本發明涉及車用燃料電池測試設備技術領域，具體涉及一種車用燃料電池測試系統及其工作方法。
背景技術：
經過幾個世紀的發展，傳統內燃機的技術已近乎完善，但其暴露出的問題也越來越多，尾氣排放造成了嚴重的空氣污染，對石油的依賴加劇了能源危機，燃料電池汽車的發展給解決這些問題帶來了新的希望。
燃料電池汽車的“心臟”—燃料電池，綠色環保，反應過程中不產生任何污染物，因反應過程不受卡諾循環的限制，能源轉換效率高(為普通內燃機的2-3倍)，而且工作過程中基本上不產生噪聲，震動也較小。
燃料電池因其中充填電解質的不同而有很多種類型，而質子交換膜燃料電池因其技術最成熟而被廣泛應用。經過多年的努力，我國在對質子交換膜燃料電池的研究上取得了很多突破性的進展，但仍存在許多難題亟待解決。不同的進氣量，進氣壓力和溫度對燃料電池的性能有很大的影響，從而影響燃料電池的輸出功率，為了解這些參數對燃料電池性能的影響，需進行多次實驗。
因此，需要通過對車用燃料電池的進氣參數(進氣溫度、壓力、相對濕度)進行設計，從而得出進氣參數對燃料電池性能(輸出電流密度、輸出電壓、輸出功率)的影響，分析得到燃料電池工作的最適條件，為提高燃料電池性能奠定理論基礎。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有的技術存在上述問題，提供一種車用燃料電池測試系統及其工作方法，主要利用不同進氣參數來分析得到燃料電池工作的最適條件，設計合理，結構緊湊。
為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：
本發明提供了一種車用燃料電池測試系統，包括氫氣瓶、氣體流量計一、壓力傳感器一、加濕控制閥一、干氣控制閥一、加濕器一、相對濕度傳感器一、溫度傳感器一、氮氣罐一、電磁通斷閥一、水氣分離器、手動閥一、水泵、渦輪流量計、壓力傳感器二、溫度傳感器二、水箱、冷卻風扇、壓力傳感器三、溫度傳感器三、空氣壓縮機、氣體流量計二、壓力傳感器四、干氣控制閥二、加濕控制閥二、加濕器二、相對濕度傳感器二、溫度傳感器四、氮氣罐二、電磁通斷閥二、手動閥二和質子交換膜燃料電池；
所述氫氣瓶經氣體流量計一、壓力傳感器一、加濕器一、相對濕度傳感器一和溫度傳感器一與所述質子交換膜燃料電池相連，所述干氣控制閥一的進、出氣口分別與所述壓力傳感器一和相對濕度傳感器一相連，所述加濕控制閥一的進氣口分別與所述壓力傳感器一和氮氣罐一相連，所述加濕控制閥一的出氣口與所述加濕器一相連，所述加濕器一的出氣口與所述相對濕度傳感器一相連；
所述空氣壓縮機經氣體流量計二、壓力傳感器四、加濕器二、相對濕度傳感器二和溫度傳感器四與所述質子交換膜燃料電池相連，所述干氣控制閥二的進、出氣口分別與所述壓力傳感器四和相對濕度傳感器二相連，所述加濕控制閥二的進氣口分別與所述壓力傳感器四和氮氣罐二相連，所述加濕控制閥二的出氣口與所述加濕器二相連，所述加濕器二的出氣口與所述相對濕度傳感器二相連；
未反應完的氫氣從質子交換膜燃料電池排出后經過水氣分離器進入所述氫氣瓶；
未利用完的空氣經管道直接排到室外；
還設有冷卻循環系統，所述水箱中的冷卻水經水泵、渦輪流量計、壓力傳感器二和溫度傳感器二進入所述質子交換膜燃料電池，冷卻水從質子交換膜燃料電池出來后，經溫度傳感器三、壓力傳感器三和冷卻風扇，再回到所述水箱。
進一步地，所述氮氣罐一通過所述電磁通斷閥一與所述加濕器一相連，所述氮氣罐二通過所述電磁通斷閥二與所述加濕器二相連。
進一步地，所述加濕器一上還設有所述手動閥一，所述加濕器二上還設有所述手動閥二。
本發明還提供了車用燃料電池測試系統的工作方法，陽極氣體通過氫氣瓶供氣，并通過所述氣體流量計一和壓力傳感器一檢測；
此后氫氣分兩種情況進入質子交換膜燃料電池：不加濕情況下，干氣控制閥一開啟時，加濕控制閥一關閉，氣體經相對濕度傳感器一和溫度傳感器一檢測后進入質子交換膜燃料電池；加濕情況下，加濕控制閥一開啟時，干氣控制閥一關閉，氣體經加濕器一加濕后，再經相對濕度傳感器一和溫度傳感器一檢測后進入質子交換膜燃料電池；未反應完的氫氣(含水氣)從質子交換膜燃料電池排出后經過水氣分離器進入氫氣瓶；
陰極氣體通過空氣壓縮機供氣，并通過所述氣體流量計二和壓力傳感器四檢測；
