氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试装置及方法与流程
1.本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试装置及方法。
背景技术：
2.氢燃料电池是作为新一代绿能源动力系统，氢燃料电池发动机工作的产物除去车辆所需要的能源电能，只有热能和水，有助于解决能源危机和环境污染等问题。随着技术进步，氢燃料电池商用车已逐步实现批量化生产。由于氢气在制、储、运和加等环节所产生的成本压力，氢燃料电池商用车氢耗与发动机的工作效率也成为整车厂乃至客户比较关注的话题。
3.发明人发现，根据现行的燃料电池电动汽车氢气消耗量测量方法标准规定，目前氢燃料电池商用车氢耗测试方法主要有压力-温度法、质量分析法和流量法三种；以上三种测试方法均采用外接氢气储罐的方式，实现试验过程中氢气的供应及氢气消耗量的测量，这就给测试人员带来了额外的工作量，同时如需测试燃料电池发动机工作效率，还需另外连接高精度电能量分析设备，在一定程度上降低了试验效率。
技术实现要素：
4.本发明为了解决上述问题，提出了一种氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试装置及方法，氢燃料电池商用车在转鼓上或燃料电池发动机在台架上的氢耗试验可通过全部收集或部分采集的方式，收集生成的水和未参与化学反应的氢气，并通过称重法及简单的计算公式，即可得出该收集时间的氢气消耗量与燃料电池发动机的氢气利用率，可提高工作效率和降低安全隐患。
5.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试装置，采用如下技术方案：
6.一种氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试装置，包括：
7.尾排收集管道；
8.集水箱，设置在所述尾排收集管道靠近收集口一端的下侧；所述集水箱与所述尾排收集管道之间连接有滴水管；
9.管路干燥器，设置在所述尾排收集管道远离收集口一端；
10.氢气收集装置，与所述尾排收集管道的排气口连接。
11.进一步的，所述尾排收集管道收集口连接燃料电池发动机或氢燃料电池商用车的尾排管。
12.进一步的，所述尾排收集管道靠近所述收集口的一端设置有第一压力传感器，靠近所述管路干燥器处设置有第二压力传感器。
13.进一步的，所述尾排收集管道包括靠近所述收集口一端的第一水平段、与所述第一水平段连接的竖直段以及与所述竖直段连接的第二水平段；
14.所述第一水平段和所述竖直段上均设置有滴水管与所述集水箱连接。
15.进一步的，所述竖直段上设置有倒漏斗结构，所述倒漏斗结构与所述集水箱之间连接有滴水管。
16.进一步的，所述尾排收集管道靠近所述管路干燥器的一端设置有气泵。
17.进一步的，所述的尾排收集管道、所述集水箱、所述管路干燥器和氢气收集装置均设置为单独拆卸结构。
18.进一步的，所述的氢气收集装置上面为敞口结构。
19.为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试方法，采用如下技术方案：
20.一种氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试方法，采用了如第一方面中所述的氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试装置，包括：通过集水箱和氢气收集装置收集燃料电池工作过程中生成的水和未参与化学反应的氢气；采用称重法得到水和未参与化学反应的氢气的质量；根据水的质量计算出参与化学反应的氢气的质量；通过参与化学反应的氢气的质量和未参与化学反应氢气的质量之和，得到氢气消耗量。
21.进一步的，通过参与化学反应的氢气的质量和氢气消耗量，计算出发动机工作效率。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
23.本发明中在设置可与燃料电池发动机或氢燃料电池商用车的尾排管连接的尾排收集管道基础上，通过集水箱和氢气收集装置收集燃料电池工作过程中生成的水和未参与化学反应的氢气；采用称重法得到水和未参与化学反应的氢气的质量；根据水的质量计算出参与化学反应的氢气的质量；通过参与化学反应的氢气的质量和未参与化学反应氢气的质量之和，可得到氢气消耗量；同时，通过参与化学反应的氢气的质量和氢气消耗量，可以计算出发动机工作效率；避免了外接氢气储罐的方式，降低了测试人的工作量，同时避免了测试燃料电池发动机工作效率时需要连接高精度电能量分析设备的问题，提高了试验效率。
