專利名稱：燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于燃料電池測試系統領域，涉及燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置，特別是適用于在設定條件下，對燃料電池施加熱載荷與溫度載荷的加速循環疲勞試驗的試驗裝置。
背景技術：
燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的發電裝置，與傳統電源相比具有高比能、高效率、易使用、低污染等優點，在移動電源等領域有廣闊應用前景。燃料電池在周期性啟停中，隨著其內部化學反應的進行和停止，燃料電池內部溫度的周期性變化會對其封裝結構造成交變熱載荷；同時，由于陽極燃料-反應生產氣體及陰極氧化劑在反應區域流動時造成的溝道內壓力降，會對燃料電池施加低頻的機械載荷。因此，燃料電池熱載荷的來源由反應物攜帶的熱量和電池內部化學反應放熱構成，機械載荷分別由陽極燃料-生成物氣體和陰極氣體在各自微流場內運輸造成的壓力降組成。燃料電池熱載荷與機械載荷會改變電池封裝結構的應力分布狀態，從而造成電池內阻增大，電池性能趨于疲勞劣化。研究和評價燃料電池在熱載荷與機械載荷作用下的疲勞劣化規律，對改進電池設計，提高電池性能及其可靠性具有重要意義。目前，針對燃料電池疲勞測試裝置的研究鮮見報道。現有燃料電池疲勞測試主要在恒溫、恒載條件下對燃料電池特定部件的性能劣化過程進行長時間疲勞試驗，測試效率低° 如文獻 S.Cleghorn, D.Mayfield, et al.A polymer electrolyte fuel cell lifetest:3years of continuous operation.J.Power Sources, 2005 (158):446 - 454.米用恒定工況下的連續測試方法對燃料電池膜電極疲勞壽命進行跟蹤測試和評價，前后耗時三年完成全部試驗，效率低，且對燃料電池的性能影響因素不能獨立進行評價。發明專利200910011046.2 “一種加熱與制冷流動液體的裝置”發明人劉沖，梁軍生等公開了一種加熱與制冷流動液體的裝置，可應用于燃料電池陽極燃料的加熱，即只能對燃料電池陽極流場施加復合的熱載荷與機 械載荷，不能真實模擬燃料電池疲勞失效過程；且不能分別控制熱載荷與機械載荷的試驗參數，不利于分析各個載荷對燃料電池的性能影響規律；溫度控制的采樣點是加熱塊出口處管路的流體，不能控制燃料電池本體的溫度。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術缺陷，發明了一種可對燃料電池陽極流場和陰極流場同時施加熱載荷與機械載荷的裝置，且通過熱載荷部件與機械載荷部件的設計，滿足設定參數條件下燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗的要求，具有試驗效率高、操作簡便、實用性強的優點，可快速完成規定循環周次的燃料電池熱載荷與機械載荷加速循環疲勞試驗。本發明采取的技術方案是:一種燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置，其特征在于，試驗裝置由箱體部件、熱載荷部件和機械載荷部件組成，其中，箱體部件由試驗箱1、低溫箱4、高溫箱15、試驗箱蓋28、低溫箱蓋29、高溫箱蓋30組成；熱載荷部件由低溫介質5、高溫介質16、試樣環境換熱管2、低溫換熱管6、高溫換熱管7、電磁閥8、三通管接頭3、環境管路液泵9、環境管路儲罐10、溫度傳感器22、溫度變送器23組成，機械載荷部件由燃料儲罐11、氧化劑儲罐12、燃料泵13、氧化劑泵14、燃料換熱管18、氧化劑換熱管17、陰極入口管19、陽極入口管20、陰極出口管24、陽極出口管27、氧化劑回收罐25、燃料回收罐27組成。箱體部件中的低溫箱4放置在高溫箱15正前面，低溫箱4和高溫箱15的正左面放置試驗箱I，試驗箱蓋28是試驗箱I的上端蓋，低溫箱蓋29是低溫箱4的上端蓋，高溫箱蓋30是高溫箱15的上端蓋。熱載荷部件中的試樣環境換熱管2安裝在試驗箱I的內部，試樣環境換熱管2的一個接口與環境管路儲罐10的入口相連，試樣環境換熱管2的另一個接口與三通管接頭3的一個接口連接，低溫箱4中盛有低溫介質5，低溫換熱管6浸沒在低溫介質5中，低溫換熱管6的一個接口與電磁閥8的一個出口連接，低溫換熱管6的另一個接口與三通管接頭3的另一個接口連接，高溫箱15中盛有高溫介質16，高溫換熱管7浸沒在高溫介質16中，高溫換熱管7的一個接口與電磁閥8的另一個出口連接，高溫換熱管7的另一個接口與三通管接頭3剩余的一個接口連接，環境管路儲罐10的出口與環境管路液泵9的入口連接，環境管路液泵9的出口與電磁閥8的入口連接。