氢燃料电池性能检测系统设计.pdf

2023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计收稿日期：2023-01-19基金项目：国家自然科学基金项目(52075511)；浙江省科技计划项目(2021C01136)；浙江省公益性技术应用研究计划(LGG21E050019)作者简介：姚健(1995)，男，浙江省人，硕士研究生，主要研究方向为氢燃料电池检测系统。通 信 作 者：范 伟 军，副 教 授，博 士，E-mail:氢燃料电池性能检测系统设计姚健，范伟军，郭斌，胡晓峰(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)摘要：设计了一套氢燃料电池性能检测系统。基于比例调节阀、电磁阀、质量流量计、加热保温管路等设计了供气及尾排系统，实现了反应气体的温度和流量的精确控制；基于电磁阀、变频水泵、热交换器、增湿罐等设计了冷却及加湿系统，使电堆温度始终维持在最佳工作温度，增湿器原理为鼓泡和喷淋式增湿，可实现高效增湿；基于西门子PLC和研华工控机设计数据采集与控制系统，实现对传感器数据的采集，设计了实验对测试系统进行验证。实验结果表明，系统稳定可靠，具有较好的应用效果。关键词：氢燃料电池；测试平台；工况模拟中图分类号：TM 911.4文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)07-0914-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.07.020Design of hydrogen fuel cell performance test systemYAO Jian,FAN Weijun,GUO Bin,HU Xiaofeng(College of Metrology and Measurement Engineering,China Jiliang University,Hangzhou Zhejiang 310018,China)Abstract:A set of hydrogen fuel cell performance detection system was designed.Based on proportional control valve,solenoid valve,mass flow meter,heating insulation pipeline,etc.,the gas supply and exhaust system were designed torealize precise control of the temperature and flow of reaction gas;based on solenoid valve,variable frequency waterpump,heat exchanger,humidification tank,etc,the cooling and humidification system was designed.The cooling andhumidification system keep the stack temperature at the best working temperature.The principle of the humidifierwas bubbling and spray humidification,which could achieve high-efficiency humidification.The data acquisition andcontrol system was designed based on Siemens PLC and Advantech industrial computer,to realize the acquisition ofsensor data,and designed experiments to verify the test system.The experimental results show that the system isstable and reliable,and has a good application effect.Key words:hydrogen fuel cell;test platform;working condition simulation由于日益突出的环境问题和能源危机，目前对于清洁能源的需求与日俱增。氢燃料电池是一种通过电化学反应实现能量转换的装置1，由于其具有来源广泛、无污染、能量利用率高、功率密度高、噪声低等优点，有望广泛运用于汽车、飞机、列车等交通工具及固定电站等方面，具有广阔的市场前景2。