一种PEMFC一体化测试设备开发尝试

2021-07-21雷枭丁小松张兴旺潘铃

环境技术 2021年3期

雷枭，丁小松，张兴旺，潘铃

（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

伴随着人民对美好生活的热切向往，不断推动着中国汽车产业的向前发展，经过20多年的探索，中国已成为全世界最大的电动汽车市场，其中新能源汽车所占的比重正逐步扩大，而氢作为一种高效、清洁的绿色能源[1]，基于氢能的燃料电池汽车从试点、推广向规模应用快速发展[2,3]。丰田、宝马、巴拉德等国际知名科技企业正积极参与我国氢能发展，引领国内、国际合作的一波又一波科技浪潮[4,5]。

1 测试应用差异

当前PEMFC电堆及发动机产品，采用独立测试台架分别进行测试，PEMFC电堆及发动机测试台架及配套的辅助BOP设备，价格不仅昂贵，且分别设置将占用大量场地资源，BOP设备及配套资源重复采购，使折旧费率高，企业经营运行负担加大，且设备售后维护便捷性差，设备利用率低，时效性低。

PEMFC电堆，如图1所示，对外仅有3对进出口和电能集流板，接口分别为氢气、空气、冷却水管道。PEMFC电堆测试系统是一种集中了多变量、多因素耦合作用，涉及电化学、热力学、流体力学、电力电子技术、计算机软/硬件、自动控制技术等专业融合度极高的高科技综合性装备。电堆测试系统侧重于反应物料温、湿状态的提供及故障快速处理。通过对反应气体进行加温、加湿处理，调节反应气体温度在60~80 ℃，湿度80~100 %RH范围[6,7]，监控热量状态实时调节冷却水确保热平衡，如图2所示。经输出电参量、单体膜片电池电压追踪燃料电池的电压损耗以及所得的极化曲线，综合评价电堆设计及极板、电解质等材料和装配工艺对输出效能的影响。测试系统采用各种类型的流量控制器、泵、电磁阀及传感器维持反应物料的动态稳定。控制异常精确，如排水，过快时溶胀的电解质膜存在脱水的可能，轻则引起内阻急剧增大，重则引起电解质膜的破裂，产生裂缝，一旦气体透过裂缝相互渗透混合，将形成爆炸性混合物，导致灾难性事故。过慢，阴极的水会淹没电解质膜活性层内的孔隙，阻碍氧气与催化剂的接触，影响电极的性能。过量的水甚至会堵塞这些孔隙，使氧气无法通过，导致燃料电池停止工作。

图1 一种PEMFC电堆实物图

图2 PEMFC电堆测试系统图

PEMFC发动机，如图3所示，相对电堆，外部接口种类增多，除了3对氢气、空气、冷却水管道，因PEMFC发动机系统集成了加湿、流量控测、压力控制等功能单元，对外除了控制，还需配置低压动力、气动辅助动力、发动机状态开关及模拟量反馈。对PEMFC发动机进行测试时，仅需监控水、电、气单元，响应外部控制需求时效，稳定时的热和动力输出稳定性，进而对各种运行工况进行效能分析及评价，如图4 所示。

图3 一种PEMFC发动机

图4 PEMFC发动机测试系统配置图

2 实现方法

对比PEMFC电堆及发动机，在满足运行的基础前提下，发现辅助功能部件的差异极小，测试设备的功能本体差异较大。电堆测试系统侧重于反应物料温、湿状态的提供及故障时各种快速处置及保护，如避免生成液态水的淤积堵塞，温度突增应对。发动机测试系统侧重于反应物料参与转化量大小追踪，及发电效率的综合评价。测试系统的共性极大，电堆测试系统所含功能，具备改造成发动机测试系统的潜能。

2.1改造部分管路

如前所述，电堆测试台，不仅提供进出水、电、气管道，内部还需对反应物料进行加温、加湿及降温除湿等的复杂处理。在异常时，又需对管路进行快速吹扫，以迅速减低管路的氢浓度[8,9]。而发动机测试时，主要关注反应气体流量、发动机输出功率的大小，冷却能确保发动机和车载空压机正常工作即可。

如图5所示，在通用PEMFC氢燃料电池电堆测试系统台架基础上，增加一条压缩空气管路接口，内置空气过滤器。氢气/空气进气侧在加温加湿段设旁路开关，使气体直通，充分利用电堆系统的压力调节、流量监控、氮气吹扫功能单元。气体尾排管在原电堆空气出口侧设支路旁通。

图5 PEMFC一体化测试设备原理

2.2增加差异功能单元

发动机系统需要外部提供动力驱动，而电堆只有进出管道及电能集流板，在电堆测试台内部有低压电源为各温、湿、压力传感器提供动力。只需加大低压电源的功率，并由专用接头引至电堆测试台端头。

车载空压机的冷却单元设置，如图6所示，在原电堆冷却水进出管上，通过管路和电磁阀Sc1将水引入小型储水罐Bx01，冷却水经由水循环泵m1输送至换热器Hex01进行热量交换，Te01和Te02温度传感器反馈实时温度，协调循环水泵，确保车载空气压缩机运行温升。

图6 车载空气压缩机冷却回路

2.3测试接口转换

电堆接口少，仅有水、电、气4种类型的4对接口，测试时，需由电堆测试台供给特定温度湿度的反应气，在电堆内部转换成高效电能。电堆的热状态需由温度传感器直接测量，并反馈至测试台控制系统中。电堆测试台协调各执行器进行连锁操作，快速响应维持测试需求的稳定状态。

根据GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能测试方法》[10]，GB/T 28183-2011《客车用燃料电池发电系统测试方法》[11]，GB/T 23645-2009《乘用车用燃料电池发电系统测试方法》，要求被测燃料电池发电系统给测试平台提供和接收以下信息[12]：

①电池堆工作温度；②电池堆和燃料电池发电系统的电压和电流；③能接受起停信号；④能接受功率给定信号；⑤能够给出故障码。

PEMFC电堆和发动机测试接口差异，如图7所示，相对与裸奔的电堆，发动机系统集成了加湿、流量控测、压力控制等功能单元，对外除了控制，需配置低压动力、气动辅助动力、发动机状态开关及模拟量反馈。对电堆和发动机进行测试时需要独立接口进行转换控制。

图7 PEMFC电堆/发动机及其控制接口

转换接口分设通讯、模拟量、数字量。所有部件集成为一套含2路CAN总线、2路485、2路232、2路以太网、32路AI/O、32路DI/O的集成组件，PEMFC电堆/发动机接口连接示意如图8所示。

图8 PEMFC电堆/发动机接口连接示意图

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