專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池安全性能測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池測試技術(shù)，特別涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池安全性能測試裝置。
背景技術(shù)：
目前，處于高度發(fā)展中的燃料電池體系包括堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。在這些燃料電池體系中，質(zhì)子交換膜燃料電池具有最低的工作溫度，其工作溫度低于100°C，屬于低溫燃料電池。同時，還因為具有以下優(yōu)點而成為電動車、不依賴空氣推進的潛艇動力源、各種可移動電源和小型便攜式電源的最佳候選者燃料電池(Fuel cell)是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將富氫燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。其進料是極易燃燒甚至?xí)ǖ臍錃饣蚱渌兹細(xì)怏w。燃料電池作為清潔、高效、可再生的能源，其廣闊的應(yīng)用前景可與計算機技術(shù)相媲美，是解決資源匱乏和污染惡化這兩大問題最重要的途徑。各國政府以及各大公司相繼投入大量人力和物力進行研究，已經(jīng)取得了令人矚目的突破。燃料電池將在世界能源構(gòu)成中發(fā)揮越來越重要的作用，國際電氣委員會(IEC)針對燃料電池模塊安全和性能發(fā)布一系列標(biāo)準(zhǔn)， 包括“IEC 62沘2-2:燃料電池技術(shù)一第2部分燃料電池模塊，IEC 62282-3-2 2006固定式燃料電池動力裝置性能試驗方法”、“IEC 62282-6-1 2006微燃料電池電源系統(tǒng)安全性”、“IEC 62282-3-1 2007固定式燃料電池動力裝置安全性”、“IEC 62282-5-1 2007便攜式燃料電池動力系統(tǒng)安全性”。2003年我國科技部提出對“質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究”項目給予重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究專項支持。計劃用三年時間，建立我國質(zhì)子交換膜燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系，制定質(zhì)子交換膜燃料電池術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、電池組和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、便攜式質(zhì)子交換膜燃料電池標(biāo)準(zhǔn)并研究相應(yīng)的檢測技術(shù)。然而，我國與發(fā)達(dá)國家相比，研究工作還需進一步完善，尤其是針對各種燃料電池的安全方面，標(biāo)準(zhǔn)不夠系統(tǒng)，缺乏對燃料電池檢測的相關(guān)技術(shù)，不利于國家對燃料電池提供有效的監(jiān)管。目前，我國對燃料電池技術(shù)的研究，主要側(cè)重于性能方面的研究，主要考慮通過質(zhì)子膜的改進，如何提高能量轉(zhuǎn)換比，對于安全性能的研究，雖然已經(jīng)有IEC 62282-6-1 2006 微燃料電池電源系統(tǒng)安全性”、“IEC 62282-3-1 2007固定式燃料電池動力裝置安全性”、“IEC 62282-5-1 2007便攜式燃料電池動力系統(tǒng)安全性”等檢測標(biāo)準(zhǔn)。