一种多功能质子交换膜燃料电池测试台架制造技术

本发明专利技术涉及一种多功能质子交换膜燃料电池测试台架，空气供应模块，用于燃料电池空气流量、压力控制；氢气供应模块，用于燃料电池氢气流量、压力控制；加湿模块，用于燃料电池进气加湿；热管理模块，用于加湿模块中的加湿罐温度控制和电池冷却液控制；电子负载模块，用于燃料电池放电；电化学阻抗模块，用于获取燃料电池电化学阻抗谱；分区测试模块，用于燃料电池电流密度和温度分布获取；集成控制模块，用于燃料电池台架控制、数据采集、分析处理、报警保护和无线通讯。本发明专利技术实施例除了具备基本供气、控温、电压监测等功能外，还具备电化学阻抗、电流密度和温度分布获取以及无线终端通讯控制的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能质子交换膜燃料电池测试台架
本专利技术属于燃料电池
，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池测试台架。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢能为载体将化学能转化为电能的发电装置，具有反应温度低、动态响应速度快、反应效率高、功率密度高等优点，在交通领域具有广泛的应用前景。但是，燃料电池
严重的卡脖子现象大大阻碍了成本的降低和产业化推广，为进一步促进燃料电池汽车产业化，需要实现关键材料和核心技术自主化。对燃料电池性能测试和表征是燃料电池开发中不可缺少的环节，常见的基本测试有极化曲线测试、动态工况测试，目前市面台架基本具备这两项测试功能。但是，为了充分了解燃料电池工作机制和衰退原理，需要进行更丰富的测试内容，比如：电化学阻抗谱测试，能够解析燃料电池内部不同电化学过程，从而可推断出燃料电池内部关键状态，如质子交换膜内水含量、多孔介质内部液态水含量、反应气体供给状态等，可用于燃料电池故障诊断；电流分区测试，能够解析燃料电池电流密度分布和温度分布，从而可推断出燃料电池供气分布以及反应效率。但是，目前市场上的产品不能实现上述功能，测试过程中经常出现电池电压降低，仅仅通过电压、电流、压力、流量等数据难以判断电池性能下降的原因；此外，台架采集的电压、电流、压力、流量等基本数据现在无法满足高校、科研机构的需求，因此急需一种集成上述功能的燃料电池测试台架。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多功能燃料电池测试台架。本专利技术实例涉及了一种多功能质子交换膜燃料电池测试台架，包括：空气供给模块，向被测试产品提供空气；氢气供给模块，向被测试产品提供氢气加湿模块，用于加湿空气和氢气；热管理模块，根据电池测试需求的湿度，对加湿模块的露点温度进行控制，满足测试需求的湿度；电子负载模块，用于恒定燃料电池的电流或恒功率加载自动控制，实现超温、欠压、超压、过流保护，实现独立散热；电化学阻抗模块，包括激励单元和计算单元，激励单元由电路元器件组成，用于产生交流激励电流，激励电流与负载电流进行叠加，共同施加到燃料电池中，计算单元根据采集的高频电流和电压数据，利用快速傅里叶变化或小波变化信号处理办法，实现不同频率下的阻抗计算，用于燃料电池膜干、水淹现象诊断；分区测试模块，包括印刷电路板、微型热电偶、灵敏电阻、数据采集线束，印刷电路板被分割成相互绝缘的若干分区，微型热电偶用于反推计算电池温度；集成控制模块，包括台架控制单元、数据采集单元、分析单元、警报单元和无线通讯单元。进一步的是，空气供给模块包括过滤器、空气质量流量控制单元、温度传感器、压力传感器、自动背压控制单元和电磁阀；空气质量流量控制单元实现对空气流量精确控制；压力传感器和温度传感器对燃料电池阴极侧的温度和压力实时监测；自动背压控制单元对电池阴极侧入口压力进行控制。进一步的是，氢气供给模块包括过滤器、氢气质量流量控制单元、温度传感器、压力传感器、自动背压控制单元和电磁阀；氢气质量流量控制单元实现对氢气流量精确控制；压力传感器和温度传感器对燃料电池阳极侧的温度和压力实时监测；自动背压控制单元对电池阳极侧入口压力进行控制。进一步的是，加湿模块包括加湿器、温度传感器、湿度传感器、保温棉、加热丝，加湿器由鼓泡加湿或喷淋加湿的加湿方式构成，温度传感器用于测量加湿器内加湿水的温度，保温棉和加热丝用于进气管路加热保温。进一步的是，热管理模块包括水泵、换热器、加热棒、温度传感器、压力传感器、电导率传感器、冷却液流量计、比例阀，热管理模块对加湿模块的露点温度进行控制，调节电池循环冷却液温度，满足测试所需温度；实时调节水泵转速，满足测试所需流量；实时调节比例阀开度，满足测试冷却液压力需求；实时监测冷却液电导率。进一步的是，PCB表面镀金用以减小接触电阻。进一步的是，集成控制模块包括台架控制单元、数据采集单元、分析单元、警报单元等、无线通讯模块；台架控制单元用于控制测试台架上各个执行器，包括控制电池入口压力、流量、温度、负载电流；数据采集单元采集台架中的压力、温度、湿度信号；采集电池的高频电压、电流数据，用于阻抗计算；采集分区测试模块上的电信号，用于电流密度和温度分布计算；分析单元用于分析采集的数据，画出测量的阻抗谱图，显示不同频率下的阻抗值、相角参数，在线拟合出电容、电阻等效电路元器件参数；画出电流密度和温度分布图，显示最低电流密度出现位点；警报单元用于实时监测台架测试过程中的安全问题；无线通讯模块用于与无线终端进行通讯。将测试台架内的关键数据传送至无线终端，将所需参数通过无线终端设备发送至测试台架。本专利技术实施例在台架上增加了电化学阻抗模块和分区测试模块，实现电化学阻抗谱测试和电流分区测试，能够解析燃料电池内部不同电化学过程，从而可推断出燃料电池内部关键状态，如质子交换膜内水含量、多孔介质内部液态水含量、反应气体供给状态等，可用于燃料电池故障诊断；能够解析燃料电池电流密度分布和温度分布，从而可推断出燃料电池供气分布以及反应效率，满足高校和科研机构的需求。附图说明图1为本专利技术测试台架的结构示意图图2为本专利技术实例中分区测试模块结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图所示，本专利技术实例涉及了一种多功能质子交换膜燃料电池测试台架，具体包括：空气供给模块、氢气供给模块、加湿模块、热管理模块、电子负载模块、电化学阻抗模块、分区测试模块、集成控制模块。空气供给模块，包括过滤器、高精度空气质量流量控制单元、温度传感器、压力传感器、自动背压控制单元、电磁阀。空气进入测试台架前需要经过过滤器，将空气中多余的物理、化学杂质进行过滤。空气质量流量控制单元主要由比例阀、流量传感器和控制器组成；控制器根据目标空气流量和实际测量流量，调节比例阀开度，以实现对流量精确控制。压力传感器和温度传感器对燃料电池阴极侧入口的温度和压力实时监控，防止进气温度和压力超过限定值，同时压力、温度传感器还对空气供给回路其他关键位点进行监测。自动背压控制单元根据电池空气入口实测压力和目标需求压力，对电池阴极出口处的比例阀开度进行调节，以实现对电池阴极侧入口压力进行控制。此外，空气供给模块还可实现干气、湿气、干湿气混合等多种不同的进气方式。氢气供给模块，包括过滤器、高精度氢气质量流量控制单元、温度传感器、压力传感器、自动背压控制单元、电磁阀。氢气进入测试台架前，同样需要经过过滤器，将氢气中多余的物理、化学杂质进行过滤。氢气质量流量控制单元主要由比例阀、流量传感器和控制器组成；控制器根据目标氢气流量和实际测量流量，调节比例阀开度，以实现对流量精确控制。压力传感器和温度传感器对燃料电池阳极侧入口的温度和压力实时监控，防止进气温度和压力超过限定值，同时压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能质子交换膜燃料电池测试台架，其特征在于，包括：/n空气供给模块，用于燃料电池空气流量、压力控制；/n氢气供给模块，用于燃料电池氢气流量、压力控制；/n加湿模块，用于燃料电池进气加湿；/n热管理模块，用于加湿模块中的加湿罐温度控制和电池冷却液控制；/n电子负载模块，用于燃料电池放电；/n电化学阻抗模块，包括激励单元和计算单元，激励单元由电路元器件组成，用于产生交流激励电流，激励电流与负载电流进行叠加，共同施加到燃料电池中，计算单元根据采集的高频电流和电压数据，利用快速傅里叶变化或小波变化信号处理办法，实现不同频率下的阻抗计算，用于燃料电池膜干、水淹现象诊断；/n分区测试模块，包括印刷电路板、微型热电偶、灵敏电阻、数据采集线束，印刷电路板被分割成相互绝缘的若干分区，微型热电偶用于反推计算电池温度；/n集成控制模块，用于燃料电池台架控制、数据采集、分析处理、报警保护和无线通讯。/n

