（动力机械及工程专业论文）燃料电池发动机实验室测试系统的设计.pdf

武汉理t 大学硕十学位论文 中文摘要 近年来，环境污染越来越严重，石油资源越来越枯竭，寻求汽车新的动力源已经 成为世界汽车领域研究和发展的热点。燃料电池晟大优点是高效率、低能耗和低污染 排放。以燃料电池为动力的电动车具有舒适、干净、没有音、无力学振动、对环境污 染小、能源利用率高等特点。因而开发车用燃料电池动力系统成为新能源利用的热点 问题。进行燃料电池组( p e l l f c ) 和燃料电池发动机( p e m f c e ) 的开发必须通过科学规范 的测试来实现。本文详细论述了燃料电池发动机测试平台的设计方案。 质子交换膜燃料电池的运行需要特殊的压力、湿度、温度条件，任何一个因素都 会对p e m f c 的功率输出产生影响。由于车载p e m f c e 的特殊性，目前不能够在车载系 统中完成各个参数的标定；并且为了对p e m f c e 总成进行评价，需要能够完成燃料电 池发动机电池本体和总成测试的实验室测试系统。 燃料电池发动机实验室测试系统需要为燃料电池发动机提供理想的供气湿度、流 量和压力，并通过近似车载系统的负荷加载方式吸收功率。本文从硬件系统和软件系 统两个方面，详细论述了测试系统的组成、原理、运行方式和要实现的目标。测试系 统的供气系统可为p e m f c e ( 燃料电池发动机) 提供标准空气和氢气源：测试系统中的 加湿子系统基于露点下水蒸汽饱和析出的原理；可对反应气定量加湿。系统中的辅助 散热系统为p e m f c e 提供可控的工作温度。 测试系统特别对于能量管理和系统控制做了重点说明，系统的能量管理结构为 d c d c 一电机一动态试验台，基于工业控制型计算机的控制网络不仅可以通过i o 模 板对参数进行现场采集而且可以与燃料电池、d c d c 、交流电机控制器进行实时双向 通讯。 测试系统的软件设计是基于p e m f c e 测试的硬件条件和测试目的，结合国产的工 业控制软件组态王完成的，软件系统提供了测试系统所需要的完善的功能，并从试验 工程控制的角度提供了方便易用的操作界面。同时，本文对于测试系统内的常用算法 也进行了阐述，对于p i d 控制在测试系统中的应用进行了研究。 此外，本文对于系统运行的流程和测试方法也给予了初步的阐述。从电池本体测 试和总成测试两个方面提出了测试方案。 关键字：质子交换膜燃料电池发动机测试系统组态王p i d 茎堡墨王查堂堡兰壁笙塞 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n di e s o u f c ee x h a u s t i n gi sb e c o m i n gm o r e a n dm o r es e r i o u s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti na u t o m o t i v ei n d u s t r ys t a r tt of o c u so n s e e k i n gn e we n e r g yr e s o l u r c e f u e lc e l ls t a c kh a sa l o to fs t r o n gp o i n t ss u c ha sh i g h e f f i c i e n ta n dl o we m i s s i o n ，a n df u e lc e l le l e c t r i ce n g i n eh a sg o o df e a t u r e ss u c ha sc o m f o r t ， c l e a na n dn ov i b r m i o n t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gf u e lc e l lp o w e rp l a n to nv e h i c l et u r n si n t o t h e h o t s p o t o nn e we n e r g yr e s o u r c er e s e a r c h t h i st h d