此后氣體分兩種情況進入質子交換膜燃料電池：不加濕情況下，干氣控制閥二開啟時，加濕控制閥二關閉，再經相對濕度傳感器二和溫度傳感器四檢測后進入質子交換膜燃料電池；加濕情況下，當加濕控制閥二開啟時，干氣控制閥二關閉，氣體經加濕器二加濕后，再經相對濕度傳感器二和溫度傳感器四檢測后進入質子交換膜燃料電池；未反應完的氫氣(含水氣)從質子交換膜燃料電池排出后空氣經管道直接排到室外；
試驗時，當質子交換膜燃料電池溫度高于設定值時，冷卻循環開啟，冷卻水經水泵從水箱中抽出后經渦輪流量計、壓力傳感器二和溫度傳感器二檢測，冷卻水從質子交換膜燃料電池出來后，經溫度傳感器三和壓力傳感器三檢測，并通過冷卻風扇冷卻后，然后重新進入水箱。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
采用以上技術方案，本專利提供了一種檢測車用燃料電池動態性能的系統及其工作方法，提供了一種安全可靠的測量燃料電池動態性能的方法，比較不同進氣參數下燃料電池的性能，加深對電堆性能的了解；且本發明在進行實驗時綠色環保，不會產生任何污染物。
附圖說明
圖1是本發明的總體方案流程圖；
圖中：1、氫氣瓶；2、氣體流量計一；3、壓力傳感器一；4、加濕控制閥一；5、干氣控制閥一；6、加濕器一；7、相對濕度傳感器一；8、溫度傳感器一；9、氮氣罐一；10、電磁通斷閥一；11、水氣分離器；12、手動閥一；13、水泵；14、渦輪流量計；15、壓力傳感器二；16、溫度傳感器二；17、水箱；18、冷卻風扇；19、壓力傳感器三；20、溫度傳感器三；21、空氣壓縮機；22、氣體流量計二；23、壓力傳感器四；24、干氣控制閥二；25、加濕控制閥二；26、加濕器二；27、相對濕度傳感器二；28、溫度傳感器四；29、氮氣罐二；30、電磁通斷閥二；31、手動閥二；32、質子交換膜燃料電池。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：
一種車用燃料電池測試系統：主要包括氫氣瓶1、氣體流量計一2、壓力傳感器一3、加濕控制閥一4、干氣控制閥一5、加濕器一6、相對濕度傳感器一7、溫度傳感器一8、氮氣罐一9、電磁通斷閥一10、水氣分離器11、手動閥一12、水泵13、渦輪流量計14、壓力傳感器二15、溫度傳感器二16、水箱17、冷卻風扇18、壓力傳感器三19、溫度傳感器三20、空氣壓縮機21、氣體流量計二22、壓力傳感器四23、干氣控制閥二24、加濕控制閥二25、加濕器二26、相對濕度傳感器二27、溫度傳感器四28、氮氣罐二29、電磁通斷閥二30、手動閥二31和質子交換膜燃料電池32；
所述氫氣瓶1經氣體流量計一2、壓力傳感器一3、加濕器一6、相對濕度傳感器一7和溫度傳感器一8與所述質子交換膜燃料電池32相連，所述干氣控制閥一5的進、出氣口分別與所述壓力傳感器一3和相對濕度傳感器一7相連，所述加濕控制閥一4的進氣口分別與所述壓力傳感器一3和氮氣罐一9相連，所述加濕控制閥一4的出氣口與所述加濕器一6相連，所述加濕器一6的出氣口與所述相對濕度傳感器一7相連；
所述空氣壓縮機21經氣體流量計二22、壓力傳感器四23、加濕器二26、相對濕度傳感器二27和溫度傳感器四28與所述質子交換膜燃料電池32相連，所述干氣控制閥二24的進、出氣口分別與所述壓力傳感器四23和相對濕度傳感器二27相連，所述加濕控制閥二25的進氣口分別與所述壓力傳感器四23和氮氣罐二29相連，所述加濕控制閥二25的出氣口與所述加濕器二26相連，所述加濕器二26的出氣口與所述相對濕度傳感器二27相連；
未反應完的氫氣(含水氣)從質子交換膜燃料電池32排出后經過水氣分離器11進入所述氫氣瓶1；
未利用完的空氣經管道直接排到室外；
還設有冷卻循環系統，所述水箱17中的冷卻水經水泵13、渦輪流量計14、壓力傳感器二15和溫度傳感器二16進入所述質子交換膜燃料電池32，冷卻水從質子交換膜燃料電池32出來后，經溫度傳感器三20、壓力傳感器三19和冷卻風扇18，再回到所述水箱17。
優選的，所述氮氣罐一9通過所述電磁通斷閥一10與所述加濕器一6相連，所述氮氣罐二29通過所述電磁通斷閥二30與所述加濕器二26相連；
所述加濕器一6上還設有所述手動閥一12，所述加濕器二26上還設有所述手動閥二31，可以及時進行手動排水。
