燃料電池空氣系統(tǒng)阻力特性匹配研究

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0 引 言

燃料電池由于能量轉(zhuǎn)換效率高，環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的研究與應(yīng)用，在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[1]。燃料電池空氣供給系統(tǒng)是總系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分[2]?？諝庀到y(tǒng)原理如圖1所示，主要包括空壓機(jī)、空氣過濾器、加濕器、散熱器、背壓調(diào)節(jié)閥以及相應(yīng)管路等零部件[3]。空氣供給系統(tǒng)的作用就是為燃料電池電堆提供合適流量、壓力、溫度和濕度的空氣(有效成分為氧氣)作為氧化劑。

圖1 燃料電池空氣系統(tǒng)原理圖

圖2 流體系統(tǒng)的“自動(dòng)平衡性”

圖3 系統(tǒng)阻力特性測(cè)試原理圖

圖4 空氣系統(tǒng)阻力特性測(cè)試軟件

空壓機(jī)/風(fēng)機(jī)作為氣源動(dòng)力向陰極供給空氣，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制空氣供給流量[4]。為了避免空氣中雜質(zhì)進(jìn)入電堆污染催化劑，需要在空壓機(jī)前端配置空氣過濾器；加濕器通常采用噴水或膜交換的方式對(duì)進(jìn)堆空氣進(jìn)行加濕；通常空氣經(jīng)空壓機(jī)加壓后溫度升高，需要使用散熱器來調(diào)節(jié)空氣的溫度，避免進(jìn)入電堆的空氣溫度過高；背壓調(diào)節(jié)閥安裝在陰極排氣管路末端，調(diào)節(jié)電堆陰極的工作壓力。

圖5 電堆流量阻力需求圖(左)電堆陰極阻力特性圖(右)

圖6 EHS-6375 壓縮機(jī)MAP測(cè)試結(jié)果

空氣的流動(dòng)一方面保證燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作所需要的氧氣量，另一方面可以將電堆反應(yīng)過程中生成的部分熱量和水分帶出電堆。

為了保證燃料電池系統(tǒng)的正常工作以及提交工作效率，空氣系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)需要滿足不同工況下流量和壓力需求。進(jìn)堆空氣的壓力流量存在很強(qiáng)的耦合關(guān)系，而除背壓閥外的其他零部件阻力特性是一條與流量相關(guān)的曲線。為了保證電堆入口流量和壓力滿足電堆廠商的要求，需要在電堆后端添加背壓閥來主動(dòng)調(diào)節(jié)。但是，背壓閥的調(diào)節(jié)能力有限，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，如果忽視了對(duì)零部件的阻力特性進(jìn)行研究，在系統(tǒng)實(shí)際工作過程中便會(huì)產(chǎn)生流量不夠或空壓機(jī)性能過剩等問題，降低了系統(tǒng)的效率或集成度。因此，通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行阻力特性測(cè)試，在設(shè)計(jì)階段就確定了電堆的工作點(diǎn)，保證了設(shè)計(jì)的可靠性。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 原理圖設(shè)計(jì)

對(duì)于風(fēng)機(jī)、背壓閥和管路等構(gòu)成的流體系統(tǒng)，空氣供應(yīng)的工作流量和壓頭由空壓機(jī)的機(jī)械特性和各零部件的固有特性兩條曲線的交點(diǎn)所決定。當(dāng)空壓機(jī)提供的壓頭與各零部件所需要的壓頭達(dá)到平衡時(shí)，就確定了空壓機(jī)所提供的流量，即流體系統(tǒng)的“自動(dòng)平衡性”，如圖2所示[5]。

對(duì)應(yīng)到一般的燃料電池系統(tǒng)，其阻力特性關(guān)系如式(1)所示，而電堆的進(jìn)堆壓力需求如式(2)所示。

Pcom=P膜加濕器干測(cè)+P膜加濕器濕測(cè)+Pstack+P背壓閥+P管路

(1)

P進(jìn)堆壓力要求=P膜加濕器濕測(cè)+Pstack+P背壓閥+P管路

(2)

燃料電池電堆、膜加濕器、背壓閥和空氣管道為產(chǎn)生阻力的主要部件。相較于其他三個(gè)部件，管道的阻力影響較小，又由于和總體布置相關(guān)，在設(shè)計(jì)階段可先不考慮。故為了得到背壓閥的阻力特性需求，需要做如下實(shí)驗(yàn)：