s i si l l u s t r a t i o nt h ed e s i g no f p e m f c e ( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e s f u e lc e l le n g i n e ) s y s t e m p e m f c et e s ts y s t e mi sr e q u r e dt os u p p l yi d e a lh u m i d i t y , f l o wr a t ea n dp r e s s u r eo ft h e r e a c t a n tg a sa n das e to fi n s t r u m e n t st h a ti ss i m i l a rt of u e lc e l lv e h i c l e s y s t e m t oc o n s u m e t h ep o w e r b e c a u s ea n yf a c t o ra b o v ec o u l di n f l u e n c et h ep o w e r o u t p u t t h ec o m p o s i t i o n s o ft h es y s t e m ，t h eb a s i ct h e o r i e so ft h es y s t e m ，t h ew a y so fo p e r a t i n ga n dt h eo b j e c t i v e s t h a ta r eg o i n gt ob er e a l i z e da r ei l l u m i n a t e do nt h et w o a s p e c t so f t h eh a r d w a r e s y s t e ma n d t h es o f t w a r es y s t e m t h eo p e r a t i o no ft h eh u m i d i 助n g s y s t e mb a s e s o nt h et h e o r yt h a tt h e h u m i d i t yi ng a sa l w a y sc h a n g e s 、撕t hd e w p o i n tt e m p e r a t u r e i nt h i sm e t h o d t h eh u m i d i t y i nr e a c t a n tg a sc o u l db ec o n t r o l l e dp r e c i s e l y t h ep e m f c ei d e a lo p e r a t i o nt e m p e r a t u r e c o u l d b eo b t a i n e db yt h ea u x i l i a r yh e a t m a n a g e m e n ts y s t e m e s p e c i a l l y , t h ei l l u m i n a t i o nf o c u s e so nt h ee n e r g ym a n a g e m e n ta n dt h ec o n t r o lo ft h e s y s t e m n l et e s t i n gs y s t e mh a sas p e c i a le n e r g ym a n a g e m e n tw i t hd c ，d c e l e c t r o m e t e r a n dd y n a m i ct e s t i n gb e n c h t h ec o n t r o ln e t w o r kc a nc o l l e c tt h ed a t aa n dc o m m u n i c a t e w i t hp e 硬c e , d c ，d ca n de l e c t r o m e t e rc o n t r o l l e ra tr e a lt i m e n es o f t w a