機械載荷部件中的燃料換熱管18和氧化劑換熱管17浸沒在高溫介質19中，燃料換熱管18的一個接口與陽極入口管20的一個接口連接，燃料換熱管18的另一個接口與燃料泵13的出口連接，燃料泵13的入口與燃料儲罐11連接，陽極出口管27和燃料回收罐26連接；氧化劑換熱管17的一個接口與陰極入口管19連接，氧化劑換熱管17的另一個接口與氧化劑泵14的出口連接，氧化劑泵14的入口與氧化劑儲罐12連接，陰極出口管24和氧化劑回收罐25連接。 本發明的顯著效果是燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置結構簡單、便于操作、安全可靠，實現了對燃料電池性能劣化過程中熱載荷與機械載荷的加速模擬。可根據試驗條件靈活設置熱載荷與機械載荷交變曲線，在短時間內完成燃料電池熱載荷與機械載荷的復合加速疲勞試驗，大大提高實驗效率，降低實驗成本。
圖1是燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置的俯視示意圖，圖2是圖1中箱體部件的主視圖，圖3是圖2中箱體部件的俯視圖，圖4是圖1中試樣環境換熱管的主視圖，圖5是圖1中試樣環境換熱管的左視圖。其中:1_試驗箱，2-試樣環境換熱管，3-三通管接頭，4-低溫箱，5-低溫介質，6-低溫換熱管，7-高溫換熱管，8-電磁閥，9-環境管路液泵，10-環境管路儲罐，11-燃料儲罐，12-氧化劑儲罐，13-燃料泵，14-氧化劑泵，15-高溫箱，16-高溫介質，17-氧化劑換熱管，18-燃料換熱管，19-陰極入口管，20-陽極入口管，21-試樣區，22溫度傳感器，23-溫度變送器，24-陰極出口管，25-氧化劑回收罐，26-燃料回收罐，27-陽極出口管，28-試驗箱蓋，29-低溫箱蓋，30-高溫箱蓋，試驗箱蓋31、低溫箱蓋32、高溫箱蓋33。圖6是溫度標準曲線，圖7是溫度試驗曲線，其中:橫坐標的單位為t/min，縱坐標的單位是T/°C ;圖8是陰極氧化劑流量的設置曲線，圖9是陰極氧化劑流量的試驗響應曲線，其中:橫坐標的單位為t/s，縱坐標的單位是L/min;圖10是陽極燃料流量的設置曲線，圖11是陽極燃料流量的試驗響應曲線，其中:橫坐標的單位為t/min，縱坐標的單位是ml/h'
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細說明本發明的實施。如附圖1、2、3、4、5所示，該發明燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置，由包箱體部件、熱載荷部件和機械載荷部件組成；箱體部件中的試驗箱提供試樣的試驗環境，其中試樣放置于式樣區；熱載荷部件對試樣快速加載周期性熱載荷，其中環境管路儲罐內放入冰點小于0°c的鹽水作為循環的液體，環境管路液泵抽取環境管路儲罐中的循環液體，循環液體再經電磁閥的至低溫換熱管或高溫換熱管，流經三通管接頭至試樣環境換熱管，最后再流回環境管路儲罐，至此形成一個液體回路；試樣環境換熱管內的循環液體與試驗箱內空氣進行熱交換，溫度傳感器和溫度變送器實時采集試驗箱內溫度，再控制環境管路液泵的流量到達試驗箱內所需的溫度；機械載荷部件對燃料電池試樣陽極流場和陰極流場快速加載一定的機械載荷，其中燃料儲罐內放入去離子水，由燃料泵抽取去離子水，經差壓變送器送至燃料換熱管，再經陽極入口管送至燃料電池試樣的陽極流場，構成對燃料電池試樣陽極的機械載荷，最后經陽極出口管流至燃料回收罐；氧化劑儲罐放入凈化空氣，由氧化劑泵抽取凈化空氣，經氧化劑換熱管至陰極入口管，再至燃料電池試樣的陰極流場，構成對燃料電池試樣陰極的機械載荷，最后經陰極出口管流至氧化劑回收罐。實例I是采用一個微型直接甲醇燃料電池試樣進行熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗。根據上述實施方式，如附圖1、2、3、4、5所示，將燃料電池試樣放置于試樣環境管路中的試樣區，將燃料電池試樣的陽極入口與陽極入口管連接，燃料電池試樣的陰極入口與陰極入口管連接，燃料電池試樣的陽`極出口與陽極出口管連接，燃料電池試樣的陰極出口與陰極出口管連接；設置如附圖6、8、10所示的標準試驗參數曲線，啟動對熱載荷部件和機械載荷部件的控制，即可開始燃料電池試樣熱載荷與機械載荷復合加速疲勞試驗；如附圖7是溫度試驗曲線，得到溫度控制精度< 土1°C，溫變速率> 5°C /min ;附圖9是陰極氧化劑流量的試驗響應曲線，得到陰極氧化劑流量的控制精度為±0.lL/min ;附圖11是陽極燃料流量的試驗響應曲線，得陽極燃料流量的控制精度微±0.lml/h0本發明的燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置，實現了在設定實驗條件下，進行燃料電池熱載荷與溫度載荷復合加速循環疲勞試驗。