1.本发明涉及燃料电池水气分离器技术领域，特别涉及一种燃料电池水气分离器测试装置及方法。
背景技术：2.在氢燃料电池反应过程中，为了提高氢气利用率，会将阳极反应剩余的氢气与新氢汇流，再次进入电堆中进行反应。然而循环回流的氢气温度及湿度较高，与低温新氢汇流之后，因温差较大，高温高湿气体中的水蒸气会出现冷凝，形成液态水，液态水随气体进入电堆中，长时间运行会引起堵水，严重影响电堆性能。因此，循环回流的氢气在与新氢汇流之前，需要将回流氢气进行水气分离，将分离出来的水排出，分离出来的氢气与新氢混合，继续参与燃料电池反应。水气分离器作为燃料电池阳极反应中一个重要的零部件，对于水气分离器分水能力的测试验证，也是燃料电池系统设计过程中的一个重要技术环节。
3.在燃料电池系统中，电堆阳极反应剩余的气体进入水气分离器，经水气分离后，与新氢汇流继续参与反应，由液位传感器监测水气分离器内分离出来水的液位高度，进而控制排水电磁阀的开闭进行排水。
4.现有的水气分离器测试方案主要是将水汽和气路分别供入，在混合腔内混合后，进入水气分离器，进行水气分离器测试验证，通过水气分离器进出口的湿度、压力比较或进出口水汽含量与排水量比较进行分水性能分析。
5.现有的技术方案中是将雾化的小液滴或湿气体与干气体混合，进入水气分离器进行测试，而氢燃料电池反应中，阳极出口为反应剩余的高温高湿氢气、饱和水蒸气及少量饱和水蒸气冷凝形成的液态水，这对水气分离器分离能力要求更高。
6.测试过程中，经水气分离后的氢气未进行循环利用测试，降低了气体利用率。
7.对于不同水气分离器，排水时间的设置和排水频率的标定对于水气分离器的性能验证也是一个重要指标。排水时间设定过短，水气分离器分离出来的水不能完全排空；排水时间设定过长，会排出部分氢气，会降低燃料电池反应氢气利用率，并且会引起阳极压力波动。
技术实现要素：8.本发明的目的在于提供一种燃料电池水气分离器测试装置及方法，以克服现有技术中的不足。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本技术公开了一种燃料电池水气分离器测试装置，包括蒸汽发生器、换热器、蒸汽温度调节机构、水汽混合装置、比例阀、氢气循环泵、待测水气分离器、工业级水气分离器、第一集水器和第二集水器；所述蒸汽发生器的输入端与水源相连接，所述蒸汽发生器的输出端与所述换热器的热端入口相连接；
所述换热器的冷端进出口与蒸汽温度调节机构相连接，所述换热器的热端出口与所述水汽混合装置的输入端相连接；所述水汽混合装置的输出端与所述待测水气分离器的输入端相连接；所述待测水气分离器的气体输出端与所述工业级水气分离器的输入端相连接，所述待测水气分离器的液体输出端与第一集水器相连接；所述工业级水气分离器的气体输出端与所述氢气循环泵的输入端相连接，所述工业级水气分离器的液体输出端与第二集水器相连接；所述氢气循环泵的输出端与水汽混合装置的输入端相连接；所述比例阀的输入端与氢气气源相连接，所述比例阀的输出端与所述氢气循环泵的输入端相连接。
10.作为优选，所述蒸汽温度调节机构包括水泵、散热器，水箱，所述水箱的输入端与水源相连接，所述水箱的输出端与换热器的冷端出口汇流后与所述水泵的输入端相连接，所述水泵的输出端与散热器的输入端相连接，所述散热器的输出端与换热器的冷端入口相连接。
11.作为优选，所述水箱上设有用于测量水箱内液位高度的第一液位传感器，所述散热器的输出端设有用于测量散热器输出端水温的第一温度传感器。
12.作为优选，所述水汽混合装置上设有用于测量水汽混合装置内水汽温度的第二温度传感器；所述水汽混合装置上设有用于测量水汽混合装置内水汽压力的第一压力传感器。
