方 川，黃海燕，徐梁飛，李建秋，洪 坡，江宏亮，趙興旺，胡尊嚴(yán)

（清華大學(xué)汽車工程系，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

質(zhì)子交換膜燃料電池具有高效、清潔和無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，是未來汽車動(dòng)力能源的技術(shù)制高點(diǎn)，也是國(guó)內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)和跨國(guó)企業(yè)的研究熱點(diǎn)。在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和開發(fā)應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)中，燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)的技術(shù)水平起著至關(guān)重要的作用。然而市場(chǎng)現(xiàn)有的測(cè)試臺(tái)架僅能滿足簡(jiǎn)單的電堆或單片性能測(cè)試，適用于燃料電池堆設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，但無法滿足對(duì)車用工況下燃料電池性能研究的需要，也無法模擬新型燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。

為了研發(fā)具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、趕超世界先進(jìn)水平的長(zhǎng)壽命、高可靠性燃料電池系統(tǒng)，急需具有與之相匹配的研發(fā)測(cè)試平臺(tái)，為此，作者研發(fā)了用于深入研究車用燃料電池堆特性和系統(tǒng)控制的多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)。經(jīng)過幾輪設(shè)計(jì)、改進(jìn)和試用，目前該平臺(tái)已能對(duì)燃料電池堆內(nèi)部溫度、壓力、濕度和電流密度等性能參數(shù)進(jìn)行有效測(cè)試。

1 多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)

圖1 多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)［1］

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的多功能燃料電池測(cè)試平臺(tái)主要由燃料電池堆供氣系統(tǒng)與增濕系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。

（1）供氣系統(tǒng)和增濕系統(tǒng) 燃料電池堆工作所需的高壓空氣由實(shí)驗(yàn)室空氣壓縮機(jī)提供，測(cè)試用氫氣由防爆氫房?jī)?nèi)的高壓氫氣瓶提供，吹掃用的氮?dú)庥赏庵玫獨(dú)馄刻峁?。其中，為了解決實(shí)驗(yàn)過程中空氣供給過程中壓力波動(dòng)較大，導(dǎo)致空氣流量控制不準(zhǔn)的問題，通過對(duì)實(shí)測(cè)壓力波動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)頻譜分析，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的穩(wěn)壓罐和穩(wěn)壓閥，解決了供氣壓力波動(dòng)問題。為保障氫氣使用安全，實(shí)驗(yàn)室安裝了氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氫氣泄露時(shí)自動(dòng)強(qiáng)制排風(fēng)和切斷氫氣供給的安全功能。該測(cè)試平臺(tái)配有陰極膜增濕器和陽(yáng)極鼓泡增濕器，可分別選擇空氣和氫氣進(jìn)氣是否增濕和靈活設(shè)置增濕水溫，滿足不同實(shí)驗(yàn)研究的要求［2］。

（2）冷卻系統(tǒng) 針對(duì)燃料電池冷卻系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于模型預(yù)測(cè)的水溫控制算法，成功地實(shí)現(xiàn)了將冷卻系統(tǒng)水溫的波動(dòng)控制在±1℃范圍的目標(biāo)。該方法已應(yīng)用于燃料電池客車的冷卻系統(tǒng)控制中。為了研究燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)問題，測(cè)試系統(tǒng)中集成了工業(yè)冷水機(jī)，可為燃料電池堆提供溫度為-25℃的冷卻液，為在系統(tǒng)層面研究燃料電池冷起動(dòng)過程提供了實(shí)驗(yàn)條件。

（3）電氣系統(tǒng) 在電氣系統(tǒng)方面進(jìn)行了柔性設(shè)計(jì)，即：電堆電子負(fù)載可選用商用直流電子負(fù)載，滿足正常研究測(cè)試需求；也可選用電化學(xué)工作站，以測(cè)量燃料電池堆內(nèi)的交流阻抗，用于開展燃料電池水管理方面的研究。在此基礎(chǔ)上，集成了車用燃料電池專用單片電壓巡檢裝置，通過車用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合。

