雷梟，丁小松，劉柱龍

（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

近年來(lái)綠色、高效的PEMFC研究進(jìn)展不斷[1-3]?！吨袊?guó)制造2025》等規(guī)劃中均明確大力發(fā)展燃料電池汽車[4，5]，在國(guó)外氫燃料電池車已量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)仍處于技術(shù)驗(yàn)證，氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈依舊梗阻，關(guān)鍵材料長(zhǎng)期依存國(guó)外的當(dāng)下，燃料電池測(cè)試系統(tǒng)作為燃料電池領(lǐng)域重要高技術(shù)水平裝備，是氫燃料電堆產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)、應(yīng)用生態(tài)鏈中必不可少的重要橋梁。本文立足于PEMFC電堆測(cè)試系統(tǒng)的配套應(yīng)用，針對(duì)PEMFC電堆的能量轉(zhuǎn)換及熱特性，簡(jiǎn)述了一種PEMFC電堆的實(shí)用模擬器實(shí)現(xiàn)方法?？蛇m用各功率等級(jí)PEMFC電堆測(cè)試系統(tǒng)。

圖1 PEMFC電堆測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1 電堆功能

PEMFC電堆測(cè)試需要一個(gè)復(fù)雜完備的配套系統(tǒng)（如圖1），水-熱-氣-電等各種物料密集輸運(yùn)。供氣、加溫、加濕、冷卻、電能輸送等環(huán)節(jié)緊密銜接，各種類型的電磁閥、泵及工控器有序協(xié)調(diào)合作。而電堆作為一種高效能量轉(zhuǎn)化裝置，只需供給氫燃料和氧化劑，其中氫氣在陽(yáng)極分解為帶正電的氫離子，并釋放出帶負(fù)電的電子，氫離子穿過(guò)PEM膜到達(dá)陰極，而電子則由集流板匯集，在外電路與串入負(fù)載及陰極，形成電流回路，實(shí)現(xiàn)電能輸出。氧氣則在陰極與透過(guò)的氫離子及來(lái)自外電路的電子反應(yīng)生產(chǎn)水[6]。

整體反應(yīng)式表明燃料將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能（如圖2），且服從熱力學(xué)定律的一個(gè)放熱過(guò)程[7]，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)類似，燃料電池堆在工作狀態(tài)會(huì)釋放大量熱，需及時(shí)向外界消散，以使燃料電池處于合理工作溫度60～80 ℃區(qū)間[8]。

2 模擬器組分

模擬器由電力電子電能轉(zhuǎn)換裝置、膜片電壓生成、物料平衡調(diào)節(jié)、及虛擬信號(hào)單元、綜合控制器組成。綜合控制器響應(yīng)PEMFC測(cè)試系統(tǒng)指令，及傳感器反饋信號(hào)，自動(dòng)匹配各組分單元調(diào)整參量。采用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電能及膜片電壓生成；跟隨物料平衡算法，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水、溫及信號(hào)參量，能快速驗(yàn)證各種功率等級(jí)PEMFC電堆測(cè)試平臺(tái)控制及參數(shù)校驗(yàn)的便捷實(shí)用配套裝置。

模擬器采用上下區(qū)間緊密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上層為水箱體，內(nèi)設(shè)文氏射流管，PWM泵動(dòng)態(tài)跟隨增/減反應(yīng)水。主/副熱管聯(lián)動(dòng)調(diào)整箱體中水溫的升/降；側(cè)面布設(shè)熱傳感器轉(zhuǎn)換接口。下層放置綜合控制、電能轉(zhuǎn)換、物料補(bǔ)充泵及熱管投切器件。膜片電壓?jiǎn)卧捎脩冶坌问娇山Y(jié)合電壓巡檢采集器就近放置。模擬器主要功能見圖3。

圖2 PEMFC電堆功能

圖3 模擬器主要功能

2.1 可調(diào)電能生成

PEMFC陽(yáng)極生成電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，形成穩(wěn)定的直流電能。電力電子技術(shù)中實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換的方式多樣，如單相橋式、三相橋式、6相半波、PWM整流、IGBT電源等。PEMFC電堆電池片層疊串聯(lián)，每片直流電壓＜2 V，各種功率等級(jí)電堆，需采用不同數(shù)量的膜片串、并組合。模擬器的功率等級(jí)無(wú)需太大，直流電壓DC 0～500 V，直流電流0～50 A，能維持饋能電子負(fù)載運(yùn)行，及模擬膜片電壓生成，確保整個(gè)PEMFC測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行即可。綜合電能可控可調(diào)，直流電壓等級(jí)，電能變換單元（見圖4）采用三相可控橋式變流型式[9]，模塊化設(shè)計(jì)[10]。三相市電AC 380 V/50 Hz接入，快速電壓、電流反饋及實(shí)時(shí)脈沖控制相結(jié)合，形成DC 0～500 V范圍可調(diào)直流電壓，動(dòng)態(tài)恒功率模式運(yùn)行，實(shí)時(shí)響應(yīng)PEMFC測(cè)試系統(tǒng)輸入氣體流量，換算輸出與之匹配的直流電流，及恒功率下的直流電壓，實(shí)現(xiàn)類似電堆功率曲線輸出。

