燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验装置

摘要

本发明燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验装置属于燃料电池测试系统领域，涉及燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验装置。试验装置由箱体部件、热载荷部件和机械载荷部件组成，热载荷部件由低温介质、高温介质、试样环境换热管、低温换热管、高温换热管、电磁阀、三通管接头、环境管路液泵、环境管路储罐、温度传感器、温度变送器组成。机械载荷部件由燃料储罐、氧化剂储罐、燃料泵、氧化剂泵、燃料换热管、氧化剂换热管、阴极入口管、阳极入口管、阴极出口管、阳极出口管、氧化剂回收罐、燃料回收罐组成。本装置具有试验效率高、操作简便、安全可靠，实用性强的特点，且实现了对燃料电池性能劣化过程中热载荷与机械载荷的加速模拟。

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池测试系统领域，涉及燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验装置,特别是适用于在设定条件下，对燃料电池施加热载荷与温度载荷的加速循环疲劳试验的试验装置。

背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，与传统电源相比具有高比能、高效率、易使用、低污染等优点，在移动电源等领域有广阔应用前景。燃料电池在周期性启停中，随着其内部化学反应的进行和停止，燃料电池内部温度的周期性变化会对其封装结构造成交变热载荷；同时，由于阳极燃料-反应生产气体及阴极氧化剂在反应区域流动时造成的沟道内压力降，会对燃料电池施加低频的机械载荷。因此，燃料电池热载荷的来源由反应物携带的热量和电池内部化学反应放热构成，机械载荷分别由阳极燃料-生成物气体和阴极气体在各自微流场内运输造成的压力降组成。燃料电池热载荷与机械载荷会改变电池封装结构的应力分布状态，从而造成电池内阻增大，电池性能趋于疲劳劣化。研究和评价燃料电池在热载荷与机械载荷作用下的疲劳劣化规律，对改进电池设计，提高电池性能及其可靠性具有重要意义。

目前，针对燃料电池疲劳测试装置的研究鲜见报道。现有燃料电池疲劳测试主要在恒温、恒载条件下对燃料电池特定部件的性能劣化过程进行长时间疲劳试验，测试效率低。如文献S.Cleghorn,D.Mayfield,et al.A polymer electrolyte fuel cell life test:3years ofcontinuous operation.J.Power Sources,2005（158）：446–454.采用恒定工况下的连续测试方法对燃料电池膜电极疲劳寿命进行跟踪测试和评价，前后耗时三年完成全部试验，效率低，且对燃料电池的性能影响因素不能独立进行评价。发明专利200910011046.2“一种加热与制冷流动液体的装置”发明人刘冲,梁军生等公开了一种加热与制冷流动液体的装置，可应用于燃料电池阳极燃料的加热，即只能对燃料电池阳极流场施加复合的热载荷与机械载荷，不能真实模拟燃料电池疲劳失效过程；且不能分别控制热载荷与机械载荷的试验参数，不利于分析各个载荷对燃料电池的性能影响规律；温度控制的采样点是加热块出口处管路的流体，不能控制燃料电池本体的温度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术缺陷，发明了一种可对燃料电池阳极流场和阴极流场同时施加热载荷与机械载荷的装置，且通过热载荷部件与机械载荷部件的设计，满足设定参数条件下燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验的要求，具有试验效率高、操作简便、实用性强的优点，可快速完成规定循环周次的燃料电池热载荷与机械载荷加速循环疲劳试验。

本发明采取的技术方案是：一种燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验装置，其特征在于，试验装置由箱体部件、热载荷部件和机械载荷部件组成，其中，箱体部件由试验箱1、低温箱4、高温箱15、试验箱盖28、低温箱盖29、高温箱盖30组成；热载荷部件由低温介质5、高温介质16、试样环境换热管2、低温换热管6、高温换热管7、电磁阀8、三通管接头3、环境管路液泵9、环境管路储罐10、温度传感器22、温度变送器23组成，机械载荷部件由燃料储罐11、氧化剂储罐12、燃料泵13、氧化剂泵14、燃料换热管18、氧化剂换热管17、阴极入口管19、阳极入口管20、阴极出口管24、阳极出口管27、氧化剂回收罐25、燃料回收罐27组成。

箱体部件中的低温箱4放置在高温箱15正前面，低温箱4和高温箱15的正左面放置试验箱1，试验箱盖28是试验箱1的上端盖，低温箱盖29是低温箱4的上端盖，高温箱盖30是高温箱15的上端盖。

热载荷部件中的试样环境换热管2安装在试验箱1的内部，试样环境换热管2的一个接口与环境管路储罐10的入口相连，试样环境换热管2的另一个接口与三通管接头3的一个接口连接，低温箱4中盛有低温介质5，低温换热管6浸没在低温介质5中，低温换热管6的一个接口与电磁阀8的一个出口连接，低温换热管6的另一个接口与三通管接头3的另一个接口连接，高温箱15中盛有高温介质16，高温换热管7浸没在高温介质16中，高温换热管7的一个接口与电磁阀8的另一个出口连接，高温换热管7的另一个接口与三通管接头3剩余的一个接口连接，环境管路储罐10的出口与环境管路液泵9的入口连接，环境管路液泵9的出口与电磁阀8的入口连接。

