质子交换膜燃料电池安全性能测试方法及装置

摘要

本发明涉及质子交换膜燃料电池测试方法及装置，燃料电池供气系统包括氢气管路和氧气管路；电气监控系统包括一组智能数字控制仪表、压力变送器、电磁阀和热电阻；智能数字显示控制仪可分别设置成温度控制仪TM1、TM2、TM3和压力控制仪PM1、PM2；对燃料电池进气口氢气温度、压力，氧气口温度、压力，电池的温度，输出电流，电压的输等关键参数的进行设置和改变，以观察质子交换膜燃料电池是否会发生破裂，漏气等；使质子交换膜燃料电池安全性能测试过程获得安全测试条件，提供一种操作简单、安全可靠、实用检测实验装置，对质子交换膜燃料电池的安全性能做出科学和正确评价，保障质子交换膜燃料电池的生产和使用安全。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池测试技术，特别涉及质子交换膜燃料电池测试方法及装置。

背景技术

目前，处于高度发展中的燃料电池体系包括碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。在这些燃料电池体系中，质子交换膜燃料电池具有最低的工作温度，其工作温度低于100℃，属于低温燃料电池。同时，还因为具有以下优点而成为电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源、各种可移动电源和小型便携式电源的最佳候选者： 

燃料电池（Fuel cell）是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。其进料是极易燃烧甚至会爆炸的氢气或其它易燃气体。燃料电池作为清洁、高效、可再生的能源，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美，是解决资源匮乏和污染恶化这两大问题最重要的途径。各国政府以及各大公司相继投入大量人力和物力进行研究，已经取得了令人瞩目的突破。燃料电池将在世界能源构成中发挥越来越重要的作用，国际电气委员会（IEC）针对燃料电池模块安全和性能发布一系列标准，包括： “IEC 62282-2:燃料电池技术—第2部分：燃料电池模块， IEC 62282-3-2 2006 固定式燃料电池动力装置 性能试验方法”、“IEC 62282-6-1 2006微燃料电池电源系统 安全性”、“IEC 62282-3-1 2007 固定式燃料电池动力装置 安全性”、“IEC 62282-5-1 2007便携式燃料电池动力系统 安全性”。

2003年我国科技部提出对“质子交换膜燃料电池关键技术标准研究”项目给予重要技术标准研究专项支持。计划用三年时间，建立我国质子交换膜燃料电池标准体系，制定质子交换膜燃料电池术语标准、电池组和系统标准、便携式质子交换膜燃料电池标准并研究相应的检测技术。然而，我国与发达国家相比，研究工作还需进一步完善，尤其是针对各种燃料电池的安全方面，标准不够系统，缺乏对燃料电池检测的相关技术，不利于国家对燃料电池提供有效的监管。  

目前，我国对燃料电池技术的研究，主要侧重于性能方面的研究，主要考虑通过质子膜的改进，如何提高能量转换比，对于安全性能的研究，虽然已经有IEC 62282-6-1 2006微燃料电池电源系统 安全性”、“IEC 62282-3-1 2007 固定式燃料电池动力装置 安全性”、“IEC 62282-5-1 2007便携式燃料电池动力系统 安全性” 等检测标准。但是，在燃料电池行业还没有生产出针对于燃料电池安全性能检测的、标准的检测仪器，因此不能对燃料电池的安全性能做出科学和正确评价，这种情况不利于保障燃料电池的生产和使用安全，燃料电池的商品化将成为必然趋势，迫切需要建立起与之相适应的检测实验室和生产用于检测实验室的燃料电池检测仪器，以便实现对进出口燃料电池进行有效检验和监管，以保证我国燃料电池行业的正常、持续发展。

发明内容

本发明的目的就是为针对现有技术的不足，提供燃料电池安全性能测试技术的解决方案，通过设计一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)安全性能测试方法及装置，实现对质子交换膜燃料电池进气口氢气温度、压力，氧气口温度、压力，电池的温度，输出电流、电压等关键参数进行测试，通过对测试条件的进行设置和改变，以观察质子交换膜燃料电池是否会发生破裂，漏气等，对质子交换膜燃料电池的安全性能进行检测；

