燃料電池電堆測試臺架技術研究

2022-11-28 來源：汽車燃料電池之家 瀏覽數：780

該文介紹了氫燃料電池的發展前景和氫燃料電池電堆測試臺架在電堆生產過程中的重要性，論述了氫燃料電池電堆測試臺架各部件的組成與控制原理，闡述了燃料電池電堆測試臺架氫氣與流量的計算以及壓力平衡式膜增濕方法的原理與用水量計算，說明了燃料電池電堆測試臺架測控系統的硬件組成及測控流程、測控方法。

 摘 要

 

該文介紹了氫燃料電池的發展前景和氫燃料電池電堆測試臺架在電堆生產過程中的重要性，論述了氫燃料電池電堆測試臺架各部件的組成與控制原理，闡述了燃料電池電堆測試臺架氫氣與流量的計算以及壓力平衡式膜增濕方法的原理與用水量計算，說明了燃料電池電堆測試臺架測控系統的硬件組成及測控流程、測控方法。

 

前 言

 

汽車產業是世界主要工業國家的主要產業，是衡量一個國家綜合實力和發達程度的重要標志。隨著全世界汽車保有量的日益增多，能源緊缺和環境污染問題愈發凸顯，已經成為人類生存和發展面臨的兩大挑戰。尋找和發展新的汽車清潔能源，將對全球汽車和能源產業格局以及社會經濟發展產生深遠的影響。氫能和燃料電池技術是世界能源轉型和動力轉型的重大戰略方向。燃料電池汽車具有環保性能佳、轉化效率高、加注時間短以及續航里程長等優勢，是未來汽車工業可持續化發展的重要方向，是應對全球能源短缺和環境污染的重要戰略舉措。發展燃料電池汽車已成為全球汽車與能源產業轉型升級的重要突破口。

 

1、燃料電池電堆測試臺架的重要性

 

隨著燃料電池汽車需求的不斷增加，燃料電池系統的產業化需求會越來越強烈。電堆作為燃料電池系統的核心部件之一，電堆的性能是燃料電池系統乃至整車性能的決定因素，電堆測試臺架是檢測電堆性能和質量的有力保障。面向燃料電池電堆產業化需求，我們應該開展燃料電池電堆的標準化、集約化的在線檢測技術、快速檢驗技術及測試設備開發，制定標準化評價方法及測試規范，為燃料電池電堆的批量生產提供有力地支撐。

 

2、燃料電池電堆測試臺架硬件組成與控制原理

 

2.1、軟、硬件組成

 

燃料電池電堆測試臺架由氫氣單元、空氣單元、氮氣單元、冷卻水循環單元、自動補水系統、二次冷卻水系統、直流電子負載系統、安全檢測連鎖報警系統、上位機及控制系統等部件組成。

 

2.2、氫氣、空氣單元

 

氫氣單元和空氣單元主要為燃料電池電堆測試提供滿足測試需求（溫度、壓力和濕度等）的陽極氫氣和陰極空氣。氫氣單元和空氣單元主要由以下4 個部分組成，如圖1 所示。

 

2.2.1、氣體前后處理系統

 

氣體前后處理系統由空氣過濾器、減壓閥和氣水分離器組成。空氣過濾器會自動對氣體進行過濾并且自動收集排放濾出物，保證進堆氣體氣體潔凈。減壓閥由測試人員手動操作，用來控制氣體進測試臺壓力。氣水分離器將尾排氣體與尾排液態水分離。

 

2.2.2、氣體流量控制系統

 

由質量流量控制器來對氣體流量進行精確控制，達到控制反應氣流量的目的。

氫氣流量如公式（1）所示。

 

空氣流量的計算，如公式（2）所示。

 

式中：VH2—氫氣流量。

 

VAir—空氣流量。

 

圖1 氫氣單元和空氣單元組成

F—法拉第常數。

 

I—電池電流。

 

n—電池節數。

 

λH2—氫氣化學計量比。

 

λAir—空氣化學計量比。

 

電流I 按極限電流550 計算；電池節數n 按最大400 計算；氫氣化學計量比λH2按1.5 來計算；空氣化學計量比λAir 按2 來計算。

 

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

 

尾排流量按照最大計量比來計算，氫氣計量比1.2，反應1，尾排0.2，由此氫氣尾排流量為最大流量的1/6；空氣計量比2，反應1，尾排1，由此空氣尾排流量為最大流量的1/2。

 

VH2 =2000×1/6=333.33slpm

 

VAir=7000×1/2=3500slpm

 

2.2.3、氣體壓力控制系統

 

由自動背壓閥、減壓閥和壓力傳感器組成。達到控制反應氣壓力的目的。氣體先經過前處理系統中的減壓閥降低到一定范圍，再通過背壓閥與壓力傳感器來實現電堆前或電堆后的壓力控制。

 

2.2.4、氣體增濕系統

 

