氢燃料电池性能检测系统设计.pdf
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1、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
2、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
3、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,solenoi
4、d 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 sy
5、stem 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 Sieme
6、ns 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 simu
7、lation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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
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