本发明是通过这样的技术方案实现的：质子交换膜燃料电池安全性能测试方法，其特征在于包括如下步骤： 

（1）为质子交换膜燃料电池(PEMFC)安全性能测试提供合适的安全测试条件，所述安全测试条件包括被测质子交换膜燃料电池工作温度和燃料气体温度；燃料气体包括氢气和氧气；

（2）单体质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电压时间曲线测试时，其安全测试条件选择： PO₂ =0.30MPa， PH₂=0.28MPa，TO₂ =75℃， TH₂=85℃，Tcell =70℃；

其中：PO₂为氧气背压压力， PH₂ 为氢气背压压力；TO₂为氧气温度，TH₂为氢气温度；

Tcell为质子交换膜燃料电池工作温度；

（3）单体质子交换膜燃料电池(PEMFC)的功率密度曲线测试时，其安全测试条件选择：PO₂ =0.30MPa, PH₂=0.28MPa，   

T O₂= 75℃, TH₂=85℃, Tcell=70℃；

其中：PO₂为氧气背压压力， PH₂ 为氢气背压压力；TO₂为氧气温度，TH₂为氢气温度；

Tcell为质子交换膜燃料电池工作温度；

（4）用智能数字控制仪表的热电阻输入端子连接的热电阻，通过热电阻采集被测PEMFC工作温度；通过智能数字控制仪表报警点AL控制加热器来保持质子交换膜燃料电池工作温度；  

（5）通过热电阻采集质子交换膜燃料电池氢气进口处的氢气温度；通过智能数字控制仪表报警点AL控制氢气加热器来保持氢气温度；氢气加热器被置于氢气加湿罐中，从氢气加湿罐输出的氢气通过管道直接输送到质子交换膜燃料电池氢气进口；氢气加热温度控制范围：15℃—90℃；

（6） 通过热电阻采集质子交换膜燃料电池氧气进口处的氧气温度；通过智能数字控制仪表报警点AL控制氧气加热器来保持氧气温度；氧气加热器被置于氧气加湿罐中，从氧气加湿罐输出的氧气通过管道直接输送到质子交换膜燃料电池氧气进口；氧气加热温度控制范围为15℃—90℃；

（7）用智能数字控制仪表的电流信号输入端连接安装在燃料气体气路中压力变送器接线端，通过采集压力变送器反馈的4～20mA电流信号检测燃料气体的背压压力；背压压力控制范围：0—50 PSIG；通过智能数字控制仪表报警点AL控制安装于燃料气体气路中的电磁阀 ，当背压压力超过50 PSIG时，令电磁阀关闭，切断燃料气体气路。

一种质子交换膜燃料电池测试装置，由质子交换膜燃料电池供气系统、增湿系统、冷却系统、电气监控系统和测试软件构成，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池供气系统包括氢气管路和氧气管路；

氢气从气源管路连接增湿系统的氢气加湿罐进气口，氢气加湿罐出气口处安装有一个气体稳压阀，气体稳压阀接入氢气管路，氢气经加温和增湿过程后从氢气加湿罐输出，通过缠绕保温材料的氢气管路输送到质子交换膜燃料电池氢气进口；氢气加湿罐至质子交换膜燃料电池氢气进口之间的氢气管路中安装一个三通管件，并在三通管件上安装一个压力变送器；三通管件之后的氢气管路上还分别串接一个电磁阀和流量控制器；

氧气从气源管路连接增湿系统的氧气加湿罐进气口，氧气加湿罐出气口处安装有一个气体稳压阀，气体稳压阀接入氧气管路，氧气经加温和增湿过程后从氧气加湿罐输出，通过缠绕保温材料的氧气管路输送到质子交换膜燃料电池氧气进口；氧气加湿罐至质子交换膜燃料电池氧气进口之间的氧气管路中安装一个三通管件，并在三通管件上安装一个压力变送器；三通管件之后的氧气管路上还分别串接一个电磁阀和流量控制器；流量控制器采用玻璃转子流量计。

所述电气监控系统包括一组智能数字控制仪表、压力变送器、电磁阀和热电阻； 

所述智能数字显示控制仪可分别设置成温度控制仪TM1、TM2、TM3和压力控制仪PM1、PM2；

所述温度控制仪TM1、TM2、TM3的热电阻输入端子分别连接的热电阻PT100；

与温度控制仪TM2连接的热电阻PT100安装在被测质子交换膜燃料电池表面区域，通过热电阻PT100采集质子交换膜燃料电池工作温度；温度控制仪TM2报警点AL与质子交换膜燃料电池加热器的电源串接；控制质子交换膜燃料电池加热器电源的通断；