r ed e s i g nb a s e so nt h eh a r d w a r ec o n d i t i o na n d t a r g e ti np e m f c e t e s ts y s t e m w i t ht h ec h i n e s es o f t w a r e d e v e l o p m e n tt o o l s ，t h e s o f t w a r e p r o v i d e s t h e n e c e s s a r y f u n c t i o n sa n dc o n v e n i a n to p e r a t i o ni n t e f f a c ef o rt e s t p r o c e s sc o n t r 0 1 f u r t h e r m o r e ，p i d c o n t r o l ，ap o p u l a rw a yo fc o n t r o li sd i s u s e d ，a n dh o wt oa p p l yi nt e s ts y s t e mi sr e s e a r c h e d i nt l l i st h e s i s m e a n w h i l e ，t h ep r o c e s so ft h es y s t e mo p e r a t i n ga n dt h em e t h o d so ft e s t i n gh a v eb e e n e x p a t i a t e do np r i m a r i l y a k i n do ft e s ts c h e m ei ss h o w ni nt h i st h e s i so nf u e lc e l ls t a c kt e s t a n dp e m f c e p o w e rp l a n t t e s t k e yw o r d s ：p e m f c e t e s ts y s t e m k i n g - v i e w p i d i l 武汉理t 大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章概述 自2 0 世纪下半叶以来，世界各国都投入巨资进行洁净新能源的研究与开发，中 国也早在“六五”期间就开始了相关的研究工作。其中，氢能作为一种可再生的清洁 能源，引起了人们的广泛关注。 目前，氢能的利用形式主要有两种，一是直接将氢燃烧，使氢能转化为热能或电 能；二是通过先进的发电装置，如燃料电池，将氢能转化为电力。燃料电池已有一百 多年的研究历史，但直至2 0 世纪9 0 年代才实现技术上的真正突破。随着实用型质子 交换膜燃料电池的研制成功，人们逐渐看到了氢能作为清洁能源的意义之所在。 质子交换膜燃料电池能在室温工作，而且电池启动速度快，能源转化效率高。因 此，它不仅可以替代普通的二次电池，而且可以作为汽车的动力源，取代常规的汽油、 柴油发动机，大大降低环境污染。一些发达国家和世界各大汽车公司都投入相当多的 人力、物力和财力进行质子交换膜燃料电池电动车的开发。德加拿大国防部花巨资支 持b a u a r d 公司研究这类电池i l 】，使b a l l a r d 公司成为当今世界p e m f c 研发的先驱， 其p e m f c 产品代表了当今的研究方向和最高水平。加拿大计划将p e m f c 发展成国 家的支柱产业，其p e m f c 技术已发展到实用阶段。美国将p e m f c 技术列为涉及国 家安全的技术之一。戴姆勒一克莱斯勒公司已相继推出以质子交换膜燃料电池为动力 的n e c a r 系列电动小汽车和n e b u s 电动大客车【2 l ；美国电动汽车市场分析专家对 市场进行了预测，预计2 0 1 0 年美国市场上以燃料电池为动力的汽车将达到6 0 多万辆 ( 占美国汽车市场4 的份额) ，其中采用p e m f c 的车将占8 0 t 3 1 。国家科技部在“九 五”期间也组织国内相关单位以质子交换膜燃料电池及其应用为重点，组织科技攻关。 燃料电池除用作汽车动力外，还应用于电站、潜艇动力等。