本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池實驗臺反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術(shù)：

燃料電池是一種將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為直流電的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換器。燃料電池以氫氣和空氣為燃料，反應(yīng)后生成水，無污染且可循環(huán)利用。它不經(jīng)過熱機過程，因此不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高(40％-60％)。燃料電池可以是理想的全固態(tài)機械結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)具有高可靠性和長壽命，由于沒有移動部件，意味著燃料電池非常安靜。正因為燃料電池具有以上優(yōu)點，所以它可作為汽車內(nèi)燃機的替代產(chǎn)品，也可應(yīng)用于小型集中供電或分散式供電系統(tǒng)中，是綠色環(huán)保能源，極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

根據(jù)電池所用電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、聚合物電解質(zhì)膜或質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池五類。其中質(zhì)子交換膜燃料電池可在低溫工作，并且具有較高的功率密度,所以在應(yīng)用上很有吸引力。

在燃料電池單一參數(shù)對性能影響的測試中，需要多次測量，目的是要減小其他因素對實驗結(jié)果的影響。專利(CN201210028345)給出的燃料電池堆控制系統(tǒng)中，各個參數(shù)在發(fā)生改變時沒有進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，這樣在改變其中某一參數(shù)時，其他參數(shù)也可能隨之發(fā)生變化，這樣會造成很大的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了全面高效測試質(zhì)子交換膜燃料電池的動態(tài)性能，在改變某單一變量(如壓力、濕度、溫度)的同時控制其他影響因素(主要是壓力、濕度、溫度)不變的情況下對燃料電池堆進(jìn)行一系列測量，進(jìn)而分析某單一參數(shù)改變對燃料電池性能的影響，進(jìn)而找出燃料電池性能最佳時的各個參數(shù)的取值。

本發(fā)明提供了一種燃料電池實驗臺反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要包括氫氣罐、電控開關(guān)閥一、過濾器一、電控減壓閥一、流量計一、壓力表一、濕度計一、溫度計一、電控開關(guān)閥二、電控開關(guān)閥三、加濕器一、壓力表二、濕度計二、溫度計二、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、氮氣瓶、電控開關(guān)閥四、手動排水閥一、廢水收集器一、過濾器二、去離子儲水罐一、質(zhì)子交換膜燃料電池、壓力表三、濕度計三、溫度計三、空氣瓶、電控開關(guān)閥五、過濾器三、電控減壓閥二、流量計二、壓力表四、濕度計四、溫度計四、電控開關(guān)閥六、電控開關(guān)閥七、加濕器二、手動排水閥二、廢水收集器二、過濾器四、去離子儲水罐二、背壓閥、儲水罐、手動排水閥三、廢水收集器三。

氫氣罐經(jīng)電控開關(guān)閥一連接過濾器一。

過濾器一依次經(jīng)過電控減壓閥一、流量計一、壓力表一、濕度計一、溫度計一，再分別經(jīng)過電控開關(guān)閥二、電控開關(guān)閥三連接至加濕器一。

質(zhì)子交換膜燃料電池的陽極依次經(jīng)過溫度計二、濕度計二、壓力表二連接在電控開關(guān)閥二和加濕器一之間。

質(zhì)子交換膜燃料電池與數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)之間依次串接有壓力表三、濕度計三和溫度計三。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)同時與溫度計二連接。

空氣瓶經(jīng)電控開關(guān)閥五連接過濾器三。

過濾器三依次經(jīng)過電控減壓閥二、流量計二、壓力表四、濕度計四、溫度計四，再分別經(jīng)過電控開關(guān)閥六、電控開關(guān)閥七連接至加濕器二。

質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極進(jìn)氣通道連接在電控開關(guān)閥六和加濕器二之間的管路上。

廢水收集器一經(jīng)手動排水閥一連接在加濕器一上。

去離子儲水罐一經(jīng)過濾器二連接在加濕器一上。

廢水收集器二經(jīng)手動排水閥二連接在加濕器二上。

去離子儲水罐二經(jīng)過濾器四連接在加濕器二上。

質(zhì)子交換膜燃料電池另依次經(jīng)過背壓閥、儲水罐、手動排水閥三與廢水收集器三連接。

本發(fā)明還提供了前述一種燃料電池實驗臺反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作方法：

改變氣體壓力、濕度或溫度中的某一變量，保持其他變量不變；

氣體通過測量及控制裝置后，經(jīng)濕度測量及控制裝置控制濕度，再由溫度測量及控制裝置控制進(jìn)氣溫度；

氣體進(jìn)入燃料電池充分反應(yīng)排出后，對水氣進(jìn)行分離處理，再對氣體各個參數(shù)進(jìn)行測量；

最后在數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)進(jìn)行匯總分析。

本發(fā)明對燃料電池進(jìn)氣氣體的某單一參數(shù)進(jìn)行改變，同時保持其余參數(shù)不變的情況下對燃料電池性能多次進(jìn)行測試，從而得出被測燃料電池堆的最優(yōu)工作參數(shù)。