本發明對燃料電池陽極流場和陰極流場同時施加熱載荷與機械載荷，具有試驗效率高、操作簡便、實用性強的特點，可快速完成規定循環周次的燃料電池熱載荷與機械載荷復合加速疲勞試驗，為研究燃料電池性能與各個影響因素之間的關系提供了可行性方法，并為壽命估測提供加速試驗平臺，提高燃料電池工作壽命預測及衰變性能評估的可操作性。
權利要求
1.一種燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置，其特征在于，試驗裝置由箱體部件、熱載荷部件和機械載荷部件組成，其中，箱體部件由試驗箱(I)、低溫箱(4)、高溫箱(15)、試驗箱蓋(28)、低溫箱蓋(29)、高溫箱蓋(30)組成；熱載荷部件由低溫介質(5)、高溫介質(16)、試樣環境換熱管(2)、低溫換熱管(6)、高溫換熱管(7)、電磁閥(8)、三通管接頭(3)、環境管路液泵(9)、環境管路儲罐(10)、溫度傳感器(22)、溫度變送器(23)組成，機械載荷部件由燃料儲罐(11)、氧化劑儲罐(12)、燃料泵(13)、氧化劑泵(14)、燃料換熱管(18)、氧化劑換熱管(17)、陰極入口管(19)、陽極入口管(20)、陰極出口管(24)、陽極出口管(27)、氧化劑回收罐(25)、燃料回收罐(27)組成； 箱體部件中的低溫箱(4 )安裝在高溫箱(15 )正前面，低溫箱(4 )和高溫箱(15 )的正左面安裝試驗箱(I)，試驗箱蓋(28 )安裝在試驗箱(I)的上端口，低溫箱蓋(29 )安裝在低溫箱(4)的上端口，高溫箱蓋(30)安裝在高溫箱(15)的上端口 ； 熱載荷部件中的試樣環境換熱管(2 )安裝在試驗箱(I)的內部，試樣環境換熱管(2 )的一個接口與環境管路儲罐(10)的入口相連，試樣環境換熱管(2)的另一個接口與三通管接頭(3)的一個接口連接，低溫箱(4)中盛有低溫介質(5)，低溫換熱管(6)浸沒在低溫介質(5 )中，低溫換熱管(6 )的一個接口與電磁閥(8 )的一個出口連接，低溫換熱管(6 )的另一個接口與三通管接頭(3)的另一個接口連接，高溫箱(15)中盛有高溫介質(16)，高溫換熱管(7)浸沒在高溫介質(16)中，高溫換熱管(7)的一個接口與電磁閥(8)的另一個出口連接，高溫換熱管(7 )的另一個接口與三通管接頭(3 )剩余的一個接口連接，環境管路儲罐(10 )的出口與環境管路液泵(9)的入口連接，環境管路液泵(9)的出口與電磁閥(8)的入口連接; 機械載荷部件中的燃料換熱管(18)和氧化劑換熱管(17)浸沒在高溫介質(19)中，燃料換熱管(18)的一個接口與陽極入口管(20)的一個接口連接，燃料換熱管(18)的另一個接口與燃料泵(13 )的出口連接，燃料泵(13 )的入口與燃料儲罐(11)連接，陽極出口管(27 )和燃料回收罐(26 )連接；氧化劑換熱管(17 )的一個接口與陰極入口管(19 )連接，氧化劑換熱管(17)的另一個接口與氧化劑泵(14)的出口連接，氧化劑泵(14)的入口與氧化劑儲罐 (12)連接，陰極出口管(24)和氧化劑回收罐(25)連接。
全文摘要
本發明燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置屬于燃料電池測試系統領域，涉及燃料電池熱載荷與機械載荷加速疲勞試驗裝置。試驗裝置由箱體部件、熱載荷部件和機械載荷部件組成，熱載荷部件由低溫介質、高溫介質、試樣環境換熱管、低溫換熱管、高溫換熱管、電磁閥、三通管接頭、環境管路液泵、環境管路儲罐、溫度傳感器、溫度變送器組成。機械載荷部件由燃料儲罐、氧化劑儲罐、燃料泵、氧化劑泵、燃料換熱管、氧化劑換熱管、陰極入口管、陽極入口管、陰極出口管、陽極出口管、氧化劑回收罐、燃料回收罐組成。本裝置具有試驗效率高、操作簡便、安全可靠，實用性強的特點，且實現了對燃料電池性能劣化過程中熱載荷與機械載荷的加速模擬。
文檔編號G01R31/36GK103245919SQ20131011410
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月2日 優先權日2013年4月2日
發明者梁軍生, 楊秀玲, 張揚, 王大志, 胡頡, 王立鼎 申請人:大連理工大學