13.作为优选，所述待测水气分离器上设有用于测量待测水气分离器内液态水液位高度的第二液位传感器，所述待测水气分离器的输出端上设有电磁阀，所述第二液位传感器与电磁阀之间电性连接。
14.作为优选，所述水汽混合装置的输出端上设有用于检测水汽混合装置输出端气体压力的第二压力传感器；所述待测水气分离器的气体输出端设有用于检测待测水气分离器气体输出端气体压力的第三压力传感器。
15.作为优选，所述氢气循环泵的输出端上设有用于检测氢气循环泵输出端气体流量的浮子流量计。
16.作为优选，所述第一集水器上设有用于测量第一集水器内水分重量的第一称重传感器，所述第二集水器上设有用于测量第二集水器内水分重量的第二称重传感器。
17.本技术还公开了一种燃料电池水气分离器测试方法，包括如下步骤：s1、水源中的去离子水经过蒸汽发生器产生高温饱和水蒸气；s2、高温饱和水蒸气由换热器的热端入口进入，与换热器中的冷端介质进行换热；通过蒸汽温度调节机构调节换热器的冷端介质的温度，使得高温饱和水蒸气换热后达到预设温度；s3、经过换热后饱和水蒸气进入水汽混合装置中；氢气气源中的低温氢气依次经过比例阀、氢气循环泵进入水汽混合装置，水汽混合装置中饱和水蒸气和氢气混合得到混合气体；检测水汽混合装置中混合气体的温度和压力；s4、当水汽混合装置中混合气体的温度和压力达到预设值时，进行水气分离测试；s5、混合气体经过待测水气分离器进行第一次水气分离；第一次水气分离后的液态水在待测水气分离器内收集；第一次分离后的混合气体离开待测水气分离器进入工业级
水气分离器进行二次水气分离；第二次水气分离后的液态水排至第二集水器收集；第二次水气分离后的气体与s3中的低温氢气混合，共同经过氢气循环泵；s6、当待测水气分离器内液态水的液位达到预设高度时，开启电磁阀将液态水排至第一集水器；测得第一集水器中的液态水质量和第二集水器中的液态水质量，得出待测水气分离器的分水效率；s7、标定待测水气分离器单次排空液态水的时长以及排空液态水后再次达到预设高度的时长，从而标定待测水气分离器的排水频率；作为优选，步骤s2中通过蒸汽温度调节机构调节换热器的冷端介质的温度的具体过程如下：水源中的去离子水进入水箱中，水箱中的水从输出端流出与换热器的冷端出口的水汇流后共同通过水泵，进入散热器进行冷却，冷却后的水由换热器冷端入口进行，作为换热器中的冷端介质。
18.本发明的有益效果：1、使用蒸汽发生器提供高温饱和水蒸气，经冷却换热达到指定温度后供入混合装置与氢气混合，混合后的气体状态更接近电堆阳极出口的气体状态，水气分离器性能验证结果更加有效；2、经待测水气分离器后，进入工业级水气分离器，将水气完全分离，完全分离出来的气体进入循环泵，与新氢汇流进入后续测试，提高了氢气利用率；3、通过待测水气分离器及工业级水气分离器分水量，计算分水效率；4、可进行水气分离器排水时间及排水频率的标定，使得水气分离器的分离效果达到最大化，即使液位传感器失效，水气分离器也可进入自动排水状态；本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
19.图1是本发明一种燃料电池水气分离器测试装置的结构示意图；图中：1-蒸汽发生器、2-换热器、3-水泵、4-散热器、5-第一温度传感器、6-水箱、7-第一液位传感器、8-水汽混合装置、9-第一压力传感器、10-第二温度传感器、11-比例阀、12-氢气循环泵、13-浮子流量计、14-第二压力传感器、15-待测水气分离器、151-第二液位传感器、152-电磁阀、16-第三压力传感器、17-工业级水气分离器、18-第一集水器、19-第一称重传感器、20-第二集水器、21-第二称重传感器。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