与温度控制仪TM1连接的热电阻PT100安装于质子交换膜燃料电池氢气进气口处；通过热电阻2采集氢气温度；温度控制仪TM1的报警点AL与氢气加热器电源串接，控制氢气加热器电源的通断； 氢气加热器置于氢气加湿罐中；

  与温度控制仪TM3连接的热电阻PT100安装在质子交换膜燃料电池氧气进气口处；通过热电阻PT100采集氧气温度；温度控制仪TM3的报警点AL与氧气加热器电源串接，控制氧气加热器电源的通断；氧气加热器置于氧气加湿罐中； 

压力控制仪PM1的电流信号输入端通过电缆连接的压力变送器P1接线端；压力变送器P1的压力传感器部分通过三通管件安装在氢气管路上；通过采集压力变送器反馈的4～20mA电流信号检测氢气背压压力；

压力控制仪PM2的电流信号输入端通过电缆连接的压力变送器P2接线端；压力变送器P2的压力传感器部分通过三通管件安装在氧气管路上；通过采集压力变送器反馈的4～20mA电流信号检测氧气背压压力；

所述氢气管路和氧气管路上分别安装电磁阀，由电磁阀控制燃料气体进入燃料电池的通路，电磁阀的正、反转接线端的分别连接中间继电器的常闭和常开触点的一端，中间继电器的常闭和常开触点的另一端连接到电源L端，电磁阀的中线接电源N 端 ，由中间继电器控制电磁阀的正、反转切换；中间继电器未通电时，电磁阀处于开启状态；中间继电器通电吸合时，电磁阀处于关闭状态；

压力控制仪PM1和压力控制仪PM2的报警点AL分别串联一个中间继电器的线圈并与电源构成回路； 设定AL气体压力信号上限报警值，当达到上限报警时，中间继电器吸合，电磁阀关闭，切断燃料气体气路。

本发明通过上述方法及装置对燃料电池进气口氢气温度、压力，氧气口温度、压力，电池的温度，输出电流，电压的输等关键参数的进行设置和改变，以观察质子交换膜燃料电池是否会发生破裂，漏气等，对质子交换膜燃料电池的安全性能进行检测；根据上述方法，使质子交换膜燃料电池安全性能测试过程获得安全测试条件，提供一种操作简单、安全可靠、实用检测实验装置，可对质子交换膜燃料电池的安全性能做出科学和正确评价，保障质子交换膜燃料电池的生产和使用安全，以便实现对进出口质子交换膜燃料电池进行有效检验和监管，以保证我国质子交换膜燃料电池行业的正常、持续发展。

附图说明

图1、质子交换膜燃料电池安全性能测试装置框图；

图2、电路原理图；

图3、仪表布局图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：

如图1、图2和图3所示，为了保证质子交换膜燃料电池正常运行，反应过程的工作条件必须始终保持在比较理想状态，包括运行时的电池温度、燃料气体的压力、温度，气体的流量等。

质子交换膜燃料电池运行环境温度是影响电池放电性能的最重要参数之一。在一定范围内，提高电池运行环境温度，电池放电性能也会随之增加；

反应气体的压力和流量对质子交换膜燃料电池的放电性能也有影响。特别是氧气压力和流量的变化对质子交换膜燃料电池放电性能的影响更为强烈；

试验结果还表明:气体增湿温度发生变化，质子交换膜燃料电池的放电性能也会受到影响。特别是气体增湿温度高于质子交换膜燃料电池的环境运行温度后； 

本实施例的质子交换膜燃料电池安全性能测试装置主要由以下几部分组成：供气系统、增湿系统、冷却系统、电气监控系统和测试软件。

质子交换膜燃料电池安全性能测试装置采用电气控制柜作为测试装置外壳，供气系统、增湿系统、冷却系统、电气监控系统的元件均安装在电气控制柜中，其中供气系统用于精确提供电堆运行反应所需要的气体。主要部件包括：流量控制器、气体稳压阀、分水器、氢气管路、氧气管路、管路阀件、管路接头和气体加湿罐。

