燃料电池电堆测试台架技术研究

2022-11-28 来源：汽车燃料电池之家 浏览数：342

该文介绍了氢燃料电池的发展前景和氢燃料电池电堆测试台架在电堆生产过程中的重要性，论述了氢燃料电池电堆测试台架各部件的组成与控制原理，阐述了燃料电池电堆测试台架氢气与流量的计算以及压力平衡式膜增湿方法的原理与用水量计算，说明了燃料电池电堆测试台架测控系统的硬件组成及测控流程、测控方法。

 摘 要

 

该文介绍了氢燃料电池的发展前景和氢燃料电池电堆测试台架在电堆生产过程中的重要性，论述了氢燃料电池电堆测试台架各部件的组成与控制原理，阐述了燃料电池电堆测试台架氢气与流量的计算以及压力平衡式膜增湿方法的原理与用水量计算，说明了燃料电池电堆测试台架测控系统的硬件组成及测控流程、测控方法。

 

前 言

 

汽车产业是世界主要工业国家的主要产业，是衡量一个国家综合实力和发达程度的重要标志。随着全世界汽车保有量的日益增多，能源紧缺和环境污染问题愈发凸显，已经成为人类生存和发展面临的两大挑战。寻找和发展新的汽车清洁能源，将对全球汽车和能源产业格局以及社会经济发展产生深远的影响。氢能和燃料电池技术是世界能源转型和动力转型的重大战略方向。燃料电池汽车具有环保性能佳、转化效率高、加注时间短以及续航里程长等优势，是未来汽车工业可持续化发展的重要方向，是应对全球能源短缺和环境污染的重要战略举措。发展燃料电池汽车已成为全球汽车与能源产业转型升级的重要突破口。

 

1、燃料电池电堆测试台架的重要性

 

随着燃料电池汽车需求的不断增加，燃料电池系统的产业化需求会越来越强烈。电堆作为燃料电池系统的核心部件之一，电堆的性能是燃料电池系统乃至整车性能的决定因素，电堆测试台架是检测电堆性能和质量的有力保障。面向燃料电池电堆产业化需求，我们应该开展燃料电池电堆的标准化、集约化的在线检测技术、快速检验技术及测试设备开发，制定标准化评价方法及测试规范，为燃料电池电堆的批量生产提供有力地支撑。

 

2、燃料电池电堆测试台架硬件组成与控制原理

 

2.1、软、硬件组成

 

燃料电池电堆测试台架由氢气单元、空气单元、氮气单元、冷却水循环单元、自动补水系统、二次冷却水系统、直流电子负载系统、安全检测连锁报警系统、上位机及控制系统等部件组成。

 

2.2、氢气、空气单元

 

氢气单元和空气单元主要为燃料电池电堆测试提供满足测试需求（温度、压力和湿度等）的阳极氢气和阴极空气。氢气单元和空气单元主要由以下4 个部分组成，如图1 所示。

 

2.2.1、气体前后处理系统

 

气体前后处理系统由空气过滤器、减压阀和气水分离器组成。空气过滤器会自动对气体进行过滤并且自动收集排放滤出物，保证进堆气体气体洁净。减压阀由测试人员手动操作，用来控制气体进测试台压力。气水分离器将尾排气体与尾排液态水分离。

 

2.2.2、气体流量控制系统

 

由质量流量控制器来对气体流量进行精确控制，达到控制反应气流量的目的。

氢气流量如公式（1）所示。

 

空气流量的计算，如公式（2）所示。

 

式中：VH2—氢气流量。

 

VAir—空气流量。

 

图1 氢气单元和空气单元组成

F—法拉第常数。

 

I—电池电流。

 

n—电池节数。

 

λH2—氢气化学计量比。

 

λAir—空气化学计量比。

 

电流I 按极限电流550 计算；电池节数n 按最大400 计算；氢气化学计量比λH2按1.5 来计算；空气化学计量比λAir 按2 来计算。

 

VH2 =22.42×60×550÷（2×96485.33）×400×1.2

=1840.35slpm

 

VAir=22.42×60×550÷（4×96485.33）÷0.21×400×2

=7302.96slpm

 

尾排流量按照最大计量比来计算，氢气计量比1.2，反应1，尾排0.2，由此氢气尾排流量为最大流量的1/6；空气计量比2，反应1，尾排1，由此空气尾排流量为最大流量的1/2。

 

VH2 =2000×1/6=333.33slpm

 

VAir=7000×1/2=3500slpm

 

2.2.3、气体压力控制系统

 

由自动背压阀、减压阀和压力传感器组成。达到控制反应气压力的目的。气体先经过前处理系统中的减压阀降低到一定范围，再通过背压阀与压力传感器来实现电堆前或电堆后的压力控制。

 

2.2.4、气体增湿系统

 