21.参阅图1，本发明实施例提供一种燃料电池水气分离器测试装置，包括蒸汽发生器1、换热器2、蒸汽温度调节机构、水汽混合装置8、比例阀11、氢气循环泵12、待测水气分离器15、工业级水气分离器17、第一集水器18和第二集水器20；所述蒸汽发生器1的输入端与水源相连接，所述蒸汽发生器1的输出端与所述换热器2的热端入口相连接；所述换热器2的冷
端进出口与蒸汽温度调节机构相连接，所述换热器2的热端出口与所述水汽混合装置8的输入端相连接；所述水汽混合装置8的输出端与所述待测水气分离器15的输入端相连接；所述待测水气分离器15的气体输出端与所述工业级水气分离器17的输入端相连接，所述待测水气分离器15的液体输出端与第一集水器18相连接；所述工业级水气分离器17的气体输出端与所述氢气循环泵12的输入端相连接，所述工业级水气分离器17的液体输出端与第二集水器20相连接；所述氢气循环泵12的输出端与水汽混合装置8的输入端相连接；所述比例阀11的输入端与氢气气源相连接，所述比例阀11的输出端与所述氢气循环泵12的输入端相连接。
22.在一种可行的实施例中，所述蒸汽温度调节机构包括水泵3、散热器4，水箱6，所述水箱6的输入端与水源相连接，所述水箱6的输出端与换热器2的冷端出口汇流后与所述水泵3的输入端相连接，所述水泵3的输出端与散热器4的输入端相连接，所述散热器4的输出端与换热器2的冷端入口相连接。
23.在一种可行的实施例中，所述水箱6上设有用于测量水箱6内液位高度的第一液位传感器7，所述散热器4的输出端设有用于测量散热器4输出端水温的第一温度传感器5。
24.在一种可行的实施例中，所述水汽混合装置8上设有用于测量水汽混合装置8内水汽温度的第二温度传感器10；所述水汽混合装置8上设有用于测量水汽混合装置8内水汽压力的第一压力传感器9。
25.在一种可行的实施例中，所述待测水气分离器15上设有用于测量待测水气分离器15内液态水液位高度的第二液位传感器151，所述待测水气分离器15的输出端上设有电磁阀152，所述第二液位传感器151与电磁阀152之间电性连接。
26.在一种可行的实施例中，所述水汽混合装置8的输出端上设有用于检测水汽混合装置8输出端气体压力的第二压力传感器14；所述待测水气分离器15的气体输出端设有用于检测待测水气分离器15气体输出端气体压力的第三压力传感器16。
27.在一种可行的实施例中，所述氢气循环泵12的输出端上设有用于检测氢气循环泵12输出端气体流量的浮子流量计13。
28.在一种可行的实施例中，所述第一集水器18上设有用于测量第一集水器18内水分重量的第一称重传感器19，所述第二集水器20上设有用于测量第二集水器20内水分重量的第二称重传感器21。
29.本发明一种燃料电池水气分离器测试方法，具体如下：去离子水接入蒸汽发生器1产生的高温饱和水蒸气，由换热器2热端入口进入，与换热器 2冷端介质进行换热；去离子水接入水箱6，与换热器2冷端出口的水共同通过水泵3，进入散热器 4，经过冷却后，由换热器2冷端入口进入，作为换热器冷端介质与蒸汽发生器 1产生的高温饱和水蒸气进行换热；第一液位传感器7可监测水箱6液位高度，低于指定液位高度时，进行自动补水；通过第一温度传感器5所监测到的数据，进行调节散热器4风扇转速及水泵3 流量，从而使得高温饱和水蒸气经过换热后可达到指定温度；补充的低温氢气，通过比例阀 11进行减压，控制进气压力，经氢气循环泵12、浮子流量计13，调节氢气循环泵12转速，可控制氢气流量；