近年来，随着质子交换膜 燃料电池的性能价格比逐渐提高，以及其它类型的燃料电池技术的迅速发展，人们意 识到在不久的将来，燃料电池也将走进人们的日常生活。 质予交换膜燃料电池可以不需要经过燃烧将燃料中蕴藏的化学能直接连续地转 化为电能。它以氢气为燃料，也可以附带一个燃料重整制氢转化器直接用甲醇、天然 气、汽油等作燃料，只要将燃料和空气( 或纯氧憾续提供给p e m f c ，就能连续稳定 地产生电能。p e m f c 具有以下特点： ( 1 ) p e m f c 的能量转化效率高，功率密度高，可在一切海陆运载工具上用作 新型无污染发动机；以氢气为燃料、氧气或空气为氧化剂，副产物仅仅是纯净水； ( 2 ) 系统结构可靠，无运动部件，无噪声；内部部件( 主要指电解质质子交换 武汉理t 大学硬十学位论文 膜) 无腐蚀，无毒害，长期动作无需更换( 可达上万小时) 或保养；运行温度低( 不超过1 0 0 1 ，周边辅助系统简单； ( 3 )起动时间短，达到满负荷运行时间短，符合用作汽车发动机的快速起动 加速要求； ( 4 )用天然气重整或电解水，光解水，生物制氢等方法得到，是一种取之不 尽的可再生能源资源； ( 5 )氢气的生产、储存、运输和使用等技术均已成熟、安全、可靠。 但是燃料电池混合动力车辆的新能源动力系统，区别于传统的汽车燃油总成，它 包括牵引电机、动力电池组、燃料电池发动机和传动系等部件。动力系统每个部件的 性能指标的确定及优化匹配，影响燃料电池车辆的动力性和经济性。特别是燃料电池 发动机，作为一种新的氢能发电机，为了适合复杂的车辆运动环境，有必要在实验室 根据模拟的车辆动力系统，进行性能测试和评估。本文参考内燃机测试规范，根据车 辆运行要求，设计了一种车用燃料电池发动机测试系统，对2 5 k w 质子交换膜燃料电 池发动机进行测试和评估。 1 2 国内外发展现状 我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了巨大进展，积累了一 定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少。就燃料电池技术 的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重 视，1 9 9 6 年和1 9 9 8 年两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题 讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在 p e m f c 方面的研究力度。目前，“十五”国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划1 电动汽 车重大专项已经将燃料电池汽车项目列为工作重点。 在燃料电池发动实验室测试系统方面，国内清华大学学汽车安全与节能国家重点 实验室已经建成了燃料电池发动机台架实验系统。包含数据采集，实验控制，软件分 析等较完善的模块。其系统设计的思路与实旅方法有很好的借鉴价值。 1 3 课题的意义及来源 1 3 1 课题研究的意义 武汉理工大学于2 0 0 3 年开发出质子交换膜燃料电池发动机( p e m f c e ) ，并于同 2 武汉理t 大学帧十学位论文 年开发成功燃料电池车载系统。在开发中，燃料电池发动机具有不同于普通内燃机的 原理和结构，从而导致：难以提供标准强制氢气空气供给。“冷燃烧”反应造 成的高热量低温差的散热条件。难以取得和预测发动机动态特性。难以对发动机 性能进行评估。难以对发动机控制进行优化和调试。因而，具备满足要求的燃料电 池发动机测试系统对于燃料电池发动机车载系统的开发具有重要意义。 1 3 2 课题研究的来源 为了提升了电动汽车这一新产品和新兴产业的竞争力，帮助我国电动汽车开发及 其产业链的形成、产业化环境的改善、掌握新一代电动汽车关键技术、探索适合我国 能源结构多元化的交通能源动力系统。科技部提出要在体制上进行创新，选择“官， 产，学，研”联合攻关的研发模式，整合社会资源，研制具有自主知识产权的电动汽 车 4 1 。 