（4）監(jiān)控系統(tǒng) 一方面當(dāng)下所關(guān)注的燃料電池壽命問題中的重要研究課題是：燃料電池堆內(nèi)部工作機(jī)理的研究，這需要獲得眾多相關(guān)測(cè)量參數(shù)；另一方面為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得所有所需參數(shù)，還須解決電磁干擾，如弱電與強(qiáng)電之間的干擾等問題。為此，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于Labview軟件平臺(tái)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將測(cè)試監(jiān)控界面、系統(tǒng)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存有效地融為一體。運(yùn)用車用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各傳感器、執(zhí)行器和監(jiān)控軟件的實(shí)時(shí)通信，通信速率為250 kbps／500 kbps，CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。利用網(wǎng)絡(luò)化分布式控制技術(shù)，避免了電磁干擾和采樣延時(shí)等問題，為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了有力保障。

1.2 系統(tǒng)功能

（1）多物理量信號(hào)全工況同步測(cè)量

該燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了車用燃料電池堆測(cè)試過程中多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量，通過對(duì)各測(cè)量點(diǎn)傳感器的有效布置和軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了車用燃料電池動(dòng)態(tài)測(cè)試過程中空氣回路、氫氣回路和冷卻液回路中多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度、濕度、氣體（空氣、氫氣）流量、氣體濃度（空氣、氫氣、水蒸氣、氮?dú)猓┖碗妷?、電流、阻抗等參?shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量，以滿足研究電堆內(nèi)部機(jī)理所需參數(shù)測(cè)量的要求。

此外，通過控制氫氣、空氣和冷卻回路的流量、壓力、濕度等物理量，可實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆在不同過量空氣系數(shù)、過量氫氣系數(shù)、壓力、濕度和電堆溫度等條件下工作［3］。與商業(yè)化的設(shè)備相比，電堆工作條件覆蓋范圍更廣、可測(cè)物理量更全，且具備二次開發(fā)條件，為深入研究燃料電池堆機(jī)理方面提供了有效測(cè)試手段。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化通信和數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)

圖3 燃料電池雙循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

（2）雙循環(huán)工作模式

為深入研究影響燃料電池堆壽命的因素，如電堆內(nèi)的濕度、氫氣濃度分布是否均勻等問題，在該平臺(tái)上研發(fā)了燃料電池堆的陰極和陽(yáng)極再循環(huán)裝置，其系統(tǒng)原理如圖3所示［4-5］。

雙循環(huán)裝置主要優(yōu)點(diǎn)：可利用排氣中的水實(shí)現(xiàn)內(nèi)部自增濕，這樣可省去額外的增濕裝置［6］；氫氣再循環(huán)可提高氫氣利用率，改善陽(yáng)極內(nèi)部氫氣濃度分布均勻性，避免局部氫氣缺乏；陰極再循環(huán)可實(shí)現(xiàn)氧氣濃度閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小負(fù)載下的電壓鉗位控制，避免長(zhǎng)時(shí)間處于高電位下工作造成電堆壽命衰減［7］。

通過臺(tái)架上的雙循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行了基于雙循環(huán)的某燃料電池系統(tǒng)電壓鉗位和自增濕的研究，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)了該新型燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)為雙循環(huán)系統(tǒng)的控制方法研究提供了有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為在實(shí)際車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用雙循環(huán)系統(tǒng)提供了有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

2017年是互聯(lián)網(wǎng)期刊行業(yè)面臨重大改革的一年，大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)的發(fā)展將會(huì)為互聯(lián)網(wǎng)期刊行業(yè)的信息服務(wù)帶來巨大的變革：一方面在政策和行業(yè)的風(fēng)口下互聯(lián)網(wǎng)期刊已經(jīng)從單純的資源匯集與提供向知識(shí)服務(wù)邁進(jìn)一大步，而且逐漸向智慧型知識(shí)服務(wù)發(fā)展；另一方面在大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的推動(dòng)下響應(yīng)用戶的潛在需求，能夠更加精準(zhǔn)的進(jìn)行知識(shí)傳播與決策服務(wù)。各行業(yè)、各類機(jī)構(gòu)目前都對(duì)大數(shù)據(jù)與知識(shí)管理有著強(qiáng)烈需求，并針對(duì)本行業(yè)、本機(jī)構(gòu)的大數(shù)據(jù)與機(jī)構(gòu)知識(shí)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)際，又衍生出眾多個(gè)性化需求。

1.3 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在研發(fā)的測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了質(zhì)子交換膜燃料電池的雙循環(huán)功能探究與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用商用大面積10 kW燃料電池電堆，陰極和陽(yáng)極均使用未經(jīng)增濕的供氣條件，利用雙循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行尾氣再循環(huán)，探究其自增濕和電壓鉗位的功能。

