一種PEMFC一體化測試設備開發嘗試

雷梟，丁小松，張興旺，潘鈴

（1.廣州擎天實業有限公司，廣州 510860； 2.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510860）

引言

伴隨著人民對美好生活的熱切向往，不斷推動著中國汽車產業的向前發展，經過20多年的探索，中國已成為全世界最大的電動汽車市場，其中新能源汽車所占的比重正逐步擴大，而氫作為一種高效、清潔的綠色能源[1]，基于氫能的燃料電池汽車從試點、推廣向規模應用快速發展[2,3]。豐田、寶馬、巴拉德等國際知名科技企業正積極參與我國氫能發展，引領國內、國際合作的一波又一波科技浪潮[4,5]。

1 測試應用差異

當前PEMFC電堆及發動機產品，采用獨立測試臺架分別進行測試，PEMFC電堆及發動機測試臺架及配套的輔助BOP設備，價格不僅昂貴，且分別設置將占用大量場地資源，BOP設備及配套資源重復采購，使折舊費率高，企業經營運行負擔加大，且設備售后維護便捷性差，設備利用率低，時效性低。

PEMFC電堆，如圖1所示，對外僅有3對進出口和電能集流板，接口分別為氫氣、空氣、冷卻水管道。PEMFC電堆測試系統是一種集中了多變量、多因素耦合作用，涉及電化學、熱力學、流體力學、電力電子技術、計算機軟/硬件、自動控制技術等專業融合度極高的高科技綜合性裝備。電堆測試系統側重于反應物料溫、濕狀態的提供及故障快速處理。通過對反應氣體進行加溫、加濕處理，調節反應氣體溫度在60~80 ℃，濕度80~100 %RH范圍[6,7]，監控熱量狀態實時調節冷卻水確保熱平衡，如圖2所示。經輸出電參量、單體膜片電池電壓追蹤燃料電池的電壓損耗以及所得的極化曲線，綜合評價電堆設計及極板、電解質等材料和裝配工藝對輸出效能的影響。測試系統采用各種類型的流量控制器、泵、電磁閥及傳感器維持反應物料的動態穩定。控制異常精確，如排水，過快時溶脹的電解質膜存在脫水的可能，輕則引起內阻急劇增大，重則引起電解質膜的破裂，產生裂縫，一旦氣體透過裂縫相互滲透混合，將形成爆炸性混合物，導致災難性事故。過慢，陰極的水會淹沒電解質膜活性層內的孔隙，阻礙氧氣與催化劑的接觸，影響電極的性能。過量的水甚至會堵塞這些孔隙，使氧氣無法通過，導致燃料電池停止工作。

圖1 一種PEMFC電堆實物圖

圖2 PEMFC電堆測試系統圖

PEMFC發動機，如圖3所示，相對電堆，外部接口種類增多，除了3對氫氣、空氣、冷卻水管道，因PEMFC發動機系統集成了加濕、流量控測、壓力控制等功能單元，對外除了控制，還需配置低壓動力、氣動輔助動力、發動機狀態開關及模擬量反饋。對PEMFC發動機進行測試時，僅需監控水、電、氣單元，響應外部控制需求時效，穩定時的熱和動力輸出穩定性，進而對各種運行工況進行效能分析及評價，如圖4 所示。

圖3 一種PEMFC發動機

圖4 PEMFC發動機測試系統配置圖

2 實現方法

對比PEMFC電堆及發動機，在滿足運行的基礎前提下，發現輔助功能部件的差異極小，測試設備的功能本體差異較大。電堆測試系統側重于反應物料溫、濕狀態的提供及故障時各種快速處置及保護，如避免生成液態水的淤積堵塞，溫度突增應對。發動機測試系統側重于反應物料參與轉化量大小追蹤，及發電效率的綜合評價。測試系統的共性極大，電堆測試系統所含功能，具備改造成發動機測試系統的潛能。

2.1改造部分管路

如前所述，電堆測試臺，不僅提供進出水、電、氣管道，內部還需對反應物料進行加溫、加濕及降溫除濕等的復雜處理。在異常時，又需對管路進行快速吹掃，以迅速減低管路的氫濃度[8,9]。而發動機測試時，主要關注反應氣體流量、發動機輸出功率的大小，冷卻能確保發動機和車載空壓機正常工作即可。