目前限制氢燃料电池发展的主要原因有：成本高、运行条件苛刻、可靠性问题等3。为了促进氢燃料电池的研究与生产，需要研发可靠稳定、功能强大的氢燃料电池检测设备。国内己有一些公司和研究机构研制出相关检测设备，现有的燃料电池实验台存在功能简单，关键参数控制困难4等问题。邵孟等基于神经网络控制算法对氢气露点控制方式进行优化5，以多变量输入和多点加热的方式，很好地解决了露点温度困难和冷凝水问题；徐创等于2018年设计了一套PEMFC监测系统6，可有效解决不同燃料电池堆监控的问题。总的来说，国内研发的燃料电池测试平台仅能满足各自在某一具体领域研发过程中的测试需要，功能简单且流程繁杂，无法满足实验室大规模、高效率检测燃料电池综合性能的检测需求。1 氢燃料电池测试需求分析1.1 工作原理氢燃料电池的内部结构图如图 1 所示。氢气从阳极输入，经过气体扩散层，在催化剂的作用下，氢气分子分解出质子和电子，电子经过外电路向正极移动，质子经过质子交换膜向阴极移动7，阳极化学反应方程式为：2 H2 4 H+4 e-(1)图1氢燃料电池内部结构图9142023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计氧气从阴极输入，经过气体扩散层，在催化剂的作用下，氧气分子和从质子交换膜传输过来的质子以及从外电路传输过来的电子结合生成水并释放热，从而构成一个完整的放电回路，阴极化学反应方程式为：4 H+O2+4 e-2 H2O(2)氢燃料电池的电化学反应，实质是氢离子与氧离子结合产生水的过程。在整个发电的过程中，只有化合反应时有少量的放热反应，大多数的化学能转化为电能，因此能量转化效率高，并且反应物只有水，符合国家的减少碳排放的大方向，具有良好的应用前景8。1.2 需求分析本氢燃料电池性能测试系统需要检测功率范围在 310kW的氢燃料电池。氢燃料电池输出特性与关键部位性能和相应的反应条件有关，如反应气体进气量、反应气体温度、气体湿度和计量比等参数，可以影响氢燃料电池的输出特性。为了模拟不同工况下的氢燃料电池，检测系统需要包含以下几个部分：气体供应系统、热管理系统、尾排装置、气体加湿装置、数据采集与控制系统。气体供应系统为电堆的电化学反应提供足量的反应气体，管路需要具有良好的密封性，所选零部件无油化9。为保持在最大功率时反应供气的连续性、稳定性，要求氢气供气的最大流量为250 L/min，空气供气的最大流量为1 000 L/min，为保证足够的氮气吹扫效率，氮气供气的流量为150 L/min。供气气源气压不小于 0.4 MPa，供气系统要求可以测量流量、压力和温度等进气参数。热管理系统需要对电堆内反应温度进行调节，使其保持最佳工作温度。为了控制电堆的工作温度，需选用合适的冷却装置，要求实际温度与设定温度误差不大于 3。尾排装置要求能对尾气中的水汽进行冷却，分离后的水和尾气从各自的通道排出。气体加湿装置具有充分的加湿能力，能满足燃料电池的质子交换膜的含湿率要求，防止电极脱水。通过控制露点温度的方式控制反应气体相对湿度，在加湿装置中气体达到饱和状态，加湿装置至电堆的管路应具有保温加热的功能。加湿系统应具有补水装置9，补水应使用去离子水。数据采集与控制系统应能按照测试程序自动调控并记录测量参数；应具备多通道电压采集功能，能够显示和记录燃料电池堆每节燃料电池的电压；能够满足对传感器信号的采集以及对系统一些硬件模块的控制需求；能进行系统安全保护，监测所有安全参数，包括氢气浓度、水箱液位、气体温度、气体压力等，一旦超过安全值，自动启动报警停机程序；能根据设定的参数进行不同的工况测试；能实时动态显示测试数据和图表，并进行储存。由于氢燃料电池的原理、结构等特性，使其具有较强的滞后性，非线性等问题，因此，需要选用合理的传感器。参考国标GB/T 38914-2009、国家现行技术标准以及行业内使用部件执行标准，测试平台的主要测试器件及测量精度如表1所示。2 检测系统设计本检测系统可用于检测功率为 310 kW 的氢燃料电池。燃料电池检测系统设计分为供气及尾排系统设计、冷却及加湿系统设计、数据采集及控制系统设计、上位机软件系统设计和测试流程设计。2.1 供气及尾排系统设计供气及尾排系统主要由氢气供给系统、空气供给系统和氮气吹扫系统组成，为燃料电池的电化学反应提供足量的反应气体。2.1.1 氢气供气系统为保证燃料电池电堆反应持续稳定进行，需要提供足够压力和流量的高纯度氢气。氢气供应系统由开关阀、过滤器、调压阀、背压阀、质量流量计、止回阀、电磁阀、针阀、增湿罐、分水罐、气压表和温度计等组成。高压气瓶的氢气通过前置的气瓶一级减压阀减压到 0.6 MPa，减压后的氢气通过调压阀调整气体进堆压力至0.40.5 MPa，通过质量流量计和控制器准确控制氢气流量，然后定量输出的氢气通过湿路电磁阀进入增湿罐进行增湿操作，而后气体经过管路中多段加热装置对氢气温度进行 PID精确控制，使得气体在管路中温度稳定，不会有凝结水生成。