通過本發(fā)明的燃料電池實驗臺反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其工作方法，可以進(jìn)行燃料電池的單一參數(shù)變化測試，安全穩(wěn)定地測得燃料電池在改變某單一變量的情況下的性能參數(shù)，借以更全面了解被測燃料電池的性能。并且此測試反應(yīng)后只生成水，不含有任何污染物，實現(xiàn)了污染物零排放。

附圖說明

圖1是本發(fā)明燃料電池實驗臺反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總體方案流程圖，

圖中：1-氫氣罐，2-電控開關(guān)閥一，3-過濾器一，4-電控減壓閥一，5-流量計一，6-壓力表一，7-濕度計一，8-溫度計一，9-電控開關(guān)閥二，10-電控開關(guān)閥三，11-加濕器一，12-壓力表二，13-濕度計二，14-溫度計二，15-數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，16-氮氣瓶，17-電控開關(guān)閥四，18-手動排水閥一，19-廢水收集器一，20-過濾器二，21-去離子儲水罐一，22-質(zhì)子交換膜燃料電池，23-壓力表三，24-濕度計三，25-溫度計三，26-空氣瓶，27-電控開關(guān)閥五，28-過濾器三，29-電控減壓閥二，30-流量計二，31-壓力表四，32-濕度計四，33-溫度計四，34-電控開關(guān)閥六，35-電控開關(guān)閥七，36-加濕器二，37-手動排水閥二，38-廢水收集器二，39-過濾器四，40-去離子儲水罐二，41-背壓閥，42-儲水罐，43-手動排水閥三，44-廢水收集器三。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明的一種燃料電池實驗臺反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要包括氫氣罐1、電控開關(guān)閥一2、過濾器一3、電控減壓閥一4、流量計一5、壓力表一6、濕度計一7、溫度計一8、電控開關(guān)閥二9、電控開關(guān)閥三10、加濕器一11、壓力表二12、濕度計二13、溫度計二14、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)15、氮氣瓶16、電控開關(guān)閥四17、手動排水閥一18、廢水收集器一19、過濾器二20、去離子儲水罐一21、質(zhì)子交換膜燃料電池22、壓力表三23、濕度計三24、溫度計三25、空氣瓶26、電控開關(guān)閥五27、過濾器三28、電控減壓閥二29、流量計二30、壓力表四31、濕度計四32、溫度計四33、電控開關(guān)閥六34、電控開關(guān)閥七35、加濕器二36、手動排水閥二37、廢水收集器二38、過濾器四39、去離子儲水罐二40、背壓閥41、儲水罐42、手動排水閥三43、廢水收集器三44。

上述各部件之間的具體連接關(guān)系描述如下。

本發(fā)明的氫氣罐1經(jīng)電控開關(guān)閥一2連接過濾器一3。

過濾器一3依次經(jīng)過電控減壓閥一4、流量計一5、壓力表一6、濕度計一7、溫度計一8，再分別經(jīng)過電控開關(guān)閥二9、電控開關(guān)閥三10連接至加濕器一11。其中電控開關(guān)閥二9控制氫氣進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池22陽極的不加濕通路，電控開關(guān)閥三10控制氫氣進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池22陽極的加濕通路。

廢水收集器一19經(jīng)手動排水閥一18連接在加濕器一11上。

去離子儲水罐一21經(jīng)過濾器二20連接在加濕器一11上。

質(zhì)子交換膜燃料電池22的陽極依次經(jīng)過溫度計二14、濕度計二13、壓力表二12連接在電控開關(guān)閥二9和加濕器一11之間。

質(zhì)子交換膜燃料電池22與數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)15之間依次串接有壓力表三23、濕度計三24和溫度計三25。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)15同時與溫度計二14連接。

本發(fā)明的空氣瓶26經(jīng)電控開關(guān)閥五27連接過濾器三28。

過濾器三28依次經(jīng)過電控減壓閥二29、流量計二30、壓力表四31、濕度計四32、溫度計四33，再分別經(jīng)過電控開關(guān)閥六34、電控開關(guān)閥七35連接至加濕器二36。其中電控開關(guān)閥六34控制空氣進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池22陰極的不加濕通路，電控開關(guān)閥七35控制空氣進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池22陰極的加濕通路。