由膜增濕器、氣體平衡路、高水箱、加熱水箱、板式換熱器、離心泵、管路加熱帶、溫度傳感器以及壓力傳感器組成，達到控制反應氣濕度的目的。

 

氣體增濕主要通過膜增濕器的水氣加濕模式來實現氣體的增濕，通過控制增濕水溫來控制氣體出增濕器的露點溫度來實現濕度的精確控制。板式換熱器、加熱水箱和溫度傳感器可以實現氣體濕度的快速改變。管路加熱帶和溫度傳感器用于實現氣體濕度的穩定性。氣體平衡路和高水箱的作用是平衡膜增濕器水氣兩側壓力，提高增濕系統可靠性。

 

目前我們采用膜增濕方案面臨的最主要問題就是氣-水兩側壓力平衡難以調節。如果采用水泵來調節壓強，因為水側壓強調節較慢，會拖慢整個氣體增濕系統的響應速度。這里我們可以從氣體主干路分出一個旁路通入到循環增濕水路中，利用壓力傳遞的原理來平衡膜增濕器內氣-水兩側壓強。

 

如圖2 所示，我們從反應氣主干路分出一個旁路通入高位水箱中。在高位水箱中氣體存在于水面上的空腔中，氣與水壓力平衡，水將壓力傳遞到增濕循環水路中，增濕循環水路中的水管及水箱中都充滿去離子水，各處壓強等于氣體壓強。因此可以達到膜增濕器當中氣水兩側壓強快速平衡的效果。設置上位水箱的意義在于多一重防護，防止氣體進入水路中。

 

在實際應用過程中氫空兩路的壓強就分別用氫空兩路自身干氣來平衡。在開機運行時，先通氣體，打開氣路的氣動角座閥與干氣旁路的氣動角座閥，氣體壓力通過水傳遞到膜增濕器水側，使膜增濕器兩側壓強平衡。再開啟水泵為氣體提供增濕水。在關機運行時先關閉水泵再關閉氣體閥門，這樣就可以做到壓強實時平衡。這里還可以通過氣水進膜增濕器前的壓力傳感器來檢測兩路壓力，通過調節離心泵轉速來對壓力進行微調，如圖2 所示。

 

計算最大增濕所需水量時，需要知道最大用氣量和氣體最大含濕量，我們已經知道了測試臺的最大用氣量，而氣體含濕量，如公式（3）所示。

 

式中：d—氣體含濕量。

 

mv—水蒸氣質量。

 

nv—水蒸氣物質的量。

 

Mv—水蒸氣摩爾質量。

 

mg—干氣質量。

 

ng—干氣物質的量。

 

Mg—干氣摩爾質量。

 

再由分壓定律可得公式（4）。

 

式中：p—氣體總壓力。

 

pv—水蒸氣分壓。

 

pg—干氣分壓。

 

其中水蒸氣分壓可由飽和蒸汽壓與相對濕度來表示，如公式（5）所示。

 

式中：ps —飽和蒸汽壓。

 

—相對濕度。

 

默認進口為干氣，則增濕后氣體含水量可以完全視作增濕耗水量，所以耗水量可以用公式（6）表示。

 

圖2 增濕方案圖

為求耗水量，取氣體壓力30 kPa（表壓），相對濕度取60%，飽和蒸汽壓為70 ℃下的ps=31.176kPa，mg 取氫空兩側最大流量下的質量流量。

由公式（7）

 

式中：ρ—密度。

 

Q —體積流量。

 

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 ℃下密度為0.965 kg/L，可得總耗水量VH2O為1.26 L/min，氫氣側耗水量為0.28 L/min，空氣耗水量為0.98 L/min。

 

2.3、氮氣單元

 

氮氣單元主要作用是在測試前后，吹掃燃料電池電堆內的氣體，起到安全保護作用。氮氣經過過濾器和減壓閥后直接進入進堆前的氫氣空氣管道。

 

氮氣單元是由過濾器、減壓閥、氣動角座閥、壓力傳感器、吹掃標尺和泄漏儀等組成的，根據控制功能情況可以劃分成氮氣回吹量控制系統、氮氣泄漏量控制系統。其特征在于氮氣輸入管道后，通過壓力傳感器實時監控管道的輸入壓力，通過過濾器后消除氮氣中的雜質，在減壓閥的作用下精確控制氮氣管路壓力。第一路通過減壓閥、球閥、泄漏儀與燃料電池連接，可快速檢查出燃料電池的泄露情況。第二路通過減壓閥、壓力傳感器、氣動角座閥和吹掃標尺與燃料電池連接，可以快速吹回相關測試氣體。

 

氮氣回吹量控制系統由壓力傳感器、過濾器、減壓閥和吹掃標尺等組成。在測試過程中將燃料電池內的氣體吹回，吹掃標尺記錄相關數據來控制回吹程度，確保管路的安全性。

 