但是，在燃料電池行業(yè)還沒有生產(chǎn)出針對于燃料電池安全性能檢測的、標(biāo)準(zhǔn)的檢測儀器，因此不能對燃料電池的安全性能做出科學(xué)和正確評價，這種情況不利于保障燃料電池的生產(chǎn)和使用安全，燃料電池的商品化將成為必然趨勢，迫切需要建立起與之相適應(yīng)的檢測實驗室和生產(chǎn)用于檢測實驗室的燃料電池檢測儀器，以便實現(xiàn)對進出口燃料電池進行有效檢驗和監(jiān)管， 以保證我國燃料電池行業(yè)的正常、持續(xù)發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是為針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供燃料電池安全性能測試技術(shù)的解決方案，通過設(shè)計一種質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)安全性能測試方法及裝置，實現(xiàn)對質(zhì)子交換膜燃料電池進氣口氫氣溫度、壓力，氧氣口溫度、壓力，電池的溫度，輸出電流、 電壓等關(guān)鍵參數(shù)進行測試，通過對測試條件的進行設(shè)置和改變，以觀察質(zhì)子交換膜燃料電池是否會發(fā)生破裂，漏氣等，對質(zhì)子交換膜燃料電池的安全性能進行檢測；本實用新型是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的一種質(zhì)子交換膜燃料電池測試裝置， 由質(zhì)子交換膜燃料電池供氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)和測試軟件構(gòu)成，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜燃料電池供氣系統(tǒng)包括氫氣管路和氧氣管路；氫氣氣源管路連接增濕系統(tǒng)的氫氣加濕罐進氣口，氫氣加濕罐出氣口處安裝有一個氣體穩(wěn)壓閥，氣體穩(wěn)壓閥接入氫氣管路，通過纏繞保溫材料的氫氣管路連接到質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣進口 ；氫氣加濕罐至質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣進口之間的氫氣管路中安裝一個三通管件，并在三通管件上安裝一個壓力變送器；三通管件之后的氫氣管路上還分別串接一個電磁閥和流量控制器；氧氣氣源管路連接增濕系統(tǒng)的氧氣加濕罐進氣口，氧氣加濕罐出氣口處安裝有一個氣體穩(wěn)壓閥，氣體穩(wěn)壓閥接入氧氣管路，通過纏繞保溫材料的氧氣管路輸送到連接到質(zhì)子交換膜燃料電池氧氣進口 ；氧氣加濕罐至質(zhì)子交換膜燃料電池氧氣進口之間的氧氣管路中安裝一個三通管件，并在三通管件上安裝一個壓力變送器；三通管件之后的氧氣管路上還分別串接一個電磁閥和流量控制器；流量控制器采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計。所述電氣監(jiān)控系統(tǒng)包括一組智能數(shù)字控制儀表、壓力變送器、電磁閥和熱電阻；所述智能數(shù)字顯示控制儀可分別設(shè)置成溫度控制儀TM1、TM2、TM3和壓力控制儀 PMU PM2 ；所述溫度控制儀TM1、TM2、TM3的熱電阻輸入端子分別連接的熱電阻PT100 ；與溫度控制儀TM2連接的熱電阻PT100安裝在被測質(zhì)子交換膜燃料電池表面區(qū)域，通過熱電阻PTlOO采集質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度；溫度控制儀TM2報警點AL與質(zhì)子交換膜燃料電池加熱器的電源串接；控制質(zhì)子交換膜燃料電池加熱器電源的通斷；與溫度控制儀TMl連接的熱電阻PT100安裝于質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣進氣口處；通過熱電阻2采集氫氣溫度；溫度控制儀TMl的報警點AL與氫氣加熱器電源串接，控制氫氣加熱器電源的通斷；氫氣加熱器置于氫氣加濕罐中；與溫度控制儀TM3連接的熱電阻PT100安裝在質(zhì)子交換膜燃料電池氧氣進氣口處；通過熱電阻PTioo采集氧氣溫度；溫度控制儀TM3的報警點AL與氧氣加熱器電源串接， 控制氧氣加熱器電源的通斷；氧氣加熱器置于氧氣加濕罐中；壓力控制儀PMl的電流信號輸入端通過電纜連接的壓力變送器Pl接線端；壓力變送器Pl的壓力傳感器部分通過三通管件安裝在氫氣管路上；通過采集壓力變送器反饋的 4 20mA電流信號檢測氫氣背壓壓力；壓力控制儀PM2的電流信號輸入端通過電纜連接的壓力變送器P2接線端；壓力變送器P2的壓力傳感器部分通過三通管件安裝在氧氣管路上；通過采集壓力變送器反饋的 4 20mA電流信號檢測氧氣背壓壓力；所述氫氣管路和氧氣管路上分別安裝電磁閥，由電磁閥控制燃料氣體進入燃料電池的通路，電磁閥的正、反轉(zhuǎn)接線端的分別連接中間繼電器的常閉和常開觸點的一端，中間繼電器的常閉和常開觸點的另一端連接到電源L端，電磁閥的中線接電源N端，由中間繼電器控制電磁閥的正、反轉(zhuǎn)切換；中間繼電器未通電時，電磁閥處于開啟狀態(tài)；中間繼電器通電吸合時，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)；壓力控制儀PMl和壓力控制儀PM2的報警點AL分別串聯(lián)一個中間繼電器的線圈并與電源構(gòu)成回路；設(shè)定AL氣體壓力信號上限報警值，當(dāng)達(dá)到上限報警時，中間繼電器吸合，電磁閥關(guān)閉，切斷燃料氣體氣路。