由膜增湿器、气体平衡路、高水箱、加热水箱、板式换热器、离心泵、管路加热带、温度传感器以及压力传感器组成，达到控制反应气湿度的目的。

 

气体增湿主要通过膜增湿器的水气加湿模式来实现气体的增湿，通过控制增湿水温来控制气体出增湿器的露点温度来实现湿度的精确控制。板式换热器、加热水箱和温度传感器可以实现气体湿度的快速改变。管路加热带和温度传感器用于实现气体湿度的稳定性。气体平衡路和高水箱的作用是平衡膜增湿器水气两侧压力，提高增湿系统可靠性。

 

目前我们采用膜增湿方案面临的最主要问题就是气-水两侧压力平衡难以调节。如果采用水泵来调节压强，因为水侧压强调节较慢，会拖慢整个气体增湿系统的响应速度。这里我们可以从气体主干路分出一个旁路通入到循环增湿水路中，利用压力传递的原理来平衡膜增湿器内气-水两侧压强。

 

如图2 所示，我们从反应气主干路分出一个旁路通入高位水箱中。在高位水箱中气体存在于水面上的空腔中，气与水压力平衡，水将压力传递到增湿循环水路中，增湿循环水路中的水管及水箱中都充满去离子水，各处压强等于气体压强。因此可以达到膜增湿器当中气水两侧压强快速平衡的效果。设置上位水箱的意义在于多一重防护，防止气体进入水路中。

 

在实际应用过程中氢空两路的压强就分别用氢空两路自身干气来平衡。在开机运行时，先通气体，打开气路的气动角座阀与干气旁路的气动角座阀，气体压力通过水传递到膜增湿器水侧，使膜增湿器两侧压强平衡。再开启水泵为气体提供增湿水。在关机运行时先关闭水泵再关闭气体阀门，这样就可以做到压强实时平衡。这里还可以通过气水进膜增湿器前的压力传感器来检测两路压力，通过调节离心泵转速来对压力进行微调，如图2 所示。

 

计算最大增湿所需水量时，需要知道最大用气量和气体最大含湿量，我们已经知道了测试台的最大用气量，而气体含湿量，如公式（3）所示。

 

式中：d—气体含湿量。

 

mv—水蒸气质量。

 

nv—水蒸气物质的量。

 

Mv—水蒸气摩尔质量。

 

mg—干气质量。

 

ng—干气物质的量。

 

Mg—干气摩尔质量。

 

再由分压定律可得公式（4）。

 

式中：p—气体总压力。

 

pv—水蒸气分压。

 

pg—干气分压。

 

其中水蒸气分压可由饱和蒸汽压与相对湿度来表示，如公式（5）所示。

 

式中：ps —饱和蒸汽压。

 

—相对湿度。

 

默认进口为干气，则增湿后气体含水量可以完全视作增湿耗水量，所以耗水量可以用公式（6）表示。

 

图2 增湿方案图

为求耗水量，取气体压力30 kPa（表压），相对湿度取60%，饱和蒸汽压为70 ℃下的ps=31.176kPa，mg 取氢空两侧最大流量下的质量流量。

由公式（7）

 

式中：ρ—密度。

 

Q —体积流量。

 

得

 

mg（H2）=0.0899kg/m3×2m3/min=0.18kg/min

 

mg（AIR）=1.293kg/m3×7m3/min=9.051kg/min

 

mv（H2）=18/2×31.176kPa×0.6÷（130-31.176×0.6）kPa×0.18kg/min =0.27kg/min

 

mv（AIR）=18/29×31.176kPa×0.6÷（130-31.176×0.6）kPa×9.05kg/min =0.95kg/min

 

mv=18/2×31.176kPa×0.6÷（130-31.176×0.6）kPa×0.18kg/min+18/29×31.176kPa×0.6÷（130-31.176×0.6）kPa×9.05kg/min=1.22kg/min

 

再由水90 ℃下密度为0.965 kg/L，可得总耗水量VH2O为1.26 L/min，氢气侧耗水量为0.28 L/min，空气耗水量为0.98 L/min。

 

2.3、氮气单元

 

氮气单元主要作用是在测试前后，吹扫燃料电池电堆内的气体，起到安全保护作用。氮气经过过滤器和减压阀后直接进入进堆前的氢气空气管道。

 

氮气单元是由过滤器、减压阀、气动角座阀、压力传感器、吹扫标尺和泄漏仪等组成的，根据控制功能情况可以划分成氮气回吹量控制系统、氮气泄漏量控制系统。其特征在于氮气输入管道后，通过压力传感器实时监控管道的输入压力，通过过滤器后消除氮气中的杂质，在减压阀的作用下精确控制氮气管路压力。第一路通过减压阀、球阀、泄漏仪与燃料电池连接，可快速检查出燃料电池的泄露情况。第二路通过减压阀、压力传感器、气动角座阀和吹扫标尺与燃料电池连接，可以快速吹回相关测试气体。