1)壓縮機(jī)MAP測(cè)試

2)電堆陰極阻力特性測(cè)試

3)膜加濕器阻力特性測(cè)試

原理圖如圖3所示，其中各個(gè)符號(hào)代表的意義如下：P為壓力傳感器; MF為空氣質(zhì)量流量計(jì); VF為空氣體積流量計(jì); COM為空氣壓縮機(jī); T為溫度傳感器; BPV為背壓閥; HAND為手動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

1.2 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

采用的測(cè)試軟件基于LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，如圖4所示。硬件系統(tǒng)主要基于NI-USB-6251開發(fā)，數(shù)據(jù)采集卡包含AI/AO、PWM輸入輸出模塊，可滿足系統(tǒng)要求。軟件主要有以下幾個(gè)模塊：

1)手動(dòng)操作模塊，主要用于控制風(fēng)機(jī)開度設(shè)置以及節(jié)氣門控制方式設(shè)置；

2)數(shù)據(jù)采集模塊，用于各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)讀取；

3) 數(shù)據(jù)記錄與報(bào)告生成模塊，用于寫入/讀取數(shù)據(jù)的保存，便于后續(xù)分析處理。

操作界面的設(shè)計(jì)綜合考慮了能保證用戶正確，可靠地使用系統(tǒng)，對(duì)用戶輸入不適當(dāng)?shù)恼?qǐng)求可以給用戶提出相應(yīng)的提示，并阻止用戶繼續(xù)操作，以保證有關(guān)程序或數(shù)據(jù)的安全性等因素。在軟件發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，可以在盡量小的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障，并進(jìn)行故障處理。

圖7 膜加濕阻力示意圖(左)和測(cè)試結(jié)果(右)

2 數(shù)據(jù)與分析

2.1 電堆需求分析和電堆阻力特性測(cè)試

圖5為某30kW電堆的空氣側(cè)流量阻力需求圖(左)和電堆陰極阻力特性圖(右)。其中左圖為電堆廠家提供的電堆壓力需求圖，右圖為電堆在Greenlight G500測(cè)試平臺(tái)上的測(cè)試數(shù)據(jù)。右圖便是Pstack。

2.2 風(fēng)機(jī)MAP圖測(cè)試膜加濕器阻力特性測(cè)試

圖6為升鴻EHS-6375的MAP圖，在空氣供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，空壓機(jī)所供空氣流量與壓力成強(qiáng)耦合關(guān)系，且在空壓機(jī)轉(zhuǎn)速/頻率一定的條件下，二者的關(guān)系存在確定關(guān)系。由于空壓機(jī)轉(zhuǎn)速可控且是空氣路控制策略的控制變量，加之空氣流量和空氣壓力是較易測(cè)量的變量。因此在測(cè)試時(shí)，首先確定一系列空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，分別進(jìn)行流量與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)量。Pcom的值一般由電堆需求決定，壓縮機(jī)MAP圖主要用于燃料電池電堆工作點(diǎn)的確定。

圖7為膜加濕器阻力特性測(cè)試圖。膜加濕器的作用是利用電堆出口的飽和濕空氣加濕電堆進(jìn)口的干空氣。結(jié)合式(2)，P干空氣為右側(cè)的Tube側(cè)數(shù)據(jù)，P濕空氣為右側(cè)的Shell側(cè)數(shù)據(jù)。

2.3 討論與分析

根據(jù)式(1)、式(2)以及圖5、圖6、圖7。便可得到如圖8所示映射關(guān)系：

在此僅根據(jù)1500SLPM和0.3barg作示例，可得P背壓閥為0.3barg-0.04barg(膜加濕器濕側(cè))-0.12barg(電堆阻力特性)約等于0.14barg。壓縮機(jī)開度約為42Hz(工作點(diǎn)為0.32barg，1500SLPM)。

圖8 背壓閥阻力特性匹配映射關(guān)系

3 結(jié) 論

空氣供給系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、加濕器、中冷器、背壓閥等執(zhí)行器以及溫度、壓力和流量等傳感器組成。為了保證實(shí)際系統(tǒng)的正常工作以及提高系統(tǒng)效率，空氣系統(tǒng)需要滿足不同工況下的壓力流量要求。采用試驗(yàn)的方法測(cè)量出了升鴻EHS-6375的MAP圖以及膜加濕器的濕側(cè)/干側(cè)阻力特性。通過圖8所示的映射關(guān)系可在設(shè)計(jì)階段確定節(jié)氣門的壓力調(diào)節(jié)需求以及校核壓縮機(jī)的特性曲線是否滿足實(shí)際系統(tǒng)使用要求，大大地提高了設(shè)計(jì)的可靠性。

參考文獻(xiàn):

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