一種多功能燃料電池堆實驗臺的研發*

方 川，黃海燕，徐梁飛，李建秋，洪 坡，江宏亮，趙興旺，胡尊嚴

（清華大學汽車工程系，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084）

前言

質子交換膜燃料電池具有高效、清潔和無噪聲等優點，是未來汽車動力能源的技術制高點，也是國內外高校、科研機構和跨國企業的研究熱點。在燃料電池發動機的研發和開發應用等各個環節中，燃料電池堆測試平臺的技術水平起著至關重要的作用。然而市場現有的測試臺架僅能滿足簡單的電堆或單片性能測試，適用于燃料電池堆設計評價，但無法滿足對車用工況下燃料電池性能研究的需要，也無法模擬新型燃料電池發動機系統。

為了研發具有國內領先、趕超世界先進水平的長壽命、高可靠性燃料電池系統，急需具有與之相匹配的研發測試平臺，為此，作者研發了用于深入研究車用燃料電池堆特性和系統控制的多功能燃料電池堆測試平臺。經過幾輪設計、改進和試用，目前該平臺已能對燃料電池堆內部溫度、壓力、濕度和電流密度等性能參數進行有效測試。

1 多功能燃料電池堆測試平臺

圖1 多功能燃料電池堆測試平臺［1］

1.1 系統結構

所設計的多功能燃料電池測試平臺主要由燃料電池堆供氣系統與增濕系統、冷卻系統、電氣系統和監控系統等部分組成，其系統結構如圖1所示［1］。

（1）供氣系統和增濕系統 燃料電池堆工作所需的高壓空氣由實驗室空氣壓縮機提供，測試用氫氣由防爆氫房內的高壓氫氣瓶提供，吹掃用的氮氣由外置氮氣瓶提供。其中，為了解決實驗過程中空氣供給過程中壓力波動較大，導致空氣流量控制不準的問題，通過對實測壓力波動進行系統頻譜分析，設計了相應的穩壓罐和穩壓閥，解決了供氣壓力波動問題。為保障氫氣使用安全，實驗室安裝了氫氣監測系統，實現了氫氣泄露時自動強制排風和切斷氫氣供給的安全功能。該測試平臺配有陰極膜增濕器和陽極鼓泡增濕器，可分別選擇空氣和氫氣進氣是否增濕和靈活設置增濕水溫，滿足不同實驗研究的要求［2］。

（2）冷卻系統 針對燃料電池冷卻系統時間常數較大的特點，設計了基于模型預測的水溫控制算法，成功地實現了將冷卻系統水溫的波動控制在±1℃范圍的目標。該方法已應用于燃料電池客車的冷卻系統控制中。為了研究燃料電池發動機冷起動問題，測試系統中集成了工業冷水機，可為燃料電池堆提供溫度為-25℃的冷卻液，為在系統層面研究燃料電池冷起動過程提供了實驗條件。

（3）電氣系統 在電氣系統方面進行了柔性設計，即：電堆電子負載可選用商用直流電子負載，滿足正常研究測試需求；也可選用電化學工作站，以測量燃料電池堆內的交流阻抗，用于開展燃料電池水管理方面的研究。在此基礎上，集成了車用燃料電池專用單片電壓巡檢裝置，通過車用CAN總線技術實現了數據融合。

（4）監控系統 一方面當下所關注的燃料電池壽命問題中的重要研究課題是：燃料電池堆內部工作機理的研究，這需要獲得眾多相關測量參數；另一方面為實時準確獲得所有所需參數，還須解決電磁干擾，如弱電與強電之間的干擾等問題。為此，對監控系統進行了優化設計，基于Labview軟件平臺和CAN總線網絡通信技術，將測試監控界面、系統控制、狀態監測、數據采集和數據儲存有效地融為一體。運用車用CAN總線技術實現了各傳感器、執行器和監控軟件的實時通信，通信速率為250 kbps／500 kbps，CAN網絡拓撲如圖2所示。利用網絡化分布式控制技術，避免了電磁干擾和采樣延時等問題，為實驗的順利進行提供了有力保障。

1.2 系統功能

（1）多物理量信號全工況同步測量

該燃料電池堆測試平臺實現了車用燃料電池堆測試過程中多個參數的實時精確測量，通過對各測量點傳感器的有效布置和軟硬件設計，實現了車用燃料電池動態測試過程中空氣回路、氫氣回路和冷卻液回路中多個關鍵點的溫度、濕度、氣體（空氣、氫氣）流量、氣體濃度（空氣、氫氣、水蒸氣、氮氣）和電壓、電流、阻抗等參數的實時精確測量，以滿足研究電堆內部機理所需參數測量的要求。

此外，通過控制氫氣、空氣和冷卻回路的流量、壓力、濕度等物理量，可實現燃料電池電堆在不同過量空氣系數、過量氫氣系數、壓力、濕度和電堆溫度等條件下工作［3］。與商業化的設備相比，電堆工作條件覆蓋范圍更廣、可測物理量更全，且具備二次開發條件，為深入研究燃料電池堆機理方面提供了有效測試手段。