本實用新型通過上述裝置對燃料電池進氣口氫氣溫度、壓力，氧氣口溫度、壓力， 電池的溫度，輸出電流，電壓的輸?shù)汝P(guān)鍵參數(shù)的進行設(shè)置和改變，以觀察質(zhì)子交換膜燃料電池是否會發(fā)生破裂，漏氣等，對質(zhì)子交換膜燃料電池的安全性能進行檢測；使質(zhì)子交換膜燃料電池安全性能測試過程獲得安全測試條件，提供一種操作簡單、安全可靠、實用檢測實驗裝置，可對質(zhì)子交換膜燃料電池的安全性能做出科學(xué)和正確評價，保障質(zhì)子交換膜燃料電池的生產(chǎn)和使用安全，以便實現(xiàn)對進出口質(zhì)子交換膜燃料電池進行有效檢驗和監(jiān)管，以保證我國質(zhì)子交換膜燃料電池行業(yè)的正常、持續(xù)發(fā)展。

圖1、質(zhì)子交換膜燃料電池安全性能測試裝置框圖；圖2、電路原理圖；圖3、儀表布局圖。
具體實施方式
為了更清楚的理解本實用新型，結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)描述本實用新型如圖1、圖2和圖3所示，為了保證質(zhì)子交換膜燃料電池正常運行，反應(yīng)過程的工作條件必須始終保持在比較理想狀態(tài)，包括運行時的電池溫度、燃料氣體的壓力、溫度，氣體
的流量等。質(zhì)子交換膜燃料電池運行環(huán)境溫度是影響電池放電性能的最重要參數(shù)之一。在一定范圍內(nèi)，提高電池運行環(huán)境溫度，電池放電性能也會隨之增加；反應(yīng)氣體的壓力和流量對質(zhì)子交換膜燃料電池的放電性能也有影響。特別是氧氣壓力和流量的變化對質(zhì)子交換膜燃料電池放電性能的影響更為強烈；試驗結(jié)果還表明氣體增濕溫度發(fā)生變化，質(zhì)子交換膜燃料電池的放電性能也會受到影響。特別是氣體增濕溫度高于質(zhì)子交換膜燃料電池的環(huán)境運行溫度后；本實施例的質(zhì)子交換膜燃料電池安全性能測試裝置主要由以下幾部分組成供氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)和測試軟件。質(zhì)子交換膜燃料電池安全性能測試裝置采用電氣控制柜作為測試裝置外殼，供氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)的元件均安裝在電氣控制柜中，其中供氣系統(tǒng)用于精確提供電堆運行反應(yīng)所需要的氣體。主要部件包括流量控制器、氣體穩(wěn)壓閥、分水器、 氫氣管路、氧氣管路、管路閥件、管路接頭和氣體加濕罐。電磁閥分別安裝在氫氣管路和氧氣管路上，流量控制器采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計；分別連接到在氫氣管路和氧氣管路上；氣體加濕罐分為氫氣加濕罐和氧氣加濕罐，分別在氫氣加濕罐和氧氣加濕罐的罐口處安裝一個氣體穩(wěn)壓閥，經(jīng)氣體穩(wěn)壓閥接入氫氣管路和氧氣管路；增濕系統(tǒng)用于獨立對電堆反應(yīng)氣體進行增濕，保證燃料電池穩(wěn)定運行；主要部件為增濕水罐和控制系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)用于控制電堆的運行溫度，保證燃料電池穩(wěn)定運行。冷卻系統(tǒng)可采用風(fēng)冷和水冷，可以根據(jù)電堆具體的工作要求設(shè)計和配置。電氣監(jiān)控系統(tǒng)一組智能數(shù)字控制儀表、壓力變送器、電磁閥和熱電阻；智能數(shù)字控制儀表安裝在測試裝置外殼前面板開孔內(nèi)，儀表接線端子部分置于外殼柜體內(nèi)部，智能數(shù)字控制儀表用于氣體壓力控制時，ALl用來設(shè)定上限報警值，AHl用來設(shè)定上限報警回差值。