低溫環(huán)境溫度，并使高低溫箱5內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定的低溫環(huán) ^&溫度；
[0042] 3)氧化劑供給單元6、燃料供給單元7分別通過加濕單元8和冷卻管4向高低溫 箱5內(nèi)的燃料電池1提供氧化劑和燃料，燃料電池1連接負(fù)載單元11，正常工作；
[0043] 4)數(shù)據(jù)采集單元9實(shí)時(shí)采集各埋入電阻兩端壓降、各溫度電阻的電壓以及流過溫 度電阻的電流，并將采集的信號傳輸給數(shù)據(jù)處理單元10 ;
[0044] 5)數(shù)據(jù)處理單元10根據(jù)接收到的信號計(jì)算燃料電池內(nèi)部各分區(qū)的電流密度分布 以及各時(shí)刻的分區(qū)溫度，輸出并顯示電流密度分布圖和溫度分布圖。
[0045] 所述的燃料電池內(nèi)部各分區(qū)的電流密度分布根據(jù)各埋入電阻兩端壓降和相應(yīng)的 埋入電阻的阻值計(jì)算得到。
[0046] 所述的各時(shí)刻的分區(qū)溫度的計(jì)算方法為：當(dāng)燃料電池工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集單元給其 中布置的電源給溫度電阻供電，由于溫度電阻隨溫度升高而上升，通過數(shù)據(jù)采集單元采集 每個(gè)溫度電阻電壓和流過溫度電阻的電流計(jì)算出該溫度點(diǎn)下各溫度電阻的阻值，然后通過 電阻溫升公式求出該時(shí)刻的分區(qū)溫度。
[0047] 圖5為本發(fā)明燃料和氧化劑冷卻示意圖。蛇形的冷卻管放置在高低溫箱中，燃料 及氧化劑進(jìn)氣溫度T1，通過冷卻管后溫度降到T 2，和高低溫箱內(nèi)部溫度相同，模擬低溫環(huán)境 下燃料電池進(jìn)氣。對于25cm2單電池，最大氣體流量3L/min，質(zhì)量流量大約3g/min，由空氣 帶來熱量Q 1:
[0048] = cXmgXAT = cXmgX (T「T2)
[0049] 氧化劑冷卻管內(nèi)徑04mm,燃料管內(nèi)徑03mm,冷卻管用的鋁合金材料，導(dǎo)熱系數(shù) 162W/(m*K)，由于冷卻管外是強(qiáng)制對流，導(dǎo)熱系數(shù)20?100W/(m*K)不好確定，所以按最小 導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算，按傳熱過程計(jì)算（Q2 = Q1)得出氧化劑冷卻管大致長度1. 0416m，燃料冷卻 管大致長度1. 38mm。為了安全起見，實(shí)際采用氧化劑冷卻管長2. 3m，燃料冷卻管長3. 6m，滿 足計(jì)算傳熱要求。所采用的流體傳熱公式： Q2 = kAAt = -：-?---x2roilxi - -S--T2 j 〇 _ 丄 4 +丄 1 l 2 2J h| λ h2
【權(quán)利要求】
1. 一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)，所述的燃料電池包括依次連接的陽極板、 膜電極和陰極板，其特征在于，所述的測試系統(tǒng)包括燃料電池、氧化劑供給單元、燃料供給 單元、裝夾單元、加濕單元、冷卻管、高低溫箱、分區(qū)測試板、負(fù)載單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù) 處理單元，所述的分區(qū)測試板在測試時(shí)替代陽極板與燃料電池的膜電極連接，并通過裝夾 單元夾緊，所述的冷卻管與燃料電池的陰極板連接，所述的燃料電池、分區(qū)測試板、裝夾單 元和冷卻管均設(shè)置在高低溫箱內(nèi)，所述的分區(qū)測試板、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元依次連 接，所述的氧化劑供給單元、燃料供給單元分別連接加濕單元，所述的加濕單元與冷卻管連 接，所述的負(fù)載單元與燃料電池連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所述 的高低溫箱用于模擬燃料電池冷啟動環(huán)境。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所述 的分區(qū)測試板包括上板和下板，所述的上板表面刻有用于替代陽極的流道，上板被分割為 若干個(gè)相互絕緣的分區(qū)，所述的各分區(qū)與下板間設(shè)有埋入電阻，所述的埋入電阻通過金屬 柱分別連接分區(qū)與下板，所述的金屬柱通過采樣線與數(shù)據(jù)采集單元連接，所述的上板下方 設(shè)有多個(gè)串聯(lián)的溫度電阻，所述的溫度電阻與數(shù)據(jù)采集單元連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所述 的埋入電阻個(gè)數(shù)、溫度電阻個(gè)數(shù)及分區(qū)個(gè)數(shù)相同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所述 的上板兩端設(shè)有用于連接數(shù)據(jù)采集單元的接口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所述 的分區(qū)測試板上設(shè)有用于裝夾定位的圓孔。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所述 的裝夾單元包括擋板和頂缸，頂缸固定在擋板內(nèi)部，通過控制頂缸的伸縮實(shí)現(xiàn)分區(qū)測試板 的裝夾。
8. -種如權(quán)利要求3所述的燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試方法，其特征在于，包括以 下步驟： 1) 分區(qū)測試板替代燃料電池的陽極板，并通過裝夾單元固定在燃料電池上； 2) 設(shè)定高低溫箱的低溫環(huán)境溫度，并使高低溫箱內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定的低溫環(huán)境溫度； 3) 氧化劑供給單元、燃料供給單元分別通過加濕單元和冷卻管向高低溫箱內(nèi)的燃料電 池提供氧化劑和燃料，燃料電池連接負(fù)載單元，正常工作； 4) 數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)采集各埋入電阻兩端壓降、各溫度電阻的電壓以及流過溫度電阻 的電流，并將采集的信號傳輸給數(shù)據(jù)處理單元； 5) 數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的信號計(jì)算燃料電池內(nèi)部各分區(qū)的電流密度分布以及各 時(shí)刻的分區(qū)溫度，輸出并顯示電流密度分布圖和溫度分布圖。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試方法，其特征在于，所述 的燃料電池內(nèi)部各分區(qū)的電流密度分布根據(jù)各埋入電阻兩端壓降和相應(yīng)的埋入電阻的阻 值計(jì)算得到。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種燃料電池冷啟動分區(qū)性能測試方法，其特征在于，所述 的各時(shí)刻的分區(qū)溫度的計(jì)算方法為： 首先根據(jù)該時(shí)刻下每個(gè)溫度電阻電壓和流過溫度電阻的電流計(jì)算出該溫度點(diǎn)下各溫 度電阻的阻值，然后通過電阻溫升公式求出該時(shí)刻的分區(qū)溫度。
【文檔編號】G01R31/36GK104111425SQ201310136186
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月18日
【發(fā)明者】林瑞, 翁元明, 張軼之, 黃海靈, 崔馨予 申請人:同濟(jì)大學(xué)