一種PEMFC一體化測(cè)試設(shè)備開(kāi)發(fā)嘗試

雷梟，丁小松，張興旺，潘鈴

（1.廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司，廣州 510860； 2.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510860）

引言

伴隨著人民對(duì)美好生活的熱切向往，不斷推動(dòng)著中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的向前發(fā)展，經(jīng)過(guò)20多年的探索，中國(guó)已成為全世界最大的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，其中新能源汽車(chē)所占的比重正逐步擴(kuò)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(chē)從試點(diǎn)、推廣向規(guī)模應(yīng)用快速發(fā)展[2,3]。豐田、寶馬、巴拉德等國(guó)際知名科技企業(yè)正積極參與我國(guó)氫能發(fā)展，引領(lǐng)國(guó)內(nèi)、國(guó)際合作的一波又一波科技浪潮[4,5]。

1 測(cè)試應(yīng)用差異

當(dāng)前PEMFC電堆及發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，采用獨(dú)立測(cè)試臺(tái)架分別進(jìn)行測(cè)試，PEMFC電堆及發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架及配套的輔助BOP設(shè)備，價(jià)格不僅昂貴，且分別設(shè)置將占用大量場(chǎng)地資源，BOP設(shè)備及配套資源重復(fù)采購(gòu)，使折舊費(fèi)率高，企業(yè)經(jīng)營(yíng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)加大，且設(shè)備售后維護(hù)便捷性差，設(shè)備利用率低，時(shí)效性低。

PEMFC電堆，如圖1所示，對(duì)外僅有3對(duì)進(jìn)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(cè)試系統(tǒng)是一種集中了多變量、多因素耦合作用，涉及電化學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟/硬件、自動(dòng)控制技術(shù)等專業(yè)融合度極高的高科技綜合性裝備。電堆測(cè)試系統(tǒng)側(cè)重于反應(yīng)物料溫、濕狀態(tài)的提供及故障快速處理。通過(guò)對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行加溫、加濕處理，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體溫度在60~80 ℃，濕度80~100 %RH范圍[6,7]，監(jiān)控?zé)崃繝顟B(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水確保熱平衡，如圖2所示。經(jīng)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(píng)價(jià)電堆設(shè)計(jì)及極板、電解質(zhì)等材料和裝配工藝對(duì)輸出效能的影響。測(cè)試系統(tǒng)采用各種類(lèi)型的流量控制器、泵、電磁閥及傳感器維持反應(yīng)物料的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定?？刂飘惓＞_，如排水，過(guò)快時(shí)溶脹的電解質(zhì)膜存在脫水的可能，輕則引起內(nèi)阻急劇增大，重則引起電解質(zhì)膜的破裂，產(chǎn)生裂縫，一旦氣體透過(guò)裂縫相互滲透混合，將形成爆炸性混合物，導(dǎo)致災(zāi)難性事故。過(guò)慢，陰極的水會(huì)淹沒(méi)電解質(zhì)膜活性層內(nèi)的孔隙，阻礙氧氣與催化劑的接觸，影響電極的性能。過(guò)量的水甚至?xí)氯@些孔隙，使氧氣無(wú)法通過(guò)，導(dǎo)致燃料電池停止工作。

圖1 一種PEMFC電堆實(shí)物圖

圖2 PEMFC電堆測(cè)試系統(tǒng)圖

PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖3所示，相對(duì)電堆，外部接口種類(lèi)增多，除了3對(duì)氫氣、空氣、冷卻水管道，因PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成了加濕、流量控測(cè)、壓力控制等功能單元，對(duì)外除了控制，還需配置低壓動(dòng)力、氣動(dòng)輔助動(dòng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)開(kāi)關(guān)及模擬量反饋。對(duì)PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，僅需監(jiān)控水、電、氣單元，響應(yīng)外部控制需求時(shí)效，穩(wěn)定時(shí)的熱和動(dòng)力輸出穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)各種運(yùn)行工況進(jìn)行效能分析及評(píng)價(jià)，如圖4 所示。

圖3 一種PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)

圖4 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)配置圖

2 實(shí)現(xiàn)方法

對(duì)比PEMFC電堆及發(fā)動(dòng)機(jī)，在滿足運(yùn)行的基礎(chǔ)前提下，發(fā)現(xiàn)輔助功能部件的差異極小，測(cè)試設(shè)備的功能本體差異較大。電堆測(cè)試系統(tǒng)側(cè)重于反應(yīng)物料溫、濕狀態(tài)的提供及故障時(shí)各種快速處置及保護(hù)，如避免生成液態(tài)水的淤積堵塞，溫度突增應(yīng)對(duì)。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)側(cè)重于反應(yīng)物料參與轉(zhuǎn)化量大小追蹤，及發(fā)電效率的綜合評(píng)價(jià)。測(cè)試系統(tǒng)的共性極大，電堆測(cè)試系統(tǒng)所含功能，具備改造成發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的潛能。

2.1改造部分管路

如前所述，電堆測(cè)試臺(tái)，不僅提供進(jìn)出水、電、氣管道，內(nèi)部還需對(duì)反應(yīng)物料進(jìn)行加溫、加濕及降溫除濕等的復(fù)雜處理。在異常時(shí)，又需對(duì)管路進(jìn)行快速吹掃，以迅速減低管路的氫濃度[8,9]。而發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)，主要關(guān)注反應(yīng)氣體流量、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的大小，冷卻能確保發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)載空壓機(jī)正常工作即可。