當(dāng)上限報警時，切斷電磁閥。智能數(shù)字控制儀表用于燃料電池溫度控制時，溫度儀表的AL2和AH2共同設(shè)定工作溫度區(qū)間。例如在不考慮熱慣性的前提下，AL2設(shè)定為40°C，AH2設(shè)定為10°C，則工作區(qū)間設(shè)定為40°C 50°C。當(dāng)溫度低于40°C時繼電器閉合加熱罐開始加熱；當(dāng)溫度上升高于 500C (AL2+AH2)時繼電器斷開停止加熱；溫度再次降低到40°C時繼電器再次閉合開始加熱。質(zhì)子交換膜燃料電池安全性能測試方法包括如下步驟(1)為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)安全性能測試提供合適的安全測試條件，所述安全測試條件包括被測質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度和燃料氣體溫度；燃料氣體包括氫氣和氧氣；(2)單體質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的電壓時間曲線測試時，其安全測試條件選擇PQ2 =0. 30MPa, / 2=0· 28MPa，TO2 =75°C, 7H2=85°C, Tcell =70°C ；其中-.PQ2為氧氣背壓壓力，/ 為氫氣背壓壓力；TO2為氧氣溫度，TH2為氫氣溫度；/cell為質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度；(3)單體質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的功率密度曲線測試時，其安全測試條件選擇-.PQ2 =0. 30MPa, /7H2=O. 28MPa,T O2= 75°C，7 2=85°0，7bell=70°C ；其中:/ 為氧氣背壓壓力，/ 為氫氣背壓壓力；TO2為氧氣溫度，TH2為氫氣溫度；Aell為質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度；(4)用智能數(shù)字控制儀表的熱電阻輸入端子連接的熱電阻，通過熱電阻采集被測 PEMFC工作溫度；通過智能數(shù)字控制儀表報警點AL控制加熱器來保持質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度；(5)通過熱電阻采集質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣進口處的氫氣溫度；通過智能數(shù)字控制儀表報警點AL控制氫氣加熱器來保持氫氣溫度；氫氣加熱器被置于氫氣加濕罐中，從氫氣加濕罐輸出的氫氣通過管道直接輸送到質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣進口 ；氫氣加熱溫度控制范圍15°C—90°C ；(6)通過熱電阻采集質(zhì)子交換膜燃料電池氧氣進口處的氧氣溫度；通過智能數(shù)字控制儀表報警點AL控制氧氣加熱器來保持氧氣溫度；氧氣加熱器被置于氧氣加濕罐中，從氧氣加濕罐輸出的氧氣通過管道直接輸送到質(zhì)子交換膜燃料電池氧氣進口 ；氧氣加熱溫度控制范圍為15°C—90°C ；[0048](7)用智能數(shù)字控制儀表的電流信號輸入端連接安裝在燃料氣體氣路中壓力變送器接線端，通過采集壓力變送器反饋的4 20mA電流信號檢測燃料氣體的背壓壓力；背壓壓力控制范圍0—50 PSIG ；通過智能數(shù)字控制儀表報警點AL控制安裝于燃料氣體氣路中的電磁閥，當(dāng)背壓壓力超過50 PSIG時，令電磁閥關(guān)閉，切斷燃料氣體氣路。智能數(shù)字控制儀表通訊接口采用RS232轉(zhuǎn)RS485模塊。帶有232串口的PC可以直接將轉(zhuǎn)換器與232串口 COMl連接，并設(shè)置好串口參數(shù)。波特率9600數(shù)據(jù)位8校驗位 無停止位1 ；沒有232串口的PC需要首先安裝PCI串行卡及相應(yīng)驅(qū)動程序，并設(shè)置好通訊口參數(shù)(同上)。程序默認(rèn)通訊口為COMl，請將所用通訊口設(shè)置為COMl。