如圖5所示，在通用PEMFC氫燃料電池電堆測試系統臺架基礎上，增加一條壓縮空氣管路接口，內置空氣過濾器。氫氣/空氣進氣側在加溫加濕段設旁路開關，使氣體直通，充分利用電堆系統的壓力調節、流量監控、氮氣吹掃功能單元。氣體尾排管在原電堆空氣出口側設支路旁通。

圖5 PEMFC一體化測試設備原理

2.2增加差異功能單元

發動機系統需要外部提供動力驅動，而電堆只有進出管道及電能集流板，在電堆測試臺內部有低壓電源為各溫、濕、壓力傳感器提供動力。只需加大低壓電源的功率，并由專用接頭引至電堆測試臺端頭。

車載空壓機的冷卻單元設置，如圖6所示，在原電堆冷卻水進出管上，通過管路和電磁閥Sc1將水引入小型儲水罐Bx01，冷卻水經由水循環泵m1輸送至換熱器Hex01進行熱量交換，Te01和Te02溫度傳感器反饋實時溫度，協調循環水泵，確保車載空氣壓縮機運行溫升。

圖6 車載空氣壓縮機冷卻回路

2.3測試接口轉換

電堆接口少，僅有水、電、氣4種類型的4對接口，測試時，需由電堆測試臺供給特定溫度濕度的反應氣，在電堆內部轉換成高效電能。電堆的熱狀態需由溫度傳感器直接測量，并反饋至測試臺控制系統中。電堆測試臺協調各執行器進行連鎖操作，快速響應維持測試需求的穩定狀態。

根據GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能測試方法》[10]，GB/T 28183-2011《客車用燃料電池發電系統測試方法》[11]，GB/T 23645-2009《乘用車用燃料電池發電系統測試方法》，要求被測燃料電池發電系統給測試平臺提供和接收以下信息[12]：

①電池堆工作溫度；②電池堆和燃料電池發電系統的電壓和電流；③能接受起停信號；④能接受功率給定信號；⑤能夠給出故障碼。

PEMFC電堆和發動機測試接口差異，如圖7所示，相對與裸奔的電堆，發動機系統集成了加濕、流量控測、壓力控制等功能單元，對外除了控制，需配置低壓動力、氣動輔助動力、發動機狀態開關及模擬量反饋。對電堆和發動機進行測試時需要獨立接口進行轉換控制。

圖7 PEMFC電堆/發動機及其控制接口

轉換接口分設通訊、模擬量、數字量。所有部件集成為一套含2路CAN總線、2路485、2路232、2路以太網、32路AI/O、32路DI/O的集成組件，PEMFC電堆/發動機接口連接示意如圖8所示。

圖8 PEMFC電堆/發動機接口連接示意圖

接口指令的上下流轉，數據通信、數字量輸入/輸出、模擬量輸入輸出，充分運用西門子S7-1200系列PLC的經濟性及其易擴展性能，可帶I/O點數極多，能擴展 8個數字量和模擬量模塊。S7-1200又兼具PID參數設置和調整的自整定功能，其工程組態直觀、易學和易用，在中小型自動化控制系統中具有極高的性價比，其綜合性價比高。

通訊互聯網絡采用工業級轉換模塊，實現以太網和CAN設備互聯，各種協議通訊數據相互轉換的廣義控制設備通訊大網絡。模擬量、數字量輸入/輸出采用可拔插對接接頭，匹配各種類型新能源汽車專用連接器、專用航空插頭。

2.4測試軟件更新

PEMFC電堆和發動機測試的側重點不同，主回路結構和運行特性差異，需采用專用的測試軟件操作系統?？刂浦行碾娔X上可以放置兩套測試軟件，分別對應不同需求，如圖9所示，對電堆或發動機進行測試時，在完成管路及電氣切換后，進行操作軟件更新即可。

圖9 PEMFC電堆/發動機操作轉換

3 總結

針對PEMFC電堆及發動機測試需求，基于電堆和發動機運行原理，輔助功能部件的差異，改造部分管路，及增加差異功能單元，測試接口及軟件轉換，實現電堆-發動機測試系統的轉換。開發一種PEMFC一體化測試設備，一次建設投入，實現多重服務增值，增強PEMFC產業鏈活性。