燃料電池電堆測(cè)試臺(tái)架技術(shù)研究

武雷雷 錢霞美

（上海華依科技集團(tuán)股份有限公司，上海 201202）

0 前言

汽車產(chǎn)業(yè)是世界主要工業(yè)國(guó)家的主要產(chǎn)業(yè)，是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力和發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。隨著全世界汽車保有量的日益增多，能源緊缺和環(huán)境污染問題愈發(fā)凸顯，已經(jīng)成為人類生存和發(fā)展面臨的兩大挑戰(zhàn)。尋找和發(fā)展新的汽車清潔能源，將對(duì)全球汽車和能源產(chǎn)業(yè)格局以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。氫能和燃料電池技術(shù)是世界能源轉(zhuǎn)型和動(dòng)力轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略方向。燃料電池汽車具有環(huán)保性能佳、轉(zhuǎn)化效率高、加注時(shí)間短以及續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[1]，是未來汽車工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要方向，是應(yīng)對(duì)全球能源短缺和環(huán)境污染的重要戰(zhàn)略舉措。發(fā)展燃料電池汽車已成為全球汽車與能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要突破口。

1 燃料電池電堆測(cè)試臺(tái)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(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化需求會(huì)越來越強(qiáng)烈。電堆作為燃料電池系統(tǒng)的核心部件之一，電堆的性能是燃料電池系統(tǒng)乃至整車性能的決定因素，電堆測(cè)試臺(tái)架是檢測(cè)電堆性能和質(zhì)量的有力保障。面向燃料電池電堆產(chǎn)業(yè)化需求，我們應(yīng)該開展燃料電池電堆的標(biāo)準(zhǔn)化、集約化的在線檢測(cè)技術(shù)、快速檢驗(yàn)技術(shù)及測(cè)試設(shè)備開發(fā)，制定標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)方法及測(cè)試規(guī)范，為燃料電池電堆的批量生產(chǎn)提供有力地支撐。

2 燃料電池電堆測(cè)試臺(tái)架硬件組成與控制原理

2.1 軟、硬件組成

燃料電池電堆測(cè)試臺(tái)架由氫氣單元、空氣單元、氮?dú)鈫卧⒗鋮s水循環(huán)單元、自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、二次冷卻水系統(tǒng)、直流電子負(fù)載系統(tǒng)、安全檢測(cè)連鎖報(bào)警系統(tǒng)、上位機(jī)及控制系統(tǒng)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(cè)試提供滿足測(cè)試需求（溫度、壓力和濕度等）的陽(yáng)極氫氣和陰極空氣。氫氣單元和空氣單元主要由以下4 個(gè)部分組成，如圖1 所示。

2.2.1 氣體前后處理系統(tǒng)

氣體前后處理系統(tǒng)由空氣過濾器、減壓閥和氣水分離器組成。空氣過濾器會(huì)自動(dòng)對(duì)氣體進(jìn)行過濾并且自動(dòng)收集排放濾出物，保證進(jìn)堆氣體氣體潔凈。減壓閥由測(cè)試人員手動(dòng)操作，用來控制氣體進(jìn)測(cè)試臺(tái)壓力。氣水分離器將尾排氣體與尾排液態(tài)水分離。

2.2.2 氣體流量控制系統(tǒng)

由質(zhì)量流量控制器來對(duì)氣體流量進(jìn)行精確控制，達(dá)到控制反應(yīng)氣流量的目的。

氫氣流量如公式（1）所示。

空氣流量的計(jì)算，如公式（2）所示。

式中：VH2—?dú)錃饬髁俊?/p>

VAir—空氣流量。

圖1 氫氣單元和空氣單元組成

F—法拉第常數(shù)。

I—電池電流。

n—電池節(jié)數(shù)。

λH2—?dú)錃饣瘜W(xué)計(jì)量比。

λAir—空氣化學(xué)計(jì)量比。

電流I按極限電流550 計(jì)算；電池節(jié)數(shù)n按最大400 計(jì)算；氫氣化學(xué)計(jì)量比λH2按1.5 來計(jì)算；空氣化學(xué)計(jì)量比λAir按2 來計(jì)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(jì)量比來計(jì)算，氫氣計(jì)量比1.2，反應(yīng)1，尾排0.2，由此氫氣尾排流量為最大流量的1/6；空氣計(jì)量比2，反應(yīng)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(tǒng)

由自動(dòng)背壓閥、減壓閥和壓力傳感器組成。達(dá)到控制反應(yīng)氣壓力的目的。氣體先經(jīng)過前處理系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)電堆前或電堆后的壓力控制。

2.2.4 氣體增濕系統(tǒng)