 

氮气回吹量控制系统由压力传感器、过滤器、减压阀和吹扫标尺等组成。在测试过程中将燃料电池内的气体吹回，吹扫标尺记录相关数据来控制回吹程度，确保管路的安全性。

 

氮气泄漏量控制系统由压力传感器、过滤器、减压阀、压力表和泄漏仪等组成。在控制系统的作用下，通过输入氮气的压力，在燃料电池内部保压一定时间后，从泄漏仪中反馈出测试的泄漏量。

 

2.4、冷却水循环单元

 

在电堆运行过程中，其热量排出方式有循环冷却水带出热量、反应气体带出热量、电堆对外辐射散热，其中电堆产生的热量90%都由循环冷却水带出。

 

冷却水单元由离心泵、加热水箱、板式换热器、比例调节阀、高水箱、温度传感器以及压力传感器组成。达到吸收电堆运行产生的热量，控制电堆运行温度，快速切换电堆运行温度的目的。

 

高水箱可以实现对水位的控制，保证冷却循环水单元和电堆中可以充满水，并且可以实现在水位过低时自动补水的功能。加热水箱可以实现快速达到在初始温度和低功率下维持电堆温度的功能。板式换热器加比例调节阀可以达到迅速切换冷却水温，改变电堆运行温度的作用。

 

我们在计算冷却水量时，可以等效成所有热量都由循环冷却带出来进行计算。循环冷却水量与电堆的散热功率以及循环水进出堆温差有关，如公式（8）所示。

 

式中：——水的密度。

 

——水的比热容。

 

ΔT——冷却水进出电堆温差。

 

P——最大发热功率。

 

VH2O——冷却水量。

 

按满功率80 kW 计算，电堆的发电效率一般在40%～60%，所以其最大发热功率按120 kW 进行计算。冷却水进出电堆控制在5℃～10 ℃进行计算。

 

另外，循环冷却水的散热是通过板式换热器与外部二次水进行热交换，这里我们可以认为二次水的进出换热器温度差为5 ℃～10 ℃，带走的热量为120 kW，计算得到的二次水流量同循环冷却水流量。

 

2.5、自动补水单元

 

自动补水单元连接冷却循环水单元、氢气单元和空气单元。结合循环冷却水高水箱液位传感器、氢气增湿高水箱液位传感器和空气增湿高水箱液位传感器，可以实现缺水时自动补水功能。

 

2.6、 二次冷却水单元

 

二次冷却水管路连接冷却循环水板式换热器、氢气增湿板式换热器、空气增湿板式换热器。可以实现冷却循环水、氢气增湿水、空气增湿水温度的快速降低。

 

2.7、直流电子负载系统

 

直流电子负载系统用于燃料电池电堆的电流、电压及功率的测量以及电堆产生能量的消耗。

 

电子负载系统通过以太网与测控系统通信，可通过测控系统软件设置功率、电流、电压及工作模式，并读取电流、电压数据。

 

2.8、安全检测连锁报警系统

 

安全检测连锁报警系统包括氢气泄露超量报警、超温、超压、欠压、电子负载不稳以及供电电源不稳等。保护措施是带锁启动，所有回路闭环控制，系统紧急制动。电子负载系统通过以太网与测控系统通讯，可通过测控系统软件设置功率、电流、电压及工作模式，并读取电流、电压数据。

 

2.9、上位机及控制系统

 

上位机及控制系统是整个测试台架的核心，主要包括上位机系统和PLC 控制系统。控制着整个台架自检、预启动、启动、启动完成、变载、停车、吹扫和关机8 个运行状态，如图3 所示。

 

图3 运行状态图

上位机系统配备NI 的多串口接口板（8 路RS232/RS485接口），分别与电子负载、PLC 控制系统、温控器、质量流量传感器以及自动背压控阀等通讯控制。配备NI 的单口CAN接口板与多达5 块的单电池检测系统通信。通过上位机软件界面可实现氢燃料电池堆测试的各种操作、数据采集、测试曲线显示、测试数据存储、运行状态的显示以及测试结果的智能判定等。

 

PLC 控制系统采用西门子S7 300 系列PLC，数字量输入输出模块控制各个分布继电器输出、气动阀、电池阀动作、加热器开闭、按钮控制、按钮灯以及警示灯显示。模拟量输入模块采集各个部位相关压力和温度。

 

3、结论

 

随着燃料电池汽车技术的不断发展和燃料电池汽车的逐步普及，燃料电池汽车的安全与性能要求都会随之不断提升，燃料电池作为燃料电池汽车的核心零部件，其质量与性能直接影响燃料电池汽车的安全与性能，因此只要准确把握燃料电池测试台架与测试技术在实际应用中的难点和关键点，提高质量检测指标的准确性和稳定性，燃料电池测试技术在燃料电池装配质量与性能控制中必将具有广泛的应用前景。

 

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