圖2 網絡化通信和數據融合系統

圖3 燃料電池雙循環實驗系統示意圖

（2）雙循環工作模式

為深入研究影響燃料電池堆壽命的因素，如電堆內的濕度、氫氣濃度分布是否均勻等問題，在該平臺上研發了燃料電池堆的陰極和陽極再循環裝置，其系統原理如圖3所示［4-5］。

雙循環裝置主要優點：可利用排氣中的水實現內部自增濕，這樣可省去額外的增濕裝置［6］；氫氣再循環可提高氫氣利用率，改善陽極內部氫氣濃度分布均勻性，避免局部氫氣缺乏；陰極再循環可實現氧氣濃度閉環控制，進而實現小負載下的電壓鉗位控制，避免長時間處于高電位下工作造成電堆壽命衰減［7］。

通過臺架上的雙循環系統，進行了基于雙循環的某燃料電池系統電壓鉗位和自增濕的研究，通過實驗測試證實了該新型燃料電池系統設計的合理性。同時為雙循環系統的控制方法研究提供了有效的實驗平臺，為在實際車用燃料電池發動機上應用雙循環系統提供了有效實驗數據支持。

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1.3 系統主要技術指標

多功能燃料電池堆測試平臺主要技術指標如表1所示。

表1 多功能燃料電池堆測試平臺主要技術指標

2 實驗驗證

在研發的測試平臺上進行了質子交換膜燃料電池的雙循環功能探究與驗證實驗。實驗使用商用大面積10 kW燃料電池電堆，陰極和陽極均使用未經增濕的供氣條件，利用雙循環系統進行尾氣再循環，探究其自增濕和電壓鉗位的功能。

2.1 基于雙循環的電壓鉗位實驗

為進一步驗證該臺架功能，以較低的實驗成本進行實驗，且能覆蓋盡可能多的實驗工況，采用正交實驗設計的方法，按照4因素、3水平正交表進行電壓鉗位實驗，實驗條件如表2所示，測試過程中燃料電池堆的陰極和陽極均采用再循環的工作方式。

表2 電壓鉗位控制實驗條件表

正交實驗表如表3所示。

表3 電壓鉗位控制實驗正交實驗表

表4 各參數對燃料電池電壓鉗位效果影響

實驗的輸出指標為單片電壓、陰極入口的相對濕度、高頻阻抗、陰極出入口的氧氣摩爾比例和陰極氧氣濃度差異，結果如表4所示。從表中可看出，燃料電池堆各參數對上述4個變量的靈敏度有明顯差異。如，單片電壓對燃料電池電流密度要更加敏感，而對空氣循環泵轉速和增濕水溫度則較不敏感，燃料電池單片流道內氧氣濃度明顯對新鮮過量空氣系數更加敏感，而單片高頻阻抗對陰極增濕水溫度則非常敏感，表明質子交換膜含水量直接影響高頻阻抗值。

2.2 基于雙循環的自增濕實驗

基于雙循環自增濕效果實驗，采用了與電壓鉗位功能驗證相同的正交實驗方法，研究4個變量對燃料電池堆自增濕效果的影響程度。

圖4 雙循環自增濕效果實驗結果

各變量對自增濕效果的影響如表5所示。從表中可看到4個變量對燃料電池各參數的影響有明顯差異。如，提高陰極增濕水溫度能提高陰極入口空氣相對濕度，從而顯著改善燃料電池單片電壓；同樣，燃料電池進氣濕度增加，能增加質子交換膜內含水量，減小膜內質子傳導阻抗，促進燃料電池單片電壓增加。

表5 各變量對自增濕效果的影響

3 結論

針對新型燃料電池發動機系統的實驗要求，設計研發了帶有陰極和陽極再循環系統的多功能燃料電池實驗臺。雙循環系統不僅實現了流量、壓強、溫度的解耦控制，也為研究改善燃料電池堆工作過程中的水管理和電壓控制提供了良好的實驗研究平臺。針對該測試平臺多節點控制和數據傳輸易受干擾的問題，對各信號采集方式進行了優化，實現了車用燃料電池堆測試過程中多個參數的實時精確測量，解決了眾多不同類型參數（氣 水 熱 電）不易實時測量、精度不易保證的問題。監控系統軟件的研發，滿足了對測試平臺的各個部件實時控制的要求，保證各節點的實時通信，實現了數據的自動采集和保存。通過運用車用CAN總線通信技術，集成了嵌入式控制器，實現了網絡化通信和數據融合，既保證了實驗過程中實驗人員對系統的靈活控制，又提供了便捷可靠的操作平臺。

基于該實驗臺對燃料電池陰極再循環方案進行了研究，結果表明，陰極再循環能通過對氧氣分壓的控制實現燃料電池的電壓鉗位，以緩解怠速高電位對燃料電池耐久性的影響。此外，陰極再循環使燃料電池進氣濕度增加，改善膜的含水狀態，實現燃料電池自增濕，該方案能進一步應用于車用燃料電池系統，取消外部增濕器，提高系統集成度和環境適應性，改善電堆工作條件。