电堆出堆侧配有背压阀，通过控制背压阀开启的开度控制氢气侧的压力，实现氢气侧气体流量与压力的解耦控制。阳极端氢气尾气通常含有大量水分，分水罐通过冷却水将尾气降温分水，显著降低氢气尾气的温度，经过水气分离后的尾气以及液化的水气分别从各自的通道排出。尾排方式采取周期尾排，即设定尾排周期与脉冲时间，以脉冲方式排气。图2为氢气供给气路图。2.1.2 空气供气系统空气供应系统由开关阀、过滤器、调压阀、背压阀、质量流量计、止回阀、电磁阀、增湿罐、分水罐、气压表和温度计等组成。空气气源直接采用实验环境中的大气，经过空压机、储气罐和过滤器对空气进行增压净化后，气压达到 0.7 MPa并且无油无尘，空气气源经过过滤器后一路提供给控制用气，主要用于控制氢气路和空气路的背压阀，另一路采用与氢气气路类似的控制策略为氢燃料电池供给反应物。图3为空气供给气路图。2.1.3 氮气吹扫系统在反应开始前和反应后，需要进行氮气吹扫，防止气体表 1 氢燃料电池性能检测系统技术参数 参数名称 参数指标 气体温度测量范围(0100)，1.0 相对湿度调节范围 10%100%，3.0%氢气流量传感器测量范围(0250)L/min，0.2%F.S.+0.8%RD 空气流量传感器测量范围(01 000)L/min，0.2%F.S.+0.8%RD 氮气流量传感器测量范围(0150)L/min，0.2%F.S.+0.8%RD 气压传感器测量范围(0400)kPa，1.0 kPa 电压测量范围(0100)V，0.2%电流测量范围(0500)A，0.1%氢浓度传感器测量范围 0100%LFL，0.3%LFL 图2氢气供给气路图9152023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计继续发生电化学反应。氮气吹扫子系统由开关阀、调压阀、电磁阀、止回阀和气压表等组成。氮气从高压氮气瓶出来后经过减压阀减压到 0.6 MPa后，通过电磁阀控制对氢气气路和空气气路进行吹扫。图4 为氮气吹扫气路图。2.2 冷却及加湿系统设计在燃料电池内进行电化学反应时，会产生大量热量，需要对其进行冷却散热，使电堆维持在最佳工作温度上。对于氢燃料电池，目前使用最为广泛的冷却散热方式为空气冷却和液体冷却10。空气冷却一般用于成本低、结构简单、散热需求低的小功率燃料电池上(一般不大于 5 kW)。液体冷却依靠冷却液与循环水的对流，将燃料电池电化学反应产生的热量带走，散热效果好但结构复杂。本系统由于具有一定的散热需求，选择液体冷却的方式散热。冷却系统实时采集冷却水的入堆温度和出堆温度，通过循环水箱中的加热棒、变频水泵和冷水机来控制电堆内水温。其中，加热棒用来加热水箱内温度，冷水机用来调节冷却水温度，变频水泵用来调节循环水流速，循环水与冷却水通过热交换器进行热交换，三者的联控可以使电堆温度保持在需要的温度范围内。分水罐通过对尾气进行冷却，使尾气中的水汽液化，然后尾气和液化水通过各自的管路排出测试台，以免引起排气口滴水或水倒灌。加湿系统用于提高反应气体的进堆湿度，确保电化学反应时燃料电池的整个电解质膜有足够的水合效果，延长电堆使用寿命11。反应气体通过增湿罐进行增湿，增湿器的增湿原理为鼓泡和喷淋式增湿，此种方法控制简单，并且增湿能力出众。反应气体由增湿罐下方进入，通过鼓泡增湿区进行预增湿，再经过由喷淋器充分喷淋的填料区进行充分的传热、传质，从而达到一定的温度和湿度。对增湿罐水箱设置高低液位传感器，实现水箱的水位监控，通过水泵对其进行补水，使其保持在良好的工作性能上。另外在水箱中设置电导率传感器来监测进入电堆的冷却水的电导率，保护燃料电池正常运行。增湿罐和循环水箱的补水使用常温下电导率不超过5 S/cm的去离子水。图5为冷却及加湿系统。2.3 数据采集与控制系统设计图6为数据采集与控制系统设计，主要由工控机、电子负载、PLC、各类传感器、电磁阀和比例调节阀等组成。系统共有 34路 AI输入，4路 AO 输出，14路 DI输入以及 28路 DO输出。本系统的基础数据采集由西门子的PLC S7-1200实现。SIMATIC S7-1200是一款紧凑型、模块化的 PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI 和网络通信等任务的控制器。选用CPU 1214C模块，搭载8个信号模块，进一步扩展数字和模拟量 I/O。通过以太网接口实现 PLC 与上位机的通讯，通讯协议为 Modbus TCP。Modbus 协议因为其公开、格式通俗易懂等优点，是一种广泛应用于工业现场的总线协议12。电子负载选用 NGI的 N6910型分布式直流电子负载，该电子负载额定功率为 10 kW，最大电流为 1 000 A，最大电压120 V。该电子负载采用分布式设计，易于功率扩展；设计有功率限制电路，反应时间极短，可有效保护负载；设有MOS保护电路，部分MOS损坏并不会加速其他MOS损坏；采用全屏蔽技术，具有较好的负载抗干扰能力，满足测试需要。