權(quán)利要求1. 一種質(zhì)子交換膜燃料電池測試裝置，由質(zhì)子交換膜燃料電池供氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜燃料電池供氣系統(tǒng)包括氫氣管路和氧氣管路；氫氣氣源管路連接增濕系統(tǒng)的氫氣加濕罐進氣口，氫氣加濕罐出氣口處安裝有一個氣體穩(wěn)壓閥，氣體穩(wěn)壓閥接入氫氣管路，通過纏繞保溫材料的氫氣管路連接到質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣進口 ；氫氣加濕罐至質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣進口之間的氫氣管路中安裝一個三通管件，并在三通管件上安裝一個壓力變送器；三通管件之后的氫氣管路上還分別串接一個電磁閥和流量控制器；氧氣氣源管路連接增濕系統(tǒng)的氧氣加濕罐進氣口，氧氣加濕罐出氣口處安裝有一個氣體穩(wěn)壓閥，氣體穩(wěn)壓閥接入氧氣管路，通過纏繞保溫材料的氧氣管路輸送到連接到質(zhì)子交換膜燃料電池氧氣進口 ；氧氣加濕罐至質(zhì)子交換膜燃料電池氧氣進口之間的氧氣管路中安裝一個三通管件，并在三通管件上安裝一個壓力變送器； 三通管件之后的氧氣管路上還分別串接一個電磁閥和流量控制器；流量控制器采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計；所述電氣監(jiān)控系統(tǒng)包括一組智能數(shù)字控制儀表、壓力變送器、電磁閥和熱電阻； 所述智能數(shù)字顯示控制儀包括溫度控制儀TM1、TM2、TM3和壓力控制儀PM1、PM2 ；所述溫度控制儀TM1、TM2、TM3的熱電阻輸入端子分別連接的熱電阻PT100 ；與溫度控制儀TM2連接的熱電阻PT100安裝在被測質(zhì)子交換膜燃料電池表面區(qū)域，通過熱電阻PT100采集質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度；溫度控制儀TM2報警點AL與質(zhì)子交換膜燃料電池加熱器的電源串接；與溫度控制儀TMl連接的熱電阻PT100安裝于質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣進氣口處；溫度控制儀TMl的報警點AL與氫氣加熱器電源串接，氫氣加熱器置于氫氣加濕罐中；與溫度控制儀TM3連接的熱電阻PT100安裝在質(zhì)子交換膜燃料電池氧氣進氣口處；溫度控制儀 TM3的報警點AL與氧氣加熱器電源串接，氧氣加熱器置于氧氣加濕罐中；壓力控制儀PMl 的電流信號輸入端通過電纜連接的壓力變送器Pl接線端；壓力變送器Pl的壓力傳感器部分通過三通管件安裝在氫氣管路上；壓力控制儀PM2的電流信號輸入端通過電纜連接的壓力變送器P2接線端；壓力變送器P2的壓力傳感器部分通過三通管件安裝在氧氣管路上； 所述氫氣管路和氧氣管路上分別安裝電磁閥，電磁閥的正、反轉(zhuǎn)接線端的分別連接中間繼電器的常閉和常開觸點的一端，中間繼電器的常閉和常開觸點的另一端連接到電源L端， 電磁閥的中線接電源N端；壓力控制儀PMl和壓力控制儀PM2的報警點AL分別串聯(lián)一個中間繼電器的線圈并與電源構(gòu)成回路。
專利摘要本實用新型涉及質(zhì)子交換膜燃料電池測試裝置，由質(zhì)子交換膜燃料電池供氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)和測試軟件構(gòu)成，燃料電池供氣系統(tǒng)包括氫氣管路和氧氣管路；電氣監(jiān)控系統(tǒng)包括一組智能數(shù)字控制儀表、壓力變送器、電磁閥和熱電阻；智能數(shù)字顯示控制儀可分別設(shè)置成溫度控制儀TM1、TM2、TM3和壓力控制儀PM1、PM2；對燃料電池進氣口氫氣溫度、壓力，氧氣口溫度、壓力，電池的溫度，輸出電流，電壓的輸?shù)汝P(guān)鍵參數(shù)的進行設(shè)置和改變，以觀察質(zhì)子交換膜燃料電池是否會發(fā)生破裂，漏氣等；使質(zhì)子交換膜燃料電池安全性能測試過程獲得安全測試條件，提供一種操作簡單、安全可靠、實用檢測實驗裝置，對質(zhì)子交換膜燃料電池的安全性能做出科學(xué)和正確評價，保障質(zhì)子交換膜燃料電池的生產(chǎn)和使用安全。
文檔編號H01M8/04GK201965211SQ20102068451
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者張江萍, 張穎, 施宇明, 李翔, 栗建永, 王娜, 賈曉川, 趙黎華 申請人:天津出入境檢驗檢疫局工業(yè)產(chǎn)品安全技術(shù)中心