电磁阀分别安装在氢气管路和氧气管路上，流量控制器采用玻璃转子流量计；分别连接到在氢气管路和氧气管路上；气体加湿罐分为氢气加湿罐和氧气加湿罐 ，分别在氢气加湿罐和氧气加湿罐的罐口处安装一个气体稳压阀，经气体稳压阀接入氢气管路和氧气管路；增湿系统用于独立对电堆反应气体进行增湿，保证燃料电池稳定运行；主要部件为增湿水罐和控制系统。

冷却系统用于控制电堆的运行温度，保证燃料电池稳定运行。冷却系统可采用风冷和水冷，可以根据电堆具体的工作要求设计和配置。

电气监控系统一组智能数字控制仪表、压力变送器、电磁阀和热电阻；

智能数字控制仪表安装在测试装置外壳前面板开孔内，仪表接线端子部分置于外壳柜体内部，智能数字控制仪表用于气体压力控制时，AL1用来设定上限报警值，AH1用来设定上限报警回差值。当上限报警时，切断电磁阀。

智能数字控制仪表用于燃料电池温度控制时，温度仪表的AL2和AH2共同设定工作温度区间。

例如：在不考虑热惯性的前提下，AL2设定为40℃，AH2设定为10℃，则工作区间设定为40℃~50℃。当温度低于40℃时继电器闭合加热罐开始加热；当温度上升高于50℃（AL2+AH2）时继电器断开停止加热；温度再次降低到40℃时继电器再次闭合开始加热。

智能数字控制仪表通讯接口采用RS232转RS485模块。带有232串口的PC可以直接将转换器与232串口COM1连接，并设置好串口参数。波特率：9600 数据位：8 校验位：无 停止位：1；没有232串口的PC需要首先安装PCI串行卡及相应驱动程序，并设置好通讯口参数（同上）。程序默认通讯口为COM1，请将所用通讯口设置为COM1。

   计算机操作系统安装：

（1）安装Microsoft visual basic 6.0。

（2）先安装串口卡驱动程序，打开“串口卡驱动程序”，点击PCISETUP，在“select PCI card ”选择“2串口”，接着点击“INSTALL”。

（3）右击“我的电脑”—“属性”—“硬件”—“设备管理器”—“端口（COM和LPT）”,将PCI_COM端口均设置为COM1。

（4）根据电脑的分辨率将对应的“燃料电池测试系统”文件夹和“燃料电池测试数据表”均复制到桌面上

（5）软件调用Access数据库保存数据，因此必须安装Microsoft office Access。用于对电堆的运行参数进行采集和控制。既可以通过数据采集系统和操作软件进行设定和控制；也可以直接用智能数字控制仪表。

测试实例：

性能参数

电子负载系统

通道数：1

最大连续功率（W）：0～150W

最大放电电压（V）：0～60V

电压控制（测量范围）：0.15V～60V

电压控制精度：±（0.1%×设定值+ 0.05% 量程）

电流控制（测量范围）：0.008～3A，3A～30A

电流控制精度：±（0.2%×设定值+ 0.1%×量程）

散热冷却方式：风冷散热

燃料气体控制系统：

通道数：2个（O₂或Air;  H₂）

流量控制测量范围：O₂或Air：0.2—1.0 SLM; H₂：0.1—1.0 SLM

流量控制精度：±1%FSR 

重复率： 最大流速的0.5%

气体温度控制测量范围：T —100℃

温度控制精度：<= ±1℃（采用PID控制）

背压压力控制范围：0—50 PSIG

背压压力通常是指运动流体在密闭容器中沿其路径（譬如管路或风通路）流动时，由于受到障碍物或急转弯道的阻碍而被施加的与运动方向相反的压力。

氮气管道吹洗：所有管道共用

加湿器系统：露点加湿器温度控制范围：15℃—90℃；

温度控制精度：±1℃，露点相对湿度可保持在0%~100%，露点温度根据燃料电池进口处气体温度设定。

测试控制软件用于数据采集及控制、独立的恒电流，电压，功率和负载输出控制、辅助设备的流量，压力，温度和数字输入/输出的控制。

测试控制软件用于与硬件匹配的安全报警及提示控制功能；所采集的数据方便储存和处理； 

测试控制软件用于安全报警及控制：包括氢气泄露超量、易燃紧急警报，提示排放反应剩余的工作气体。

 测试控制软件用于软件故障时系统硬件保护。