经换热后的饱和水蒸气，少量冷凝成液态水，与氢气共同在水汽混合装置8中混合，可有效模拟燃料电池电堆阳极出口的气体状态；第二温度传感器10、第一压力传感器9可检测水汽混合装置中混合的饱和水蒸气及氢气的温度和压力；混合气体进入待测水气分离器15，当水汽混合装置中的水气温度和压力达到预设值时，即可进行水气分离测试，未完全分离的气体进入工业级水气分离器17，进行二次水气分离；经过工业级水气分离器17完全分离的氢气，与补充的低温气体，共同进入氢气循环泵12，重新进行混合，可提高氢气利用率；待测水气分离器15分离出的液态水液位达到第二液位传感器151的预设高度时，电磁阀152打开将水排至第一集水器18；工业级水气分离器17分离出的液态水排至第二集水器20；第一称重传感器19得出分水质量m1，第二称重传感器21得出分水质量m2，可得分水效率：m1/ (m1 + m2)；调节待测水气分离器15单次排水的排水时间，可进行标定单次排空的所需时长，及单次排空后水气分离器中续满水液位至液位传感器高度的时长，标定排水频率；使得水气分离器的分离效果达到最大化，即使液位传感器失效，水气分离器也可进入自动排水状态。
30.第二压力传感器14 、第三压力传感器16检测待测水气分离器进出口压力变化。
31.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种燃料电池水气分离器测试装置，其特征在于：包括蒸汽发生器（1）、换热器（2）、蒸汽温度调节机构、水汽混合装置（8）、比例阀（11）、氢气循环泵（12）、待测水气分离器（15）、工业级水气分离器（17）、第一集水器（18）和第二集水器（20）；所述蒸汽发生器（1）的输入端与水源相连接，所述蒸汽发生器（1）的输出端与所述换热器（2）的热端入口相连接；所述换热器（2）的冷端进出口与蒸汽温度调节机构相连接，所述换热器（2）的热端出口与所述水汽混合装置（8）的输入端相连接；所述水汽混合装置（8）的输出端与所述待测水气分离器（15）的输入端相连接；所述待测水气分离器（15）的气体输出端与所述工业级水气分离器（17）的输入端相连接，所述待测水气分离器（15）的液体输出端与第一集水器（18）相连接；所述工业级水气分离器（17）的气体输出端与所述氢气循环泵（12）的输入端相连接，所述工业级水气分离器（17）的液体输出端与第二集水器（20）相连接；所述氢气循环泵（12）的输出端与水汽混合装置（8）的输入端相连接；所述比例阀（11）的输入端与氢气气源相连接，所述比例阀（11）的输出端与所述氢气循环泵（12）的输入端相连接。2.如权利要求1所述的一种燃料电池水气分离器测试装置，其特征在于：所述蒸汽温度调节机构包括水泵（3）、散热器（4），水箱（6），所述水箱（6）的输入端与水源相连接，所述水箱（6）的输出端与换热器（2）的冷端出口汇流后与所述水泵（3）的输入端相连接，所述水泵（3）的输出端与散热器（4）的输入端相连接，所述散热器（4）的输出端与换热器（2）的冷端入口相连接。3.如权利要求2所述的一种燃料电池水气分离器测试装置，其特征在于：所述水箱（6）上设有用于测量水箱（6）内液位高度的第一液位传感器（7），所述散热器（4）的输出端设有用于测量散热器（4）输出端水温的第一温度传感器（5）。4.如权利要求1所述的一种燃料电池水气分离器测试装置，其特征在于：所述水汽混合装置（8）上设有用于测量水汽混合装置（8）内水汽温度的第二温度传感器（10）；所述水汽混合装置（8）上设有用于测量水汽混合装置（8）内水汽压力的第一压力传感器（9）。5.如权利要求1所述的一种燃料电池水气分离器测试装置，其特征在于：所述待测水气分离器（15）上设有用于测量待测水气分离器（15）内液态水液位高度的第二液位传感器（151），所述待测水气分离器（15）的输出端上设有电磁阀（152），所述第二液位传感器（151）与电磁阀（152）之间电性连接。