2.4 测试流程设计燃料电池的升载/降载测试是通过改变反应条件，使得以一定的步长逐渐提高/减少燃料电池的电流值，从而能在一定范围内来获得电动势、功率随着电流的变化关系。根据行业相关标准，将氢燃料电池的升载与降载测试分为三个部分，分别是准备阶段、测试阶段和结束阶段。(1)准备阶段首先确认测试系统各部分完整，并且确保氢气泄漏报警装置正常工作，然后按照装配说明连接好氢燃料电池系统。在进行实验之前，对测试系统的管路进行密封性测试，确保测试管路密封性良好；对燃料电池进行活化，使膜电极在短图3空气供给气路图图4氮气吹扫气路图图5冷却及加湿系统图6数据采集与控制系统设计9162023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计时间内发挥其最优性能。(2)测试阶段实验选取某公司的一款额定功率为 6 kW 的水冷质子交换膜燃料电池作为实验对象，根据测试的燃料电池型号，在软件中设置燃料电池的有效面积为100 cm2，最小电流密度为100 mA/cm2，再设置液位、单节电池差压、电堆温度上下限、气压上下限、氢气泄漏浓度等安全值参数，当超过设置的安全值时，系统自动报警并停机。打开氮气吹扫开关，防止管路内部有残存气体影响实验。根据测试需求，进行工况设置，分别设置循环水温度 68 和流量 30 L/min，流量控制方式为定计量比，阴极管路保温70、露点为 70、计量比为 2.5、入堆压力为 0.15 MPa，阳极管路保温60、露点60、计量比为2，阳极入堆压力跟随阴极，跟随压差为 0.01 MPa。将实验模式设置为扫描电流模式，在该模式下测试系统按照设置的步长改变燃料电池的电流值，能调节自身的工作状态来改变输出的电压值和发电功率。进行负载设置，设置升载时的电流起始值 10 A、终止值130 A、步长 10 A和间隔时间 30 s，降载时电流起始值 130 A，终止值 0 A，步长 10 A，间隔时间 30 s，启动测试台，通过预设的工况命令自动执行。(3)结束阶段测试结束后，记录实验数据，绘制图表，并打开氮气吹扫开关进行吹扫，一段时间后关闭气阀电源，取下测试产品，整理测试台，结束测试。3 测试数据分析依照设计的测试流程，对测试对象进行升载和降载测试，测试时环境温度为15，环境湿度为55%。极化特性曲线是表征燃料电池性能的重要方式，当燃料电池输出电能时，会产生电流，输出的电流会发生极化，燃料电池的欧姆极化可以在 I-V曲线中很好地体现出来。图 7为该燃料电池的极化曲线和功率曲线图，与电堆极化曲线一致。图 8 为本次测试该氢燃料电池的电流/功率随时间变化响应图，检测系统能随着设置的工况准确快速进行响应。实验结果表明，测试系统运行稳定，系统各参数控制良好。4 结语本文设计并搭建了一套氢燃料电池性能测试系统。该测试系统支持燃料气体流量控制，温度控制，气体增湿和干/湿气快速切换，电池热平衡管理，氮气吹扫，增湿消耗水补给，系统安全保护等功能。通过对 6 kW 氢燃料电池电堆进行测试，验证测试系统稳定可靠，各项功能符合预期设计目标，可满足多种类型的测试需求，有很好的应用效果。参考文献：1邵志刚，衣宝廉.氢能与燃料电池发展现状及展望J.中国科学院院刊，2019，34(4)：469-477.2侯明，衣宝廉.燃料电池技术发展现状与展望J.电化学，2012，18(1)：1-13.3程一步.氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析J.石油石化绿色低碳，2018，3(2)：5-13.4泮国荣，胡桂林，李国能，等.质子交换膜燃料电池测试系统的国内外研究进展J.能源工程，2014(1)：38-41.5邵孟，朱新坚，曹弘飞，等.燃料电池测试实验台的设计与研究J.电源技术，2017，41(7)：994-995，1000.6徐创，王建成，卫东.基于LabVIEW与 CAN 总线通讯的燃料电池监控系统设计J.电源技术，2018，42(7)：1015-1017.7史志恒.基于 LTC6811 的燃料电池检测系统设计D.大连：大连交通大学，2018.8张丽彬，陈晓宁，吴文健，等.质子交换膜燃料电池发展前景探讨J.农业工程技术(新能源产业)，2011(4)：15-19.9裴后昌.质子交换膜燃料电池水热管理研究D.武汉：华中科技大学，2014.10刘镇宁，江柯，赵韬韬，等.大功率质子交换膜燃料电池测试系统的开发与试验J.吉林大学学报(工学版)，2022(7)：1-9.11葛福臻.质子交换膜燃料电池湿度控制系统研究D.武汉：武汉理工大学，2015.12张益南.嵌入式Modbus/TCP协议的研究与实现D.杭州：浙江大学，2008.图76 kW氢燃料电池的极化曲线和功率曲线图图8燃料电池电流/功率随时间变化响应图917