为了配合我校2 5 k w 燃料电池电动汽车的研制，加强我校电动车开发的能力，我 校将燃料电池测试系统和动力总成开发平台列为“2 1 1 - r 程”新能源电动汽车关键技 图卜1 燃料电池实验室测试系统 术项目之一，如图1 - 1 。本文正是在此项目的背景下完成的。 武汉理丁大学硕十学位论文 本章内容旨在介绍质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 和质子交换膜燃料电池发动机 ( p e m f c e ) 的结构，工作原理和工作条件，为论文以后对实验室测试系统的设计依 据的论述作好准备。 2 1 质子交换膜燃料电池原理 典型的质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 本体够l ( 即电堆) 、电池单体及其膜电极示意 图见图2 - 1 。一个p e m f c 本体由若干个电池单体组成，如图中所示，而电池单体主 要由膜电极( 阴极和阳极) 、密封圈和带有导气通道的集流板组成，集流板通常由石墨 制成，由于其两侧均刻有导气通道，因而集流板也称为双极板。膜电极的组成如图中 下方所示，中间为质子交换膜，它除了有质子交换功能外，还可以起到隔离燃料气和 氧化剂气体的作用：膜两边是气体电极，它由兼作电极导电支撑体和气体扩散层婚碳 纸和催化剂组成。p e m f c 的结构如下： 图2 1 质子交换膜燃料电池示意图 氢气和氧气通过双极板上的导气通道分别到达电池的阳极和阴极，反应气体通过 电极上的扩散层到达质子交换膜。在膜的阳极一例，氢气在阳极催化剂的作用下解离 为氢离子( 质子) 和带负电的电子，h 2 2 h + + 2 e 【6 1 。氧气在阴极与从阳极转移过来的氢 4 茎望墨! 查堂堡主兰些丝塞 质子和离子结合成为水并释放出热，1 2 0 2 + 2 e + 2 h + 一h 2 0 【6 】。质子的这种转移导致阳 极出现带负电的电子积累，从而变成一个带负电的端子( 负极) 。与此同时，阴极的 氧气( 氢气阳极捧放 阳极 h 一2 h + + 2 e 1ll 电解质( 质子交换膜) ill 2 1 i + + 1 2 0 2 + 2 = - - 心。 阴极 图2 - 2p e m f c 原理图 氧分子与催化剂激发产生的电子发生反应，变成氧离子，使得阴极变成带正电的端子 ( 正极) ，其结果就是在阳极的带负电终端和阴极的带正电终端之间产生了一个电压。 如果此时通过外部电路将两极相连，电子就会通过回路从阳极流向阴极，从而产生电 能。同时，氢离子与氧离子发生反应生成水。 2 2 质子交换膜燃料电池工作条件和特性 2 2 1 质子交换膜燃料电池工作的温度条件 工作温度对p e m f c 的影响，主要体现在对水在空气中的饱和蒸汽压以及水在质 子交换膜中蒸汽压的影响。随着电池工作温度的上升，电池电压迅速增大，至8 0 9 0 ，电压变化趋于平缓，如图2 3 所示，这是由于低温时电池存在着明显的活化 极化，而且欧姆阻抗也较大，升高温度会降低欧姆阻抗，同时减少极化，因而改善了 电池性能。然而，在不同工作温度下，这种改善作用受到质子交换膜中水蒸汽压的限 制，当温度过高时，会使膜脱水，引起膜性能变差，造成电池性能的下降【7 1 。因而在 燃料电池工作时，需要一定范围内的散热能力。 5 武汉理工大学硕士学位论文 卿融曩 图2 - 3 电池温度对电池性能的影响 2 2 2 质子交换膜燃料电池工作的湿度条件 n g u y c n t v 和w h i t e r e 利用质量守恒和能量守恒定律，提出了一个二维 的p e m f c 的水和热管理模型，其主要结论是【8 】：在高电流密度时( 1 州1 2 ) 损失是电 池过电位的主要部分，从阴极扩散到阳极的水分已不能维持膜完全处于水饱和状态 【9 j ，使得膜电阻增大，为了减小欧姆损失，阳极气流必须增湿：而且当以空气代替纯 氧时，阴极气流也必须增湿。反应气体的湿化程度对质子膜的导电性能有着很大的影 响，质子膜的导电性随其含水量的增加而增加。随着氢气湿度的增加，保持水平衡所 需电流密度降低。随着反应气体湿度的不同，电池输出的最大电流也有所不同，如图 01 0 02 0 03 4 0 0g 0 0 6 0 07 0 0 最大放电电流m 图2 4 反应气湿度对电堆性能的影响 6 篁-世簪尊量 哪 咖 稻 啪 枷 瑚 o l_董*姐扩坷嗵 茎坚堡二查茎堡主兰些竺主 2 - 4 所示的某型燃料电池，当反应气体中的水含量为4 0 0 m e j l 时，电池输出电流最大。 