如圖5所示，在通用PEMFC氫燃料電池電堆測(cè)試系統(tǒng)臺(tái)架基礎(chǔ)上，增加一條壓縮空氣管路接口，內(nèi)置空氣過(guò)濾器。氫氣/空氣進(jìn)氣側(cè)在加溫加濕段設(shè)旁路開(kāi)關(guān)，使氣體直通，充分利用電堆系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)、流量監(jiān)控、氮?dú)獯祾吖δ軉卧?。氣體尾排管在原電堆空氣出口側(cè)設(shè)支路旁通。

圖5 PEMFC一體化測(cè)試設(shè)備原理

2.2增加差異功能單元

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)需要外部提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而電堆只有進(jìn)出管道及電能集流板，在電堆測(cè)試臺(tái)內(nèi)部有低壓電源為各溫、濕、壓力傳感器提供動(dòng)力。只需加大低壓電源的功率，并由專用接頭引至電堆測(cè)試臺(tái)端頭。

車(chē)載空壓機(jī)的冷卻單元設(shè)置，如圖6所示，在原電堆冷卻水進(jìn)出管上，通過(guò)管路和電磁閥Sc1將水引入小型儲(chǔ)水罐Bx01，冷卻水經(jīng)由水循環(huán)泵m1輸送至換熱器Hex01進(jìn)行熱量交換，Te01和Te02溫度傳感器反饋實(shí)時(shí)溫度，協(xié)調(diào)循環(huán)水泵，確保車(chē)載空氣壓縮機(jī)運(yùn)行溫升。

圖6 車(chē)載空氣壓縮機(jī)冷卻回路

2.3測(cè)試接口轉(zhuǎn)換

電堆接口少，僅有水、電、氣4種類(lèi)型的4對(duì)接口，測(cè)試時(shí)，需由電堆測(cè)試臺(tái)供給特定溫度濕度的反應(yīng)氣，在電堆內(nèi)部轉(zhuǎn)換成高效電能。電堆的熱狀態(tài)需由溫度傳感器直接測(cè)量，并反饋至測(cè)試臺(tái)控制系統(tǒng)中。電堆測(cè)試臺(tái)協(xié)調(diào)各執(zhí)行器進(jìn)行連鎖操作，快速響應(yīng)維持測(cè)試需求的穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試方法》[10]，GB/T 28183-2011《客車(chē)用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試方法》[11]，GB/T 23645-2009《乘用車(chē)用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試方法》，要求被測(cè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)給測(cè)試平臺(tái)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(fā)電系統(tǒng)的電壓和電流；③能接受起停信號(hào)；④能接受功率給定信號(hào)；⑤能夠給出故障碼。

PEMFC電堆和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試接口差異，如圖7所示，相對(duì)與裸奔的電堆，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成了加濕、流量控測(cè)、壓力控制等功能單元，對(duì)外除了控制，需配置低壓動(dòng)力、氣動(dòng)輔助動(dòng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)開(kāi)關(guān)及模擬量反饋。對(duì)電堆和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要獨(dú)立接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制。

圖7 PEMFC電堆/發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制接口

轉(zhuǎn)換接口分設(shè)通訊、模擬量、數(shù)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(wǎng)、32路AI/O、32路DI/O的集成組件，PEMFC電堆/發(fā)動(dòng)機(jī)接口連接示意如圖8所示。

圖8 PEMFC電堆/發(fā)動(dòng)機(jī)接口連接示意圖

接口指令的上下流轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)通信、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入輸出，充分運(yùn)用西門(mén)子S7-1200系列PLC的經(jīng)濟(jì)性及其易擴(kuò)展性能，可帶I/O點(diǎn)數(shù)極多，能擴(kuò)展 8個(gè)數(shù)字量和模擬量模塊。S7-1200又兼具PID參數(shù)設(shè)置和調(diào)整的自整定功能，其工程組態(tài)直觀、易學(xué)和易用，在中小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)中具有極高的性價(jià)比，其綜合性價(jià)比高。

通訊互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)級(jí)轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN設(shè)備互聯(lián)，各種協(xié)議通訊數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的廣義控制設(shè)備通訊大網(wǎng)絡(luò)。模擬量、數(shù)字量輸入/輸出采用可拔插對(duì)接接頭，匹配各種類(lèi)型新能源汽車(chē)專用連接器、專用航空插頭。

2.4測(cè)試軟件更新

PEMFC電堆和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的側(cè)重點(diǎn)不同，主回路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性差異，需采用專用的測(cè)試軟件操作系統(tǒng)?？刂浦行碾娔X上可以放置兩套測(cè)試軟件，分別對(duì)應(yīng)不同需求，如圖9所示，對(duì)電堆或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在完成管路及電氣切換后，進(jìn)行操作軟件更新即可。

圖9 PEMFC電堆/發(fā)動(dòng)機(jī)操作轉(zhuǎn)換

3 總結(jié)

針對(duì)PEMFC電堆及發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試需求，基于電堆和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(cè)試接口及軟件轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電堆-發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。開(kāi)發(fā)一種PEMFC一體化測(cè)試設(shè)備，一次建設(shè)投入，實(shí)現(xiàn)多重服務(wù)增值，增強(qiáng)PEMFC產(chǎn)業(yè)鏈活性。