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(dá)到控制反應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(diǎn)溫度來實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)氣體濕度的快速改變。管路加熱帶和溫度傳感器用于實(shí)現(xiàn)氣體濕度的穩(wěn)定性[2]。氣體平衡路和高水箱的作用是平衡膜增濕器水氣兩側(cè)壓力，提高增濕系統(tǒng)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(cè)壓力平衡難以調(diào)節(jié)。如果采用水泵來調(diào)節(jié)壓強(qiáng)，因?yàn)樗畟?cè)壓強(qiáng)調(diào)節(jié)較慢，會(huì)拖慢整個(gè)氣體增濕系統(tǒng)的響應(yīng)速度。這里我們可以從氣體主干路分出一個(gè)旁路通入到循環(huán)增濕水路中，利用壓力傳遞的原理來平衡膜增濕器內(nèi)氣-水兩側(cè)壓強(qiáng)。

如圖2 所示，我們從反應(yīng)氣主干路分出一個(gè)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(huán)水路中，增濕循環(huán)水路中的水管及水箱中都充滿去離子水，各處壓強(qiáng)等于氣體壓強(qiáng)。因此可以達(dá)到膜增濕器當(dāng)中氣水兩側(cè)壓強(qiáng)快速平衡的效果。設(shè)置上位水箱的意義在于多一重防護(hù)，防止氣體進(jìn)入水路中。

在實(shí)際應(yīng)用過程中氫空兩路的壓強(qiáng)就分別用氫空兩路自身干氣來平衡。在開機(jī)運(yùn)行時(shí)，先通氣體，打開氣路的氣動(dòng)角座閥與干氣旁路的氣動(dòng)角座閥，氣體壓力通過水傳遞到膜增濕器水側(cè)，使膜增濕器兩側(cè)壓強(qiáng)平衡。再開啟水泵為氣體提供增濕水。在關(guān)機(jī)運(yùn)行時(shí)先關(guān)閉水泵再關(guān)閉氣體閥門，這樣就可以做到壓強(qiáng)實(shí)時(shí)平衡。這里還可以通過氣水進(jìn)膜增濕器前的壓力傳感器來檢測(cè)兩路壓力，通過調(diào)節(jié)離心泵轉(zhuǎn)速來對(duì)壓力進(jìn)行微調(diào)，如圖2 所示。

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

式中：d—?dú)怏w含濕量。

mv—水蒸氣質(zhì)量。

nv—水蒸氣物質(zhì)的量。

Mv—水蒸氣摩爾質(zhì)量。

mg—干氣質(zhì)量。

ng—干氣物質(zhì)的量。

Mg—干氣摩爾質(zhì)量。

再由分壓定律可得公式（4）。

式中：p—?dú)怏w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(duì)濕度來表示，如公式（5）所示。

式中：ps—飽和蒸汽壓。

默認(rèn)進(jìn)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

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(cè)耗水量為0.28 L/min，空氣耗水量為0.98 L/min。

2.3 氮?dú)鈫卧?/h3>

氮?dú)鈫卧饕饔檬窃跍y(cè)試前后，吹掃燃料電池電堆內(nèi)的氣體，起到安全保護(hù)作用[3-4]。氮?dú)饨?jīng)過過濾器和減壓閥后直接進(jìn)入進(jìn)堆前的氫氣空氣管道。

氮?dú)鈫卧怯蛇^濾器、減壓閥、氣動(dòng)角座閥、壓力傳感器、吹掃標(biāo)尺和泄漏儀等組成的，根據(jù)控制功能情況可以劃分成氮?dú)饣卮盗靠刂葡到y(tǒng)、氮?dú)庑孤┝靠刂葡到y(tǒng)。其特征在于氮?dú)廨斎牍艿篮螅ㄟ^壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控管道的輸入壓力，通過過濾器后消除氮?dú)庵械碾s質(zhì)，在減壓閥的作用下精確控制氮?dú)夤苈穳毫Α５谝宦吠ㄟ^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(dòng)角座閥和吹掃標(biāo)尺與燃料電池連接，可以快速吹回相關(guān)測(cè)試氣體。

氮?dú)饣卮盗靠刂葡到y(tǒng)由壓力傳感器、過濾器、減壓閥和吹掃標(biāo)尺等組成。在測(cè)試過程中將燃料電池內(nèi)的氣體吹回，吹掃標(biāo)尺記錄相關(guān)數(shù)據(jù)來控制回吹程度，確保管路的安全性。

氮?dú)庑孤┝靠刂葡到y(tǒng)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(tǒng)的作用下，通過輸入氮?dú)獾膲毫Γ谌剂想姵貎?nèi)部保壓一定時(shí)間后，從泄漏儀中反饋出測(cè)試的泄漏量。