氮氣泄漏量控制系統由壓力傳感器、過濾器、減壓閥、壓力表和泄漏儀等組成。在控制系統的作用下，通過輸入氮氣的壓力，在燃料電池內部保壓一定時間后，從泄漏儀中反饋出測試的泄漏量。

 

2.4、冷卻水循環單元

 

在電堆運行過程中，其熱量排出方式有循環冷卻水帶出熱量、反應氣體帶出熱量、電堆對外輻射散熱，其中電堆產生的熱量90%都由循環冷卻水帶出。

 

冷卻水單元由離心泵、加熱水箱、板式換熱器、比例調節閥、高水箱、溫度傳感器以及壓力傳感器組成。達到吸收電堆運行產生的熱量，控制電堆運行溫度，快速切換電堆運行溫度的目的。

 

高水箱可以實現對水位的控制，保證冷卻循環水單元和電堆中可以充滿水，并且可以實現在水位過低時自動補水的功能。加熱水箱可以實現快速達到在初始溫度和低功率下維持電堆溫度的功能。板式換熱器加比例調節閥可以達到迅速切換冷卻水溫，改變電堆運行溫度的作用。

 

我們在計算冷卻水量時，可以等效成所有熱量都由循環冷卻帶出來進行計算。循環冷卻水量與電堆的散熱功率以及循環水進出堆溫差有關，如公式（8）所示。

 

式中：——水的密度。

 

——水的比熱容。

 

ΔT——冷卻水進出電堆溫差。

 

P——最大發熱功率。

 

VH2O——冷卻水量。

 

按滿功率80 kW 計算，電堆的發電效率一般在40%～60%，所以其最大發熱功率按120 kW 進行計算。冷卻水進出電堆控制在5℃～10 ℃進行計算。

 

另外，循環冷卻水的散熱是通過板式換熱器與外部二次水進行熱交換，這里我們可以認為二次水的進出換熱器溫度差為5 ℃～10 ℃，帶走的熱量為120 kW，計算得到的二次水流量同循環冷卻水流量。

 

2.5、自動補水單元

 

自動補水單元連接冷卻循環水單元、氫氣單元和空氣單元。結合循環冷卻水高水箱液位傳感器、氫氣增濕高水箱液位傳感器和空氣增濕高水箱液位傳感器，可以實現缺水時自動補水功能。

 

2.6、 二次冷卻水單元

 

二次冷卻水管路連接冷卻循環水板式換熱器、氫氣增濕板式換熱器、空氣增濕板式換熱器。可以實現冷卻循環水、氫氣增濕水、空氣增濕水溫度的快速降低。

 

2.7、直流電子負載系統

 

直流電子負載系統用于燃料電池電堆的電流、電壓及功率的測量以及電堆產生能量的消耗。

 

電子負載系統通過以太網與測控系統通信，可通過測控系統軟件設置功率、電流、電壓及工作模式，并讀取電流、電壓數據。

 

2.8、安全檢測連鎖報警系統

 

安全檢測連鎖報警系統包括氫氣泄露超量報警、超溫、超壓、欠壓、電子負載不穩以及供電電源不穩等。保護措施是帶鎖啟動，所有回路閉環控制，系統緊急制動。電子負載系統通過以太網與測控系統通訊，可通過測控系統軟件設置功率、電流、電壓及工作模式，并讀取電流、電壓數據。

 

2.9、上位機及控制系統

 

上位機及控制系統是整個測試臺架的核心，主要包括上位機系統和PLC 控制系統。控制著整個臺架自檢、預啟動、啟動、啟動完成、變載、停車、吹掃和關機8 個運行狀態，如圖3 所示。

 

圖3 運行狀態圖

上位機系統配備NI 的多串口接口板（8 路RS232/RS485接口），分別與電子負載、PLC 控制系統、溫控器、質量流量傳感器以及自動背壓控閥等通訊控制。配備NI 的單口CAN接口板與多達5 塊的單電池檢測系統通信。通過上位機軟件界面可實現氫燃料電池堆測試的各種操作、數據采集、測試曲線顯示、測試數據存儲、運行狀態的顯示以及測試結果的智能判定等。

 

PLC 控制系統采用西門子S7 300 系列PLC，數字量輸入輸出模塊控制各個分布繼電器輸出、氣動閥、電池閥動作、加熱器開閉、按鈕控制、按鈕燈以及警示燈顯示。模擬量輸入模塊采集各個部位相關壓力和溫度。

 

3、結論

 

隨著燃料電池汽車技術的不斷發展和燃料電池汽車的逐步普及，燃料電池汽車的安全與性能要求都會隨之不斷提升，燃料電池作為燃料電池汽車的核心零部件，其質量與性能直接影響燃料電池汽車的安全與性能，因此只要準確把握燃料電池測試臺架與測試技術在實際應用中的難點和關鍵點，提高質量檢測指標的準確性和穩定性，燃料電池測試技術在燃料電池裝配質量與性能控制中必將具有廣泛的應用前景。

 

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