本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種燃料電池實驗臺反饋調節系統及其工作方法。

背景技術：

燃料電池是一種將燃料中的化學能直接轉化為直流電的電化學能量轉換器。燃料電池以氫氣和空氣為燃料，反應后生成水，無污染且可循環利用。它不經過熱機過程，因此不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高(40％-60％)。燃料電池可以是理想的全固態機械結構，該系統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點，所以它可作為汽車內燃機的替代產品，也可應用于小型集中供電或分散式供電系統中，是綠色環保能源，極具發展潛力和應用前景。

根據電池所用電解質的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、聚合物電解質膜或質子交換膜燃料電池、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,所以在應用上很有吸引力。

在燃料電池單一參數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果的影響。專利(CN201210028345)給出的燃料電池堆控制系統中，各個參數在發生改變時沒有進行反饋調節，這樣在改變其中某一參數時，其他參數也可能隨之發生變化，這樣會造成很大的誤差。

技術實現要素：

本發明的目的是為了全面高效測試質子交換膜燃料電池的動態性能，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行一系列測量，進而分析某單一參數改變對燃料電池性能的影響，進而找出燃料電池性能最佳時的各個參數的取值。

本發明提供了一種燃料電池實驗臺反饋調節系統，主要包括氫氣罐、電控開關閥一、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、電控開關閥二、電控開關閥三、加濕器一、壓力表二、濕度計二、溫度計二、數據采集及處理系統、氮氣瓶、電控開關閥四、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、電控開關閥六、電控開關閥七、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。

氫氣罐經電控開關閥一連接過濾器一。

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

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

質子交換膜燃料電池與數據采集及處理系統之間依次串接有壓力表三、濕度計三和溫度計三。數據采集及處理系統同時與溫度計二連接。

空氣瓶經電控開關閥五連接過濾器三。

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

質子交換膜燃料電池的陰極進氣通道連接在電控開關閥六和加濕器二之間的管路上。

廢水收集器一經手動排水閥一連接在加濕器一上。

去離子儲水罐一經過濾器二連接在加濕器一上。

廢水收集器二經手動排水閥二連接在加濕器二上。

去離子儲水罐二經過濾器四連接在加濕器二上。

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

本發明還提供了前述一種燃料電池實驗臺反饋調節系統的工作方法：

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氣溫度；

氣體進入燃料電池充分反應排出后，對水氣進行分離處理，再對氣體各個參數進行測量；

最后在數據采集及處理系統進行匯總分析。

本發明對燃料電池進氣氣體的某單一參數進行改變，同時保持其余參數不變的情況下對燃料電池性能多次進行測試，從而得出被測燃料電池堆的最優工作參數。

通過本發明的燃料電池實驗臺反饋調節系統及其工作方法，可以進行燃料電池的單一參數變化測試，安全穩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，借以更全面了解被測燃料電池的性能。并且此測試反應后只生成水，不含有任何污染物，實現了污染物零排放。

附圖說明

圖1是本發明燃料電池實驗臺反饋調節系統的總體方案流程圖，

圖中：1-氫氣罐，2-電控開關閥一，3-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-電控開關閥二，10-電控開關閥三，11-加濕器一，12-壓力表二，13-濕度計二，14-溫度計二，15-數據采集及處理系統，16-氮氣瓶，17-電控開關閥四，18-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-電控開關閥六，35-電控開關閥七，36-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

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：

本發明的一種燃料電池實驗臺反饋調節系統，主要包括氫氣罐1、電控開關閥一2、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、電控開關閥二9、電控開關閥三10、加濕器一11、壓力表二12、濕度計二13、溫度計二14、數據采集及處理系統15、氮氣瓶16、電控開關閥四17、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、電控開關閥六34、電控開關閥七35、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系描述如下。

本發明的氫氣罐1經電控開關閥一2連接過濾器一3。

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

廢水收集器一19經手動排水閥一18連接在加濕器一11上。

去離子儲水罐一21經過濾器二20連接在加濕器一11上。

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

質子交換膜燃料電池22與數據采集及處理系統15之間依次串接有壓力表三23、濕度計三24和溫度計三25。數據采集及處理系統15同時與溫度計二14連接。

本發明的空氣瓶26經電控開關閥五27連接過濾器三28。

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

廢水收集器二38經手動排水閥二37連接在加濕器二36上。

去離子儲水罐二40經過濾器四39連接在加濕器二36上。

質子交換膜燃料電池22的陰極進氣通道連接在電控開關閥六34和加濕器二36之間的管路上。

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

本發明燃料電池參數控制系統的工作原理描述如下：

氫氣罐1內的氫氣首先經電控開關閥一2進入過濾器一3，去除氫氣中的雜質和水汽后，經過電控減壓閥一4由電控開關閥二9和電控開關閥三10分為兩路，一路送入加濕器一11，一路進入質子交換膜燃料電池22的陽極。其中，在進入加濕器一11之前的管路上依次設置流量計一5、壓力表一6、濕度計一7、溫度計一8，對氫氣的各項參數進行監測。在進入質子交換膜燃料電池22陽極之前的管路上依次設置壓力表二12、濕度計二13、溫度計二14對氫氣的壓力、濕度、溫度進行檢測，并將檢測結果送至數據采集及處理系統15。

同理，空氣瓶26內的空氣首先經電控開關閥五27進入過濾器二28，去除空氣中的雜質和水汽后，經過電控減壓閥二29由電控開關閥六34和電控開關閥七35分為兩路，一路送入加濕器二36，一路進入質子交換膜燃料電池22的陰極。其中，在進入加濕器二36之前的管路上依次設置流量計二30、壓力表四31、濕度計四32、溫度計四33，對空氣的各項參數進行監測。

質子交換膜燃料電池22的反應區設置壓力表三23、濕度計三24、溫度計三25，對質子交換膜燃料電池22內氣體壓力、濕度、溫度進行檢測，并將檢測結果送至數據采集及處理系統15。

數據采集及處理系統15根據陽極氫氣各項參數以及反應區氣體各項參數，對質子交換膜燃料電池22的工作狀態進行自適應調整。如燃料電池內積水過多，則反應區濕度計三24檢測值過高，數據采集及處理系統15指令電控開關閥三10關閉，停止對氫氣加濕，并控制電控開關閥一2相應減小氫氣進氣量。如果反應區溫度計25檢測到燃料電池內溫度過高，則數據采集及處理系統15指令電控開關閥三10相應增加開度，增大氫氣濕度，同時控制電控開關閥一2相應減小氫氣進氣量。

此外，如圖1所示，本發明中加濕器一、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)，能夠對加濕器工作條件進行調節。

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，能夠對質子交換膜燃料電池22工作生成的水進行自動排放、收集。

本發明通過燃料電池自身熱量對進氣溫度進行調節，比如將進氣管路的一段或一分支設置在燃料電池殼體內。對本領域技術人員來說，該技術容易實現，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節系統，本發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，反應氣體進入燃料電池(氫氣從電堆陽極進入，空氣從電堆陰極進入)，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)控制進氣溫度，氣體進入燃料電池充分反應排出后，對水氣進行分離處理，再對氣體各個參數進行測量，最后在數據采集及處理系統進行匯總分析。

本發明的測試方法在改變氣體的單一變量時，采用了反饋系統進行反饋調節，使溫度、濕度、壓力以及其他參數在整個實驗臺反饋調節系統工作時達到穩定，并通過數據采集與處理系統進行數據采集和后續處理。

本發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，也可應用在個人家庭、建筑或社區規模的分布式發電。

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，都應該在本發明的保護范圍之內。