本發明的車用燃料電池測試系統的工作方法與工作原理描述如下：
根據流程圖1所示，陽極氣體分兩種情況進入質子交換膜燃料電池，當干氣控制閥一5開啟時，加濕控制閥一4關閉，進入質子交換膜燃料電池32的是干燥的氫氣；當加濕控制閥一4開啟時，干氣控制閥一5關閉，氫氣經加濕器一6加濕后進入質子交換膜燃料電池32，進入質子交換膜燃料電池32的氣體的相對濕度和溫度分別由相對濕度傳感器一7、溫度傳感器一8測得；未反應完的氫氣(含水氣)從質子交換膜燃料電池32排出后經過水氣分離器11與氫氣瓶1連接，水氣分離器11可將氣體與液體分離開，分離出的氫氣經調壓后重新進入氫氣罐回收利用，分離出的水排到事先準備好的儲水器中；
陰極氣體空氣由空氣壓縮機21供給，陰極空氣進氣過程與氫氣相同，不同的是未利用完的空氣經管道直接排到室外；當干氣控制閥二24開啟時，加濕控制閥二25關閉，進入質子交換膜燃料電池32的是干燥的氣體；當加濕控制閥二25開啟時，干氣控制閥二24關閉，氣體經加濕器二26加濕后進入質子交換膜燃料電池32，進入質子交換膜燃料電池32的氣體的相對濕度和溫度分別由相對濕度傳感器二27、溫度傳感器四28測得；未反應完的氫氣(含水氣)從質子交換膜燃料電池32排出后空氣經管道直接排到室外。
試驗時，要保證質子交換膜燃料電池32工作在合適的溫度范圍內；當質子交換膜燃料電池32的溫度高于設定值時，冷卻循環開啟，冷卻水經水泵13從水箱17中抽出，通過渦輪流量計14控制冷卻水的流量，進入質子交換膜燃料電池32的水壓、水溫分別由壓力傳感器二15、溫度傳感器二16測得，冷卻水從質子交換膜燃料電池32出來后，經溫度傳感器三20和壓力傳感器三19測定水溫、水壓參數，并通過冷卻風扇18控溫，然后重新進入水箱17；如此循環往復；當質子交換膜燃料電池32溫度低于設定值時，可通過加熱裝置加熱冷卻循環液體對質子交換膜燃料電池32進行預熱。此外，系統還有報警保護裝置；當發生氫氣泄露等緊急情況時，氣體流量計一2斷開，氫氣停止供給，電磁通斷閥一10打開，氮氣經電磁通斷閥一10和干氣控制閥一5進入質子交換膜燃料電池32掃氣。
利用該系統可以檢測出進氣在不同壓力和溫度下對燃料電池性能的影響，從而得出燃料電池工作的最適溫度和壓力。因質子交換膜電池燃料中的質子交換膜在不同濕度的條件下其性能也有差別，本系統設有氣體加濕裝置，可以得到多種濕度的氣體，從而測試出不同濕度的氣體對燃料電池性能的影響，得到其工作的最佳濕度范圍，為今后的研究奠定理論基礎；燃料電池工作時會導致電堆溫度升高，對電池部件產生不利的影響，因此本專利設有冷卻循環系統，能夠使電池溫度保持在適宜工作的溫度范圍內，設置更加合理；為安全起見，本系統還設有報警裝置，當發生氣體泄漏時，氫氣停止供給，氮氣進入電池掃氣，能夠有效保護電池遭受損壞。
本發明還提供了所述燃料電池動態性能檢測系統的工作方法，進入燃料電池電堆的氣體有兩種模式：干氣控制閥開啟，加濕控制閥關閉，進入燃料電池電堆的是干燥的氣體；干氣控制閥關閉，加濕控制閥開啟，氣體經加濕器加濕后進入燃料電池電堆。氫氣和空氣進入電堆的壓力可通過氣體流量計和壓力控制閥控制。為節約燃料和安全起見，未反應完的陽極氣體氫氣通過水氣分離器進行回收重新利用，分離出的水進入儲水器中，其中重新進入氫氣瓶的氫氣壓力由背壓閥控制，而未利用完的陰極氣體空氣則可以直接排到室外。此外，本發明還有冷卻循環系統和報警保護裝置，冷卻循環系統可使電堆工作在一定的溫度范圍內，防止燃料電池過熱造成零部件的損壞，報警保護裝置在發生緊急情況時啟動，利用氮氣按照氫氣不加濕路線掃氣。
本發明是使陰陽極氣體在設定的流量、溫度、壓力和相對濕度條件下，測出燃料電池的動態性能，通過分析實驗數據可以作出燃料電池的極化特性曲線。實驗過程中可對流量、溫度、壓力和相對濕度中的某一單獨變量進行控制，對比不同數值時燃料電池的性能。
本發明系統的燃料電池可以作為便攜電源、小型移動電源、車載電源、備用電源等使用，也可以工作在汽車、火車、船舶等交通工具上；同時，燃料電池生成的電還可供車載其它電器設備使用，用于駕駛室制冷、座椅加熱、音響等。
本發明不限于以上對實施例的描述，本領域技術人員根據本發明揭示的內容，在本發明基礎上不必經過創造性勞動所進行的改進和修改，比如干氣控制閥、加濕器的選擇設置等，都應該在本發明的保護范圍之內。