附图说明
24.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
25.图1为本发明实施例1的结构示意图；
26.其中，1、燃料电池发动机或氢燃料电池商用车；2、第一压力传感器；3、尾排收集管道；4、集水箱；5、中控器；6、气泵；7、第二压力传感器；8、管路干燥器；9、氢气收集装置。
具体实施方式
27.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
28.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.实施例1：
30.如图1所示，本实施例提供了一种氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试装置，包括燃料电池发动机或车1、第一压力传感器2、尾排收集管道3、集水箱4、中控器5、气泵6、第二压力传感器7、管路干燥器8和氢气收集装置9；
31.为了解决传统测试方法需要外接氢气储罐以及需要连接高精度电能量分析设备的问题，本实施例中，所述集水箱4设置在所述尾排收集管道3靠近收集口一端的下侧；所述集水箱4与所述尾排收集管道3之间连接有滴水管；所述管路干燥器8设置在所述尾排收集管道3远离收集口一端，用于收集未被集水箱4收集的液体水或水蒸气；所述氢气收集装置9与所述尾排收集管道3的排气口连接，所述氢气收集装置9内可以设置高吸氢有机化合物储氢材料或储氢合金，利用其具有吸氢特性，收集未完全参与反应的氢气，在一些实施例中，所述氢气收集装置9可以通过常规技术实现，在此不再详述；所述尾排收集管道3收集口连接燃料电池发动机或氢燃料电池商用车1的尾排管，所述尾排收集管道3可以通过橡胶软管与燃料电池发动机或氢燃料电池商用车1的的尾排管紧密连接，确保连接处不会产生水或气体的泄漏，所述尾排收集管道3可以全部采集车辆尾排物也可按照一定比例进行采样处理，采样处理的方式与全部采样原理相同。具体的，在尾排收集管道3与燃料电池发动机或氢燃料电池商用车1的尾排管连接的基础上，通过集水箱4和氢气收集装置9收集燃料电池工作过程中生成的水和未参与化学反应的氢气；然后，可以采用称重法得到水和未参与化学反应的氢气的质量；根据水的质量计算出参与化学反应的氢气的质量；通过参与化学反应的氢气的质量和未参与化学反应氢气的质量之和，可得到氢气消耗量；同时，通过参与化学反应的氢气的质量和氢气消耗量，可以计算出发动机工作效率；避免了外接氢气储罐的方式，降低了测试人的工作量，同时避免了测试燃料电池发动机工作效率时需要连接高精度电能量分析设备的问题，提高了试验效率。
32.尾排收集管道3用于收集燃料电池反应后生成的水和未参与反应的氢气、空气，并将液体水通过滴水管导入集水箱4，所述集水箱4用于收集液体水；测试时，尾排收集管道3需要与燃料电池发动机或氢燃料电池商用车1的尾排管连接，尾排收集管道3的增加以及尾排收集管道3中管路干燥器8和气泵6等的作用，会直接改变尾气的排气能力，从而影响燃料电池发动机的工作状态，为了降低对燃料电池发动机工作状态的影响，本实施例中，在所述尾排收集管道3靠近所述收集口的一端设置有第一压力传感器2，靠近所述管路干燥器8处设置有第二压力传感器7；所述尾排收集管道3靠近所述管路干燥器8的一端设置有气泵6。具体的，通过所述第一压力传感器2和所述第二压力传感器7可以实时检测排气压力，当中控器5识别到尾气排放压力发生变化时，可以通过中控器5控制所述气泵6来调节排气压力，使得尾排压力平衡，避免测试装置对燃料电池发动机的工作状态的影响。
33.所述第一压力传感器2和所述第二压力传感器7分别布置在燃料电池发动机或氢燃料电池商用车1的尾排管路上和尾排收集管道3上，分别测试所处位置的管道压力，并将实时信息传递给中控器5；气泵6布置在所述尾排收集管道3上，可通过启停和转速调整，实现管道压力的调整。所述中控器5可根据压力传感器监测的管道压力信息，为所述气泵6发送启停和转速调整等指令，实现所述气泵6的联动，以确保尾排压力平衡，避免测试装置对燃料电池发动机的工作状态的影响。
34.根据收集的水的质量，可以计算出参与化学反应的氢气的质量，根据参与化学反应的氢气的质量和收集氢气的质量可以计算出氢耗，为了保证最终检测氢耗的准确度，需