机械载荷部件中的燃料换热管18和氧化剂换热管17浸没在高温介质19中，燃料换热管18的一个接口与阳极入口管20的一个接口连接，燃料换热管18的另一个接口与燃料泵13的出口连接，燃料泵13的入口与燃料储罐11连接，阳极出口管27和燃料回收罐26连接；氧化剂换热管17的一个接口与阴极入口管19连接，氧化剂换热管17的另一个接口与氧化剂泵14的出口连接，氧化剂泵14的入口与氧化剂储罐12连接，阴极出口管24和氧化剂回收罐25连接。

本发明的显著效果是燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验装置结构简单、便于操作、安全可靠，实现了对燃料电池性能劣化过程中热载荷与机械载荷的加速模拟。可根据试验条件灵活设置热载荷与机械载荷交变曲线，在短时间内完成燃料电池热载荷与机械载荷的复合加速疲劳试验，大大提高实验效率，降低实验成本。

附图说明

图1是燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验装置的俯视示意图，图2是图1中箱体部件的主视图，图3是图2中箱体部件的俯视图，图4是图1中试样环境换热管的主视图，图5是图1中试样环境换热管的左视图。其中：1-试验箱，2-试样环境换热管，3-三通管接头，4-低温箱，5-低温介质，6-低温换热管，7-高温换热管，8-电磁阀，9-环境管路液泵，10-环境管路储罐，11-燃料储罐，12-氧化剂储罐，13-燃料泵，14-氧化剂泵，15-高温箱，16-高温介质，17-氧化剂换热管，18-燃料换热管，19-阴极入口管，20-阳极入口管，21-试样区，22温度传感器，23-温度变送器，24-阴极出口管，25-氧化剂回收罐，26-燃料回收罐，27-阳极出口管，28-试验箱盖，29-低温箱盖，30-高温箱盖，试验箱盖31、低温箱盖32、高温箱盖33。

图6是温度标准曲线，图7是温度试验曲线，其中：横坐标的单位为t/min，纵坐标的单位是T/℃；图8是阴极氧化剂流量的设置曲线，图9是阴极氧化剂流量的试验响应曲线，其中：横坐标的单位为t/s，纵坐标的单位是L/min；图10是阳极燃料流量的设置曲线，图11是阳极燃料流量的试验响应曲线，其中：横坐标的单位为t/min，纵坐标的单位是ml/h^-1。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。如附图1、2、3、4、5所示，该发明燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验装置，由包箱体部件、热载荷部件和机械载荷部件组成；箱体部件中的试验箱提供试样的试验环境，其中试样放置于式样区；热载荷部件对试样快速加载周期性热载荷，其中环境管路储罐内放入冰点小于0℃的盐水作为循环的液体，环境管路液泵抽取环境管路储罐中的循环液体，循环液体再经电磁阀的至低温换热管或高温换热管，流经三通管接头至试样环境换热管，最后再流回环境管路储罐，至此形成一个液体回路；试样环境换热管内的循环液体与试验箱内空气进行热交换，温度传感器和温度变送器实时采集试验箱内温度，再控制环境管路液泵的流量到达试验箱内所需的温度；机械载荷部件对燃料电池试样阳极流场和阴极流场快速加载一定的机械载荷，其中燃料储罐内放入去离子水，由燃料泵抽取去离子水，经差压变送器送至燃料换热管，再经阳极入口管送至燃料电池试样的阳极流场，构成对燃料电池试样阳极的机械载荷，最后经阳极出口管流至燃料回收罐；氧化剂储罐放入净化空气，由氧化剂泵抽取净化空气，经氧化剂换热管至阴极入口管，再至燃料电池试样的阴极流场，构成对燃料电池试样阴极的机械载荷，最后经阴极出口管流至氧化剂回收罐。

实例1是采用一个微型直接甲醇燃料电池试样进行热载荷与机械载荷加速疲劳试验。根据上述实施方式，如附图1、2、3、4、5所示，将燃料电池试样放置于试样环境管路中的试样区，将燃料电池试样的阳极入口与阳极入口管连接，燃料电池试样的阴极入口与阴极入口管连接，燃料电池试样的阳极出口与阳极出口管连接，燃料电池试样的阴极出口与阴极出口管连接；设置如附图6、8、10所示的标准试验参数曲线，启动对热载荷部件和机械载荷部件的控制，即可开始燃料电池试样热载荷与机械载荷复合加速疲劳试验；如附图7是温度试验曲线，得到温度控制精度≤±1℃，温变速率≥5℃/min；附图9是阴极氧化剂流量的试验响应曲线，得到阴极氧化剂流量的控制精度为±0.1L/min；附图11是阳极燃料流量的试验响应曲线，得阳极燃料流量的控制精度微±0.1ml/h。

本发明的燃料电池热载荷与机械载荷加速疲劳试验装置，实现了在设定实验条件下，进行燃料电池热载荷与温度载荷复合加速循环疲劳试验。本发明对燃料电池阳极流场和阴极流场同时施加热载荷与机械载荷，具有试验效率高、操作简便、实用性强的特点，可快速完成规定循环周次的燃料电池热载荷与机械载荷复合加速疲劳试验，为研究燃料电池性能与各个影响因素之间的关系提供了可行性方法，并为寿命估测提供加速试验平台，提高燃料电池工作寿命预测及衰变性能评估的可操作性。