PEMFC电堆简易模拟器

2020-07-09雷枭丁小松刘柱龙

环境技术 2020年3期

雷枭，丁小松，刘柱龙

（1.广州擎天实业有限公司，广州 510860； 2.中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510860）

引言

近年来绿色、高效的PEMFC研究进展不断[1-3]。《中国制造2025》等规划中均明确大力发展燃料电池汽车[4，5]，在国外氢燃料电池车已量产，国内仍处于技术验证，氢燃料电池产业链依旧梗阻，关键材料长期依存国外的当下，燃料电池测试系统作为燃料电池领域重要高技术水平装备，是氢燃料电堆产品设计开发、性能检测与评价、应用生态链中必不可少的重要桥梁。本文立足于PEMFC电堆测试系统的配套应用，针对PEMFC电堆的能量转换及热特性，简述了一种PEMFC电堆的实用模拟器实现方法。可适用各功率等级PEMFC电堆测试系统。

图1 PEMFC电堆测试系统简图

1 电堆功能

PEMFC电堆测试需要一个复杂完备的配套系统（如图1），水-热-气-电等各种物料密集输运。供气、加温、加湿、冷却、电能输送等环节紧密衔接，各种类型的电磁阀、泵及工控器有序协调合作。而电堆作为一种高效能量转化装置，只需供给氢燃料和氧化剂，其中氢气在阳极分解为带正电的氢离子，并释放出带负电的电子，氢离子穿过PEM膜到达阴极，而电子则由集流板汇集，在外电路与串入负载及阴极，形成电流回路，实现电能输出。氧气则在阴极与透过的氢离子及来自外电路的电子反应生产水[6]。

整体反应式表明燃料将化学能直接转换为电能（如图2），且服从热力学定律的一个放热过程[7]，与传统发动机类似，燃料电池堆在工作状态会释放大量热，需及时向外界消散，以使燃料电池处于合理工作温度60～80 ℃区间[8]。

2 模拟器组分

模拟器由电力电子电能转换装置、膜片电压生成、物料平衡调节、及虚拟信号单元、综合控制器组成。综合控制器响应PEMFC测试系统指令，及传感器反馈信号，自动匹配各组分单元调整参量。采用电力电子技术实现动态电能及膜片电压生成；跟随物料平衡算法，可实时调节水、温及信号参量，能快速验证各种功率等级PEMFC电堆测试平台控制及参数校验的便捷实用配套装置。

模拟器采用上下区间紧密结构设计，上层为水箱体，内设文氏射流管，PWM泵动态跟随增/减反应水。主/副热管联动调整箱体中水温的升/降；侧面布设热传感器转换接口。下层放置综合控制、电能转换、物料补充泵及热管投切器件。膜片电压单元采用悬臂形式可结合电压巡检采集器就近放置。模拟器主要功能见图3。

图2 PEMFC电堆功能

图3 模拟器主要功能

2.1 可调电能生成

PEMFC阳极生成电子经外电路到达阴极，形成稳定的直流电能。电力电子技术中实现AC/DC转换的方式多样，如单相桥式、三相桥式、6相半波、PWM整流、IGBT电源等。PEMFC电堆电池片层叠串联，每片直流电压＜2 V，各种功率等级电堆，需采用不同数量的膜片串、并组合。模拟器的功率等级无需太大，直流电压DC 0～500 V，直流电流0～50 A，能维持馈能电子负载运行，及模拟膜片电压生成，确保整个PEMFC测试系统运行即可。综合电能可控可调，直流电压等级，电能变换单元（见图4）采用三相可控桥式变流型式[9]，模块化设计[10]。三相市电AC 380 V/50 Hz接入，快速电压、电流反馈及实时脉冲控制相结合，形成DC 0～500 V范围可调直流电压，动态恒功率模式运行，实时响应PEMFC测试系统输入气体流量，换算输出与之匹配的直流电流，及恒功率下的直流电压，实现类似电堆功率曲线输出。

图4 电能变换单元

2.2 膜片电压生成

因燃料电池无法避免缺气、水淹、反极、短路等各种失效，其健康状态主要由单体电压反映，如电堆过湿、过干、缺气等不良操作或机械损伤等因素均会使单体电压发生改变[11]。鉴于电堆由单体层叠串联而成，其电势叠加特性，可将电压生成模块串联，或多组并联组合，串/并综合方式扩展，以应对各功率等级，膜片差异。模块化电压单元处理，单个模块最大膜片数量≥250个，将膜片电压生产模块（膜片电压模拟单元见图5）与电子馈能负载并联，汇入直流电压母线。采用高阻分压原理，形成单通道-2 000～ +2 000 mV量值范围直流电压。模块采用PCB双层板双面集中布设，接口错位，内设偏压结点，可对某一或多条通道电压同时进行调整；或通过换向结点，将通道电压反向，以模拟电堆膜片电压偏移、反向故障。

2.3 物料调节单元

进出物料管道置于水箱体中，经由文氏管射流器和电热管实时调节水量及温升。随PEMFC测试系统气体输入量，动态核算产生水量及功率大小，并由功率大小，反向推算当前热功耗（反应物的消耗量和水的生成量见表1，物料调节单元见图6）。氢燃料电池的理论效率高达83 %[6]，实际运行50～60 %区间。反应时生成的大部分热量经冷却水热传导及对流吸收，通过辐射方式耗散的热量低，因各种类型不同功率等级电堆设计固有差异，散热能力不同，可预留动态设置堆体消散权重系数以核定堆体热耗功率，通过热管补温器实时调节温升，模拟各种电堆发热。

表1 反应物的消耗量和水的生成量（每安培）[6]

图5 膜片电压模拟单元

图6 物料调节单元

2.4 虚拟信号单元（见图7）

图7 虚拟信号处理单元

将PEMFC测试平台的热传感器，接入物料调节箱的内置接口，直接检测箱内水温，实时监测模拟器的热变化。综合控制器通过内置模拟量模块，直接给出电信号。电能变换中的电压、电流传感器，可提供电能参数信号。三种信号给出形式并存，或互为备用。

2.5 综合控制单元

电堆测试系统指令的上下流转，模拟电能参量的动态限定调节，温控热管投切，水量的调整，虚拟信号生成，需兼具高效可靠逻辑控制、数据通信、数字量输入/输出、模拟量输入输出，且抗干扰能力强、适用及改造性强、维修方便的综合控制器。西门子S7-1200系列PLC其扩展性能，通讯功能强大。集成的RS485和以太网接口，使通讯极为简便；可带I/O点数较多，能扩展 8个数字量和模拟量模块；且CPU自带两点模拟量，还可扩展一块1AO或2DI/2DO信号板，用于高速输入、输出脉冲。S7-1200又兼具PID参数设置和调试的自整定功能，其工程组态直观、易学和易用，在中小型自动化控制系统中具有极高的性价比[12]，其综合性价比，满足模拟器控制需求。