【技术特征摘要】
1.一种多功能质子交换膜燃料电池测试台架，其特征在于，包括：
空气供给模块，用于燃料电池空气流量、压力控制；
氢气供给模块，用于燃料电池氢气流量、压力控制；
加湿模块，用于燃料电池进气加湿；
热管理模块，用于加湿模块中的加湿罐温度控制和电池冷却液控制；
电子负载模块，用于燃料电池放电；
电化学阻抗模块，包括激励单元和计算单元，激励单元由电路元器件组成，用于产生交流激励电流，激励电流与负载电流进行叠加，共同施加到燃料电池中，计算单元根据采集的高频电流和电压数据，利用快速傅里叶变化或小波变化信号处理办法，实现不同频率下的阻抗计算，用于燃料电池膜干、水淹现象诊断；
分区测试模块，包括印刷电路板、微型热电偶、灵敏电阻、数据采集线束，印刷电路板被分割成相互绝缘的若干分区，微型热电偶用于反推计算电池温度；
集成控制模块，用于燃料电池台架控制、数据采集、分析处理、报警保护和无线通讯。


2.如权利要求1所述的一种多功能质子交换膜燃料电池测试台架，其特征在于，空气供给模块包括过滤器、空气质量流量控制单元、温度传感器、压力传感器、自动背压控制单元和电磁阀；
空气质量流量控制单元实现对空气流量精确控制；压力传感器和温度传感器对燃料电池阴极侧的温度和压力实时监测；自动背压控制单元对电池阴极侧入口压力进行控制。


3.如权利要求1所述的一种多功能质子交换膜燃料电池测试台架，其特征在于，氢气供给模块包括过滤器、氢气质量流量控制单元、温度传感器、压力传感器、自动背压控制单元和电磁阀；
氢气质量流量控制单元实现对氢气流量精确控制；压力传感器和温度传感器对燃料电池阳极侧的温度和压力实时监测；自动背压控制单元对电池阳极侧入口压力进行控制。


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【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓松，袁浩，丁亚儒，李敏强，
申请(专利权)人：上海汉翱新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31