2 2 3 质子交换膜燃料电池工作的压力条件 要想获得更高的功率密度，p e m f c 必须在更高的压力下工作，尤其是对于阴极 的反应物( 氟或空气) 而言。通常来说，在质子交换膜两侧的反应气体的压力要保持相 等，这样可将气体通过交换膜的扩散减小到最低程度，而这种反应气体通过质子膜的 扩散不仅会造成电池电压的下降，更为严重的是会导致氢氧混合物的爆炸。目前， p e m f c 的工作压力范围可以从常压到o 8 m v a ( 8 a t m ) 。另外，对于不同的应用环境来 说，p e m f c 的氧化剂类型也不同。如在陆地上应用的p e m f c ，氧化荆可以是空气； 对非陆地应用场合，如空间或水下，p e m f c 就必须使用纯氧作氧化剂。图2 5 显示 了工作压力对p e m f c 性能的影响【1 0 l 。试验时电池工作温度为5 00 c ，采用d o w 膜作 电解质，n 含量为0 4 5 r a g e r a z ，反应气分别采用1 - 1 2 0 2 和h 2 ，空气，其压力分别为 o 。1 m p a ( 1 a t m ) 和0 5 m p a ( s a m a ) 。从中可看到，随着反应压力的下降，在相同的电流密 度下，电池电压是下降的，意味着电池功率密度的下降。另外，采用h 舶2 为反应气 时，电堆工作电压也明显高于h 2 空气系统，而且在低电流密度时出现v o 线性区的 偏离，这种偏离主要是由于“氮障碍层效应“和空气中氧分压较低所造成的，这些都会 明显降低p e m f c 的使用性能。 1 2 1 1 1 0 o 9 电压v 0 8 0 7 o 6 o 5 0 4 03 o 2 0 1 o 0 o 2 0 0 ；黥魔。船2 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 图2 5 电池工作压力对极化曲线的影响 但是，过高的进气压力有可能对燃料电池内部的结构产生影响。最佳的进气压力 7 茎坚矍王奎兰堡主兰垡堕奎 是由燃料电池内部的流道，膜的厚度等因素综合确定的。 2 2 4 质子交换膜燃料电池工作的特性 p e m f c 除具有一般燃料电池的优点外，作为车用首先还有自身特有的优点，概 括起来有【1 1 】： ( 1 ) 工作温度低。一般工作温度为5 0 1 0 0 c ，所以具有在低温下启动快的特 点。 ( 2 ) 工作可靠毪高。电解质是一种固体有机膜，不怕震动，无运动部件 ( 3 ) 无化学腐蚀。电解质含水，而不含腐蚀性的酸或碱。 ( 4 ) 能置密度菇，续驶里程长。 ( 5 ) 无排放污染。纯氢燃料电池工作只消耗氢气和氧气，生成水，而使用碳氢 化合物的燃料电池，也只有极少量的二氧亿碳气体排放。 ( 6 ) 对燃料适应性强。燃料既可采用纯氢，也可使用转化燃料。可利用空气作 氧化剂，恧不器纯氧。 ( 7 ) 结构简单、制造方便。 ( 8 ) 效率商。因不受“卡诺循环”的限制，其能量转化为效率商达6 0 - - 8 0 ， 实际使用效率则是普通内燃机的2 3 倍。 正是这些突出的优点，使得p f m f c 非常适合用作交通工具的动力源【3 1 。由于 p e m f c 是最适合车辆使用的绿色动力源，因此。人们提出了p e m f c 发动机的概念。 但是p f m f c 作为动力源用在车载系统中的时候，存在电池输出特性偏软的情况，见 电泡的极化曲线图2 - 5 。这主要是由于电池的活性损失、内部电流和欧姆损失引起的 1 2 1 。 2 3 质子交换膜燃料电池发动机组成 p e m f c e 的组成既要满足燃料电池组运行的基本要求，也要对燃料电池的附属 系统进行监控，同对作为整车通讯的一个节点，要求具有与整车通讯的功能。因而车 载的p e m f c e 系统要包括氢气供给系统，空气供给系统，冷却水循环管理系统，电 功率测量系统，报警系统，通讯系统；如图2 - 6 。以下简要介绍了各系统的组成i “。 8 武汉理下大学硕十学位论文 2 3 1 氢气供给系统 图2 - 6 车载系统燃料电池发动机示意图 系统中，氢气罐内为高纯度、高压力的氢气，氢气罐出口处的压力传感器和氮气 罐瓶口的压力传感器，用来指示其瓶内的含气量。