PEMFC電堆簡易模擬器

雷梟，丁小松，劉柱龍

（1.廣州擎天實業有限公司，廣州 510860； 2.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510860）

引言

近年來綠色、高效的PEMFC研究進展不斷[1-3]。《中國制造2025》等規劃中均明確大力發展燃料電池汽車[4，5]，在國外氫燃料電池車已量產，國內仍處于技術驗證，氫燃料電池產業鏈依舊梗阻，關鍵材料長期依存國外的當下，燃料電池測試系統作為燃料電池領域重要高技術水平裝備，是氫燃料電堆產品設計開發、性能檢測與評價、應用生態鏈中必不可少的重要橋梁。本文立足于PEMFC電堆測試系統的配套應用，針對PEMFC電堆的能量轉換及熱特性，簡述了一種PEMFC電堆的實用模擬器實現方法。可適用各功率等級PEMFC電堆測試系統。

圖1 PEMFC電堆測試系統簡圖

1 電堆功能

PEMFC電堆測試需要一個復雜完備的配套系統（如圖1），水-熱-氣-電等各種物料密集輸運。供氣、加溫、加濕、冷卻、電能輸送等環節緊密銜接，各種類型的電磁閥、泵及工控器有序協調合作。而電堆作為一種高效能量轉化裝置，只需供給氫燃料和氧化劑，其中氫氣在陽極分解為帶正電的氫離子，并釋放出帶負電的電子，氫離子穿過PEM膜到達陰極，而電子則由集流板匯集，在外電路與串入負載及陰極，形成電流回路，實現電能輸出。氧氣則在陰極與透過的氫離子及來自外電路的電子反應生產水[6]。

整體反應式表明燃料將化學能直接轉換為電能（如圖2），且服從熱力學定律的一個放熱過程[7]，與傳統發動機類似，燃料電池堆在工作狀態會釋放大量熱，需及時向外界消散，以使燃料電池處于合理工作溫度60～80 ℃區間[8]。

2 模擬器組分

模擬器由電力電子電能轉換裝置、膜片電壓生成、物料平衡調節、及虛擬信號單元、綜合控制器組成。綜合控制器響應PEMFC測試系統指令，及傳感器反饋信號，自動匹配各組分單元調整參量。采用電力電子技術實現動態電能及膜片電壓生成；跟隨物料平衡算法，可實時調節水、溫及信號參量，能快速驗證各種功率等級PEMFC電堆測試平臺控制及參數校驗的便捷實用配套裝置。

模擬器采用上下區間緊密結構設計，上層為水箱體，內設文氏射流管，PWM泵動態跟隨增/減反應水。主/副熱管聯動調整箱體中水溫的升/降；側面布設熱傳感器轉換接口。下層放置綜合控制、電能轉換、物料補充泵及熱管投切器件。膜片電壓單元采用懸臂形式可結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 可調電能生成

PEMFC陽極生成電子經外電路到達陰極，形成穩定的直流電能。電力電子技術中實現AC/DC轉換的方式多樣，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，每片直流電壓＜2 V，各種功率等級電堆，需采用不同數量的膜片串、并組合。模擬器的功率等級無需太大，直流電壓DC 0～500 V，直流電流0～50 A，能維持饋能電子負載運行，及模擬膜片電壓生成，確保整個PEMFC測試系統運行即可。綜合電能可控可調，直流電壓等級，電能變換單元（見圖4）采用三相可控橋式變流型式[9]，模塊化設計[10]。三相市電AC 380 V/50 Hz接入，快速電壓、電流反饋及實時脈沖控制相結合，形成DC 0～500 V范圍可調直流電壓，動態恒功率模式運行，實時響應PEMFC測試系統輸入氣體流量，換算輸出與之匹配的直流電流，及恒功率下的直流電壓，實現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

因燃料電池無法避免缺氣、水淹、反極、短路等各種失效，其健康狀態主要由單體電壓反映，如電堆過濕、過干、缺氣等不良操作或機械損傷等因素均會使單體電壓發生改變[11]。鑒于電堆由單體層疊串聯而成，其電勢疊加特性，可將電壓生成模塊串聯，或多組并聯組合，串/并綜合方式擴展，以應對各功率等級，膜片差異。模塊化電壓單元處理，單個模塊最大膜片數量≥250個，將膜片電壓生產模塊（膜片電壓模擬單元見圖5）與電子饋能負載并聯，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，接口錯位，內設偏壓結點，可對某一或多條通道電壓同時進行調整；或通過換向結點，將通道電壓反向，以模擬電堆膜片電壓偏移、反向故障。

2.3 物料調節單元

進出物料管道置于水箱體中，經由文氏管射流器和電熱管實時調節水量及溫升。隨PEMFC測試系統氣體輸入量，動態核算產生水量及功率大小，并由功率大小，反向推算當前熱功耗（反應物的消耗量和水的生成量見表1，物料調節單元見圖6）。氫燃料電池的理論效率高達83 %[6]，實際運行50～60 %區間。反應時生成的大部分熱量經冷卻水熱傳導及對流吸收，通過輻射方式耗散的熱量低，因各種類型不同功率等級電堆設計固有差異，散熱能力不同，可預留動態設置堆體消散權重系數以核定堆體熱耗功率，通過熱管補溫器實時調節溫升，模擬各種電堆發熱。

表1 反應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 物料調節單元

2.4 虛擬信號單元（見圖7）

圖7 虛擬信號處理單元

將PEMFC測試平臺的熱傳感器，接入物料調節箱的內置接口，直接檢測箱內水溫，實時監測模擬器的熱變化。綜合控制器通過內置模擬量模塊，直接給出電信號。電能變換中的電壓、電流傳感器，可提供電能參數信號。三種信號給出形式并存，或互為備用。

2.5 綜合控制單元

電堆測試系統指令的上下流轉，模擬電能參量的動態限定調節，溫控熱管投切，水量的調整，虛擬信號生成，需兼具高效可靠邏輯控制、數據通信、數字量輸入/輸出、模擬量輸入輸出，且抗干擾能力強、適用及改造性強、維修方便的綜合控制器。西門子S7-1200系列PLC其擴展性能，通訊功能強大。集成的RS485和以太網接口，使通訊極為簡便；可帶I/O點數較多，能擴展 8個數字量和模擬量模塊；且CPU自帶兩點模擬量，還可擴展一塊1AO或2DI/2DO信號板，用于高速輸入、輸出脈沖。S7-1200又兼具PID參數設置和調試的自整定功能，其工程組態直觀、易學和易用，在中小型自動化控制系統中具有極高的性價比[12]，其綜合性價比，滿足模擬器控制需求。

3 結論

本文立足PEMFC測試應用需求，綜合電力電子、信息處理等技術成果，遵循PEMFC電池基本原理，簡述了一種PEMFC電堆簡易模擬器實現方法。