要保证收集的水的质量以及收集的氢气质量的准确度，为了提高收集的水的质量，提高氢耗计算准确度，本实施例中，将所述尾排收集管道3设置为三段，分别为靠近所述收集口一端的第一水平段、与所述第一水平段连接的竖直段以及与所述竖直段连接的第二水平段；其中，所述第一水平段和所述竖直段上均设置有滴水管与所述集水箱连接，所述第一水平段和所述竖直段的设计，保证了对水分的收集量；同时，所述竖直段上设置有倒漏斗结构，所述倒漏斗结构与所述集水箱之间连接有滴水管，倒漏斗结构的设置保证了水蒸气与管道壁的接触面积，提高了水蒸气的冷凝效果，进一步提高了水分的收集效果；同时，所述的氢气收集装置9上面为敞口结构，待氢气完全吸收后，空气可直接排出，提高了收集氢气的纯度。
35.测试时，计算氢耗和发动机工作效率时，均需要收集的水的质量、参与化学反应的氢气的质量和收集氢气的质量的参量，这就需要通过称重法准确的对各个参量进行称重；为了提高实验的灵活性，以及保证各参量的称重准确性，本实施例中，所述的尾排收集管道3、所述集水箱4、所述管路干燥器8和氢气收集装置9均设置为单独拆卸结构，就是将所述的尾排收集管道3、所述集水箱4、所述管路干燥器8和氢气收集装置9等设置为均可单独拆卸的部件，可实现单独对各参量进行称重，保证了实验的灵活性和各参量的称重准确性，称重所需的设备要求精度可达到0.01g。
36.所述的集水箱4和所述管路干燥器8均为密闭结构，仅与所述的尾排收集管道连接；
37.本实施例的工作过程或方法为：
38.燃料电池工作过程中，氢气在催化剂的作用下与空气中的氧气发生化学反应，生成的水和未参与化学反应的氢气都被收集起来，其中水通过所述尾排收集管道3、所述集水箱4和所述管路干燥器8全部收集，未参与化学反应的氢气通过所述氢气收集装置9全部收集，并采用称重法直接得到水和氢气的质量，得到生成的水的质量后，通过计算可求出参与化学反应的氢气的质量，参与化学反应的氢气的质量与未参与化学反应氢气的质量之和，即为该收集时间内燃料电池发动机或车辆的氢气消耗量，其中，该收集时间一般定为车辆在转鼓上能耗试验的典型工况时间或燃料电池发动机在台架上能耗试验的典型工况时间。
39.本实施例可得到该收集时间内参与化学反应的氢气的质量与燃料电池发动机或车辆的氢气消耗量，即可计算出该收集时间内，燃料电池发动机的平均工作效率。
40.得到生成的水的质量后，通过计算可求出参与化学反应的氢气的质量，参与化学反应的氢气的质量与未参与化学反应氢气的质量之和，即为该收集时间内燃料电池发动机或氢燃料电池商用车1的氢气消耗量；其中，该收集时间一般定为车辆在转鼓上能耗试验的典型工况时间或燃料电池发动机在台架上能耗试验的典型工况时间。
41.具体的，反应方程式：
42.2h2+o2→
2h2o+电+热
43.其中，反应生成的水(h2o)的重量由所述的尾排收集管道3、集水箱4和管路干燥器8全部收集，分别称重后求和，记做m(h2o)，根据元素相对原子质量，可求得参与化学反应的氢气的质量m
反应
(h2)＝1/9m(h2o)。为参与反应的氢气由所述的氢气收集装置9全部收集，称重后记做m
未反应
(h2)。氢气消耗量m
消耗
(h2)＝m
反应
(h2)+m
未反应
(h2)，即得到了该收集时间内燃料电池发动机或车辆的氢气消耗量。
44.该段时间内的发动机工作效率计算公式：
45.η＝m
反应
(h2)/m
消耗
(h2)
×
100％。
46.测试完成后，可通过同环境温度、同环境湿度条件下，尾排收集管道3不与燃料电池发动机或氢燃料电池商用车1连接，采用同样称重的方式剔除环境中空气含有的水或易于氢气收集装置9收集的物质，再对上述测试结果进行修正。
47.综上，车辆在转鼓上或燃料电池发动机在台架上的氢耗试验可通过全部收集或部分采集的方式，收集尾排物质，并分离出生成的水和未参与化学反应的氢气，并通过称重法及简单的计算公式，即可得出该收集时间的氢气消耗量与燃料电池发动机的氢气利用率，提高了工作效率、降低了安全隐患。
48.实施例2：
49.一种氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试方法，采用了如第一方面中所述的氢燃料电池商用车氢耗与发动机工作效率测试装置，包括：通过集水箱和氢气收集装置收集燃料电池工作过程中生成的水和未参与化学反应的氢气；采用称重法得到水和未参与化学反应的氢气的质量；根据水的质量计算出参与化学反应的氢气的质量；通过参与化学反应的氢气的质量和未参与化学反应氢气的质量之和，得到氢气消耗量。
50.通过参与化学反应的氢气的质量和氢气消耗量，计算出发动机工作效率。
51.以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