圖4 電能變換單元

2.2 膜片電壓生成

因燃料電池?zé)o法避免缺氣、水淹、反極、短路等各種失效，其健康狀態(tài)主要由單體電壓反映，如電堆過(guò)濕、過(guò)干、缺氣等不良操作或機(jī)械損傷等因素均會(huì)使單體電壓發(fā)生改變[11]。鑒于電堆由單體層疊串聯(lián)而成，其電勢(shì)疊加特性，可將電壓生成模塊串聯(lián)，或多組并聯(lián)組合，串/并綜合方式擴(kuò)展，以應(yīng)對(duì)各功率等級(jí)，膜片差異。模塊化電壓?jiǎn)卧幚?，單個(gè)模塊最大膜片數(shù)量≥250個(gè)，將膜片電壓生產(chǎn)模塊（膜片電壓模擬單元見圖5）與電子饋能負(fù)載并聯(lián)，匯入直流電壓母線。采用高阻分壓原理，形成單通道-2 000～ +2 000 mV量值范圍直流電壓。模塊采用PCB雙層板雙面集中布設(shè)，接口錯(cuò)位，內(nèi)設(shè)偏壓結(jié)點(diǎn)，可對(duì)某一或多條通道電壓同時(shí)進(jìn)行調(diào)整；或通過(guò)換向結(jié)點(diǎn)，將通道電壓反向，以模擬電堆膜片電壓偏移、反向故障。

2.3 物料調(diào)節(jié)單元

進(jìn)出物料管道置于水箱體中，經(jīng)由文氏管射流器和電熱管實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水量及溫升。隨PEMFC測(cè)試系統(tǒng)氣體輸入量，動(dòng)態(tài)核算產(chǎn)生水量及功率大小，并由功率大小，反向推算當(dāng)前熱功耗（反應(yīng)物的消耗量和水的生成量見表1，物料調(diào)節(jié)單元見圖6）。氫燃料電池的理論效率高達(dá)83 %[6]，實(shí)際運(yùn)行50～60 %區(qū)間。反應(yīng)時(shí)生成的大部分熱量經(jīng)冷卻水熱傳導(dǎo)及對(duì)流吸收，通過(guò)輻射方式耗散的熱量低，因各種類型不同功率等級(jí)電堆設(shè)計(jì)固有差異，散熱能力不同，可預(yù)留動(dòng)態(tài)設(shè)置堆體消散權(quán)重系數(shù)以核定堆體熱耗功率，通過(guò)熱管補(bǔ)溫器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)溫升，模擬各種電堆發(fā)熱。

表1 反應(yīng)物的消耗量和水的生成量（每安培）[6]

圖5 膜片電壓模擬單元

圖6 物料調(diào)節(jié)單元

2.4 虛擬信號(hào)單元（見圖7）

圖7 虛擬信號(hào)處理單元

將PEMFC測(cè)試平臺(tái)的熱傳感器，接入物料調(diào)節(jié)箱的內(nèi)置接口，直接檢測(cè)箱內(nèi)水溫，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬器的熱變化。綜合控制器通過(guò)內(nèi)置模擬量模塊，直接給出電信號(hào)。電能變換中的電壓、電流傳感器，可提供電能參數(shù)信號(hào)。三種信號(hào)給出形式并存，或互為備用。

2.5 綜合控制單元

電堆測(cè)試系統(tǒng)指令的上下流轉(zhuǎn)，模擬電能參量的動(dòng)態(tài)限定調(diào)節(jié)，溫控?zé)峁芡肚?，水量的調(diào)整，虛擬信號(hào)生成，需兼具高效可靠邏輯控制、數(shù)據(jù)通信、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入輸出，且抗干擾能力強(qiáng)、適用及改造性強(qiáng)、維修方便的綜合控制器。西門子S7-1200系列PLC其擴(kuò)展性能，通訊功能強(qiáng)大。集成的RS485和以太網(wǎng)接口，使通訊極為簡(jiǎn)便；可帶I/O點(diǎn)數(shù)較多，能擴(kuò)展 8個(gè)數(shù)字量和模擬量模塊；且CPU自帶兩點(diǎn)模擬量，還可擴(kuò)展一塊1AO或2DI/2DO信號(hào)板，用于高速輸入、輸出脈沖。S7-1200又兼具PID參數(shù)設(shè)置和調(diào)試的自整定功能，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[12]，其綜合性價(jià)比，滿足模擬器控制需求。

3 結(jié)論

本文立足PEMFC測(cè)試應(yīng)用需求，綜合電力電子、信息處理等技術(shù)成果，遵循PEMFC電池基本原理，簡(jiǎn)述了一種PEMFC電堆簡(jiǎn)易模擬器實(shí)現(xiàn)方法。