廢水收集器二38經(jīng)手動排水閥二37連接在加濕器二36上。

去離子儲水罐二40經(jīng)過濾器四39連接在加濕器二36上。

質(zhì)子交換膜燃料電池22的陰極進(jìn)氣通道連接在電控開關(guān)閥六34和加濕器二36之間的管路上。

質(zhì)子交換膜燃料電池22另依次經(jīng)過背壓閥41、儲水罐42、手動排水閥三43與廢水收集器三44連接。

本發(fā)明燃料電池參數(shù)控制系統(tǒng)的工作原理描述如下：

氫氣罐1內(nèi)的氫氣首先經(jīng)電控開關(guān)閥一2進(jìn)入過濾器一3，去除氫氣中的雜質(zhì)和水汽后，經(jīng)過電控減壓閥一4由電控開關(guān)閥二9和電控開關(guān)閥三10分為兩路，一路送入加濕器一11，一路進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池22的陽極。其中，在進(jìn)入加濕器一11之前的管路上依次設(shè)置流量計一5、壓力表一6、濕度計一7、溫度計一8，對氫氣的各項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。在進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池22陽極之前的管路上依次設(shè)置壓力表二12、濕度計二13、溫度計二14對氫氣的壓力、濕度、溫度進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果送至數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)15。

同理，空氣瓶26內(nèi)的空氣首先經(jīng)電控開關(guān)閥五27進(jìn)入過濾器二28，去除空氣中的雜質(zhì)和水汽后，經(jīng)過電控減壓閥二29由電控開關(guān)閥六34和電控開關(guān)閥七35分為兩路，一路送入加濕器二36，一路進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池22的陰極。其中，在進(jìn)入加濕器二36之前的管路上依次設(shè)置流量計二30、壓力表四31、濕度計四32、溫度計四33，對空氣的各項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

質(zhì)子交換膜燃料電池22的反應(yīng)區(qū)設(shè)置壓力表三23、濕度計三24、溫度計三25，對質(zhì)子交換膜燃料電池22內(nèi)氣體壓力、濕度、溫度進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果送至數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)15。

數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)15根據(jù)陽極氫氣各項參數(shù)以及反應(yīng)區(qū)氣體各項參數(shù)，對質(zhì)子交換膜燃料電池22的工作狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。如燃料電池內(nèi)積水過多，則反應(yīng)區(qū)濕度計三24檢測值過高，數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)15指令電控開關(guān)閥三10關(guān)閉，停止對氫氣加濕，并控制電控開關(guān)閥一2相應(yīng)減小氫氣進(jìn)氣量。如果反應(yīng)區(qū)溫度計25檢測到燃料電池內(nèi)溫度過高，則數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)15指令電控開關(guān)閥三10相應(yīng)增加開度，增大氫氣濕度，同時控制電控開關(guān)閥一2相應(yīng)減小氫氣進(jìn)氣量。

此外，如圖1所示，本發(fā)明中加濕器一、二上分別連接有補水(過濾器和去離子儲水罐)和排水裝置(手動排水閥和廢水收集器)，能夠?qū)訚衿鞴ぷ鳁l件進(jìn)行調(diào)節(jié)。

背壓閥41、儲水罐42、手動排水閥三43與廢水收集器三44組成的排水系統(tǒng)，能夠?qū)|(zhì)子交換膜燃料電池22工作生成的水進(jìn)行自動排放、收集。

本發(fā)明通過燃料電池自身熱量對進(jìn)氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，比如將進(jìn)氣管路的一段或一分支設(shè)置在燃料電池殼體內(nèi)。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，該技術(shù)容易實現(xiàn)，在此不做贅述。

基于上面介紹的一種燃料電池實驗臺反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本發(fā)明提出了一種燃料電池測試方法：

改變氣體(氫氣或空氣)壓力、濕度或溫度中的某一變量，保持其他變量不變，反應(yīng)氣體進(jìn)入燃料電池(氫氣從電堆陽極進(jìn)入，空氣從電堆陰極進(jìn)入)，氣體通過各自的測量及控制裝置(包括過濾器、減壓閥、流量計、壓力表、濕度計和溫度計等一系列測量及控制裝置)后，經(jīng)濕度測量及控制裝置(包括加濕通路、不加濕通路、加濕器)控制濕度，再由溫度測量及控制裝置(包括溫度計)控制進(jìn)氣溫度，氣體進(jìn)入燃料電池充分反應(yīng)排出后，對水氣進(jìn)行分離處理，再對氣體各個參數(shù)進(jìn)行測量，最后在數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)進(jìn)行匯總分析。

本發(fā)明的測試方法在改變氣體的單一變量時，采用了反饋系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使溫度、濕度、壓力以及其他參數(shù)在整個實驗臺反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作時達(dá)到穩(wěn)定，并通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和后續(xù)處理。

本發(fā)明測試的燃料電池可以作為用于車載電源、家庭備用電源等。也可以用于交通工具上，如：汽車、火車、飛機、船舶、潛艇等。同時，也可應(yīng)用在個人家庭、建筑或社區(qū)規(guī)模的分布式發(fā)電。

本發(fā)明不限于以上對實施例的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明揭示的內(nèi)容，在本發(fā)明基礎(chǔ)上不必經(jīng)過創(chuàng)造性勞動所進(jìn)行的改進(jìn)和修改，都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。