2.4 冷卻水循環(huán)單元

在電堆運(yùn)行過程中，其熱量排出方式有循環(huán)冷卻水帶出熱量、反應(yīng)氣體帶出熱量、電堆對(duì)外輻射散熱，其中電堆產(chǎn)生的熱量90%都由循環(huán)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(diào)節(jié)閥、高水箱、溫度傳感器以及壓力傳感器組成。達(dá)到吸收電堆運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，控制電堆運(yùn)行溫度，快速切換電堆運(yùn)行溫度的目的。

高水箱可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，保證冷卻循環(huán)水單元和電堆中可以充滿水，并且可以實(shí)現(xiàn)在水位過低時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水的功能。加熱水箱可以實(shí)現(xiàn)快速達(dá)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(diào)節(jié)閥可以達(dá)到迅速切換冷卻水溫，改變電堆運(yùn)行溫度的作用[5]。

我們?cè)谟?jì)算冷卻水量時(shí)，可以等效成所有熱量都由循環(huán)冷卻帶出來進(jìn)行計(jì)算。循環(huán)冷卻水量與電堆的散熱功率以及循環(huán)水進(jìn)出堆溫差有關(guān)，如公式（8）所示。

ΔT——冷卻水進(jìn)出電堆溫差。

P——最大發(fā)熱功率。

VH2O——冷卻水量。

按滿功率80 kW 計(jì)算，電堆的發(fā)電效率一般在40%～60%，所以其最大發(fā)熱功率按120 kW 進(jìn)行計(jì)算。冷卻水進(jìn)出電堆控制在5℃～10 ℃進(jìn)行計(jì)算。

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

2.5 自動(dòng)補(bǔ)水單元

自動(dòng)補(bǔ)水單元連接冷卻循環(huán)水單元、氫氣單元和空氣單元。結(jié)合循環(huán)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(shí)現(xiàn)缺水時(shí)自動(dòng)補(bǔ)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(huán)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(shí)現(xiàn)冷卻循環(huán)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(fù)載系統(tǒng)

直流電子負(fù)載系統(tǒng)用于燃料電池電堆的電流、電壓及功率的測(cè)量以及電堆產(chǎn)生能量的消耗。

電子負(fù)載系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與測(cè)控系統(tǒng)通信，可通過測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)置功率、電流、電壓及工作模式，并讀取電流、電壓數(shù)據(jù)。

2.8 安全檢測(cè)連鎖報(bào)警系統(tǒng)

安全檢測(cè)連鎖報(bào)警系統(tǒng)包括氫氣泄露超量報(bào)警、超溫、超壓、欠壓、電子負(fù)載不穩(wěn)以及供電電源不穩(wěn)等。保護(hù)措施是帶鎖啟動(dòng)，所有回路閉環(huán)控制，系統(tǒng)緊急制動(dòng)。電子負(fù)載系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與測(cè)控系統(tǒng)通訊，可通過測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)置功率、電流、電壓及工作模式，并讀取電流、電壓數(shù)據(jù)。

2.9 上位機(jī)及控制系統(tǒng)

上位機(jī)及控制系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)試臺(tái)架的核心，主要包括上位機(jī)系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)。控制著整個(gè)臺(tái)架自檢、預(yù)啟動(dòng)、啟動(dòng)、啟動(dòng)完成、變載、停車、吹掃和關(guān)機(jī)8 個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，如圖3 所示。

圖3 運(yùn)行狀態(tài)圖

上位機(jī)系統(tǒng)配備NI 的多串口接口板（8 路RS232/RS485接口），分別與電子負(fù)載、PLC 控制系統(tǒng)、溫控器、質(zhì)量流量傳感器以及自動(dòng)背壓控閥等通訊控制。配備NI 的單口CAN接口板與多達(dá)5 塊的單電池檢測(cè)系統(tǒng)通信。通過上位機(jī)軟件界面可實(shí)現(xiàn)氫燃料電池堆測(cè)試的各種操作、數(shù)據(jù)采集、測(cè)試曲線顯示、測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)行狀態(tài)的顯示以及測(cè)試結(jié)果的智能判定等。

PLC 控制系統(tǒng)采用西門子S7 300 系列PLC，數(shù)字量輸入輸出模塊控制各個(gè)分布繼電器輸出、氣動(dòng)閥、電池閥動(dòng)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(gè)部位相關(guān)壓力和溫度。

3 結(jié)論

隨著燃料電池汽車技術(shù)的不斷發(fā)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(huì)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(zhì)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(zhǔn)確把握燃料電池測(cè)試臺(tái)架與測(cè)試技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，提高質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，燃料電池測(cè)試技術(shù)在燃料電池裝配質(zhì)量與性能控制中必將具有廣泛的應(yīng)用前景。