高压氢气经过气罐阀、手动减压阀 后降压。然后通过电磁阀、电动调节阀、氢气流量传感器、氢气加湿器进入电堆。氢 气进电堆入口处还有一个氢气压力传感器电堆的底部还有一个尾气电磁阀，用来释 放多余的氢气、空气和电堆中生成的水。 在氢气供给系统中，与氢气并联放置的还有氮气罐，同样也经过气罐阀、手动减 压阀、氮气电磁阀后流入氢气回路。这主要是从安全的角度上来考虑的，当电堆发电 前或电堆不工作时，为了避免残存在气路的氢气和氧气发生反应造成危险，所以要充 入惰性气体。 h 2 供给系统加湿采用p c r m ap u r e 公司的水气加湿器，可以满足h 2 流量为4 0 0 i , m n 时的加湿需要1 1 4 i 。其加湿原理为当n a t i o n 膜一侧通以需加湿的气体，另一侧通 以连续流动的去离子热水时，在膜两侧会因为温差引起水蒸气分压力差，从而产生湿 度梯度，以此为驱动力，水蒸气从热水侧通过n a t i o n 膜到达氢气侧，实现对氢气的 加湿。该加湿器具有以下特点：无相对运动部件，便于装配；水气转化率高；压力 损失小；密封性好，无氢气泄露；不需附加动力，以流动液体为驱动力；响应迅速， q 武汉理工大学硕士学位论文 可以连续加湿；但是，其加湿量不能任意调节。 2 3 2 空气供给系统 为保证燃料电池电堆中电化学反应的连续进行，除氢气供给系统外，还应连续向 电堆提供与氢气系统相同压力、一定流量而且经过良好滤清的空气。大气经过空气滤 清器，被高速旋转的空压机将空气压缩经过空气流量计送入燃料电池电堆中。在电堆 的入口处，还要对其进行加湿控制。 空气供给系统加湿采用直接液态水喷射加湿法。借鉴汽车电喷发动机供油系统中 使用的油泵和喷油器作为加湿水泵和喷嘴，向f c e v 的空气供给系统的靠近电堆处喷 射极细的高速去离子热水水雾【1 剽，在经过高压风机加压、加温后的高速空气气流的 作用下进一步蒸发，并被空气带入电堆进行反应【1 6 l 。 2 3 3 冷却水循环管理系统 为保证燃料电池电堆中电化学反应的正常、高效进行，还应严格控制电堆的温度 ( 如进口7 0 ，出口8 0 c 左右1 1 1 ) ，为此需要设计一套冷却水循环管理系统。水热管 理系统通过高压水泵带动整个燃料电池电堆的去离子水循环系统的流动。燃料电池电 堆发生化学反应时会产生大量的热量，冷却水流过电堆通过热交换的作用，将其热量 带出堆外，出来的水又会流经散热器，散热器上还带有电动风扇【1 8 l 。e c u 可以通过 改变循环水的流量或风扇的转速来控制电堆的运行温度。 2 3 4 电功率测量系统 要测量电功率就必须测出燃料电池电堆工作时的电压及流过电堆的电流。选用的 传感嚣输出为0 - 3 5 v 的电压，负载能力为5 m a ，响应时间为1 5 u s 。电压传感器检测 电压的范围为0 - 3 0 0 v ，电流传感器检测电流的范围为0 - 2 0 0 a 。 2 3 5 报警系统 作为车载燃料电池发动机总成，系统必须对内部的各种异常进行诊断和处理。发 动机内部的报警事件主要有： 1 水箱水位报警：当水箱中的水低于某一位置时，提示操作人员加水。 2 电导率报警：当循环水中的电导率达到一定值时，为防止水的漏电，提示操 作人员换水。 3 氢气进堆压力报警：正常状态时氢气进堆的压力应该在1 1 0 5 p a 以下，如果 1 0 茎竖望王查兰堡主兰竺笙塞 大于1 1 0 5 p a 说明氢气罐的阀出现故障，提示操作人员，需要进行检修。 4 电堆出口水温报警：燃料电池发生反应，必须保证在一定的温度下，如果超 过1 0 0 c ，会使质子交换膜损坏，从而影响电堆的寿命。此时除了报警以外，燃料电 池发动机控制器还应进行强行关机。 5 循环水流量报警：为使电堆能正常的散热，循环水必须要在整个水路中流动。 所以当水流量为0 时，就应该报警提示操作人员水循环不正常需要检修。 6 功率报警：燃料电池发动机是一个软特性。电流越大，电压就越低。所以如 果在工作过程中，电流很小且电压也很小时，就说明此时的电堆也处于一种不正常的 工作状态下，此时也要提醒操作人员，电堆有故障。 2 3 6 通讯系统 燃料电池发动机控制系统的通信系统主要包括两块，一个是与整车智能控制系 统的o n 通信，另一个是与p c 的通信。 