2.1 基于雙循環(huán)的電壓鉗位實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該臺(tái)架功能，以較低的實(shí)驗(yàn)成本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且能覆蓋盡可能多的實(shí)驗(yàn)工況，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，按照4因素、3水平正交表進(jìn)行電壓鉗位實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如表2所示，測(cè)試過程中燃料電池堆的陰極和陽(yáng)極均采用再循環(huán)的工作方式。

表2 電壓鉗位控制實(shí)驗(yàn)條件表

正交實(shí)驗(yàn)表如表3所示。

表3 電壓鉗位控制實(shí)驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)表

表4 各參數(shù)對(duì)燃料電池電壓鉗位效果影響

實(shí)驗(yàn)的輸出指標(biāo)為單片電壓、陰極入口的相對(duì)濕度、高頻阻抗、陰極出入口的氧氣摩爾比例和陰極氧氣濃度差異，結(jié)果如表4所示。從表中可看出，燃料電池堆各參數(shù)對(duì)上述4個(gè)變量的靈敏度有明顯差異。如，單片電壓對(duì)燃料電池電流密度要更加敏感，而對(duì)空氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和增濕水溫度則較不敏感，燃料電池單片流道內(nèi)氧氣濃度明顯對(duì)新鮮過量空氣系數(shù)更加敏感，而單片高頻阻抗對(duì)陰極增濕水溫度則非常敏感，表明質(zhì)子交換膜含水量直接影響高頻阻抗值。

2.2 基于雙循環(huán)的自增濕實(shí)驗(yàn)

基于雙循環(huán)自增濕效果實(shí)驗(yàn)，采用了與電壓鉗位功能驗(yàn)證相同的正交實(shí)驗(yàn)方法，研究4個(gè)變量對(duì)燃料電池堆自增濕效果的影響程度。

圖4 雙循環(huán)自增濕效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各變量對(duì)自增濕效果的影響如表5所示。從表中可看到4個(gè)變量對(duì)燃料電池各參數(shù)的影響有明顯差異。如，提高陰極增濕水溫度能提高陰極入口空氣相對(duì)濕度，從而顯著改善燃料電池單片電壓；同樣，燃料電池進(jìn)氣濕度增加，能增加質(zhì)子交換膜內(nèi)含水量，減小膜內(nèi)質(zhì)子傳導(dǎo)阻抗，促進(jìn)燃料電池單片電壓增加。

表5 各變量對(duì)自增濕效果的影響

3 結(jié)論

針對(duì)新型燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)研發(fā)了帶有陰極和陽(yáng)極再循環(huán)系統(tǒng)的多功能燃料電池實(shí)驗(yàn)臺(tái)。雙循環(huán)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了流量、壓強(qiáng)、溫度的解耦控制，也為研究改善燃料電池堆工作過程中的水管理和電壓控制提供了良好的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。針對(duì)該測(cè)試平臺(tái)多節(jié)點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)傳輸易受干擾的問題，對(duì)各信號(hào)采集方式進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了車用燃料電池堆測(cè)試過程中多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量，解決了眾多不同類型參數(shù)（氣 水 熱 電）不易實(shí)時(shí)測(cè)量、精度不易保證的問題。監(jiān)控系統(tǒng)軟件的研發(fā)，滿足了對(duì)測(cè)試平臺(tái)的各個(gè)部件實(shí)時(shí)控制的要求，保證各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和保存。通過運(yùn)用車用CAN總線通信技術(shù)，集成了嵌入式控制器，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化通信和數(shù)據(jù)融合，既保證了實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員對(duì)系統(tǒng)的靈活控制，又提供了便捷可靠的操作平臺(tái)。

基于該實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)燃料電池陰極再循環(huán)方案進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，陰極再循環(huán)能通過對(duì)氧氣分壓的控制實(shí)現(xiàn)燃料電池的電壓鉗位，以緩解怠速高電位對(duì)燃料電池耐久性的影響。此外，陰極再循環(huán)使燃料電池進(jìn)氣濕度增加，改善膜的含水狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)燃料電池自增濕，該方案能進(jìn)一步應(yīng)用于車用燃料電池系統(tǒng)，取消外部增濕器，提高系統(tǒng)集成度和環(huán)境適應(yīng)性，改善電堆工作條件。