6.如权利要求1所述的一种燃料电池水气分离器测试装置，其特征在于：所述水汽混合装置（8）的输出端上设有用于检测水汽混合装置（8）输出端气体压力的第二压力传感器（14）；所述待测水气分离器（15）的气体输出端设有用于检测待测水气分离器（15）气体输出端气体压力的第三压力传感器（16）。7.如权利要求1所述的一种燃料电池水气分离器测试装置，其特征在于：所述氢气循环泵（12）的输出端上设有用于检测氢气循环泵（12）输出端气体流量的浮子流量计（13）。8.如权利要求1所述的一种燃料电池水气分离器测试装置，其特征在于：所述第一集水器（18）上设有用于测量第一集水器（18）内水分重量的第一称重传感器（19），所述第二集水器（20）上设有用于测量第二集水器（20）内水分重量的第二称重传感器（21）。
9.一种燃料电池水气分离器测试方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、水源中的去离子水经过蒸汽发生器（1）产生高温饱和水蒸气；s2、高温饱和水蒸气由换热器（2）的热端入口进入，与换热器（2）中的冷端介质进行换热；通过蒸汽温度调节机构调节换热器的冷端介质的温度，使得高温饱和水蒸气换热后达到预设温度；s3、经过换热后饱和水蒸气进入水汽混合装置（8）中；氢气气源中的低温氢气依次经过比例阀（11）、氢气循环泵（12）进入水汽混合装置（8），水汽混合装置中饱和水蒸气和氢气混合得到混合气体；检测水汽混合装置（8）中混合气体的温度和压力；s4、当水汽混合装置（8）中混合气体的温度和压力达到预设值时，进行水气分离测试；s5、混合气体经过待测水气分离器（15）进行第一次水气分离；第一次水气分离后的液态水在待测水气分离器（15）内收集；第一次分离后的混合气体离开待测水气分离器（15）进入工业级水气分离器（17）进行二次水气分离；第二次水气分离后的液态水排至第二集水器（20）收集；第二次水气分离后的气体与s3中的低温氢气混合，共同经过氢气循环泵（12）；s6、当待测水气分离器（15）内液态水的液位达到预设高度时，开启电磁阀（152）将液态水排至第一集水器（18）；测得第一集水器（18）中的液态水质量和第二集水器（20）中的液态水质量，得出待测水气分离器（15）的分水效率；s7、标定待测水气分离器（15）单次排空液态水的时长以及排空液态水后再次达到预设高度的时长，从而标定待测水气分离器（15）的排水频率。10.如权利要求9所述的一种燃料电池水气分离器测试方法，其特征在于，步骤s2中通过蒸汽温度调节机构调节换热器的冷端介质的温度的具体过程如下：水源中的去离子水进入水箱（6）中，水箱（6）中的水从输出端流出与换热器（2）的冷端出口的水汇流后共同通过水泵（3），进入散热器（4）进行冷却，冷却后的水由换热器（2）冷端入口进行，作为换热器（2）中的冷端介质。
技术总结本发明提出了一种燃料电池水气分离器测试装置及方法，包括蒸汽发生器、换热器、蒸汽温度调节机构、水汽混合装置、比例阀、氢气循环泵、待测水气分离器、工业级水气分离器、第一集水器和第二集水器；使用蒸汽发生器提供高温饱和水蒸气，经冷却换热达到指定温度后供入混合装置与氢气混合，混合后的气体状态更接近电堆阳极出口的气体状态，水气分离器性能验证结果更加有效；经待测水气分离器后，进入工业级水气分离器，将水气完全分离，完全分离出来的气体进入循环泵，与新氢汇流进入后续测试，提高了氢气利用率。通过待测水气分离器及工业级水气分离器分水量，计算分水效率。计算分水效率。计算分水效率。
技术研发人员：王琦 黄蓉 鲍晓旸 郭志阳
受保护的技术使用者：浙江氢途科技有限公司
技术研发日：2022.06.06
技术公布日：2022/11/1