燃料电池发动机控制系统是隶属于整车智能控制系统的一个子系统，主要是给 电动汽车提供能量，所以簧保留一个与上位机整车能量流控制的c a n 通讯接口。同 时为了方便燃料电池堆的调试以及对实验数据的保存记录，控制器还要设计一个 r s 2 3 2 接口，通过它与p c 机通讯。 2 4 质子交换膜燃料电池发动机与整车的匹配 质子交换膜燃料电池电动轿车是采用质子交换膜电池做电源的燃料电池电动轿 车。燃料电池电动轿车一般要配置一组容量较小的蓄电池或超级电容器作为辅助电 源，用于启动燃料电池、提高整车动力性能、回收再生制动能量以及为低压电气设备 提供电能。因此，从某种意义上讲燃料电池电动轿车也是一种混合动力轿车。 燃料电池车( f c e v ) 主体部分由整车及能量流管理系统、燃料电池发动机、 d c d c 变换器、镍氢电池包、电机驱动系统、车轮等部件组成。燃料电池发动机是 f c e v 的主要电源，它由燃料电池堆和辅助系统构成。燃料电池本体的特性是比较软 的，电压随负载的变化比较大，需要经过大功率的d c t d c 变换器f 1 9 j ，转换成比较稳 定的，可控的直流电源。镍氢电池包作为辅助电源，和燃料电池发动机并联组成一个 2 8 8 v 的高压直流电源，给系统提供能源。 如图2 - 7 ，驱动车轮前进的是新型电机驱动系统，它由电机控制器和电机共同组 成。电机控制器接受整车控制器的扭矩指令来控制电机，进而控制车轮的前进和倒退。 整车及能量流管理系统即整车控制器是整个控制系统的核心，它要根据驾驶员的操作 信息及踏板位置来决定给予电机控制器的扭矩信号的大小。同时，还要根据燃料电池 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 发动机及镍氢电池包的状态来决定二者的能量配比。 c a n 遗讯 一高压直流母线 图2 7 整车能量流管理系统图 晤兰兰郅 u = = 二= 二= 二卫 我校2 5 k w 燃料电池发动机的功率按驾驶员操作档位分为3 档，即l o k w ，1 5 k w ， 2 0 k w3 档。辅助动力单元a p u 【2 1 】( a u x i l i a r yp o w e ru n i t ) 按充电状态s o c 值分为 三挡o 一2 0 ，2 0 9 6 一- 8 5 ，8 5 一l o o 。燃科电池发动机的工作分为四种模式： 启动加速爬坡模式，即大扭矩模式，f c 和n b 都输出大电流，均属主能量流； 正常工作模式，f c 为主能量流，n b 为辅助能量流； n b 充电模式，在轻载期间，f c 在向电机提供所需的能量的同时向n b 充电，n b 存 储能量，为可能出现的启动a n 速爬坡模式做准备： 减速制动模式，电机工作在发电状态，将动力系统的动量回馈回电源，n b 为主 能量流，f c 为辅助能量流。 燃料电池的工作状态通过整车c a n 总线以报文的形式传送给整车e c u ，同时整车 e c u 通过总线将功率给定信号传送至燃料电池发动机总成e c u ，通过发动机e c u 控制 氢气流量来达到改变发动机输出功率的目的。 2 5 质子交换膜燃料电池发动机测试要求 通过论述，可以得到对燃料电池发动机进行测试所需要的外部条件 标准氢源和空气源 茎坚堡三奎兰堕兰堡堡茎 由于在燃料电池发动机测试和开发的过程中，我们需要找到该型燃料电池工作的 最佳条件。燃料电池在运行中，供气压力越大，电池电压越大，也就是发动机的功率 密度越大。但是，由于供气压力过大可能对质子交换膜燃料电池中的核心部件聚合物 薄膜和催化剂产生影响，并且对于不同的燃料电池发动机，燃料电池单元中极板之间 的气路是不同的，对于燃料气体的需求量是不同的，因而要求燃料电池发动机测试系 统提供压力可控和流量可控的气源。 辅助散热系统 燃料电池发动机的运行存在最佳的温度范围，基本在7 0 一8 0 之间；过高的温 度会引起电堆的性能急剧下降和膜的损坏。因此，燃料电池发动机的组成必须包含水 热循环系统，但是，由于静态的台架试验与实际动态车载系统的运行存在通风条件的 差异，因而必须在实验室系统中设置辅助散热系统 加湿系统 燃料电池发动机的工作需要水平衡，电堆内含水的多少会直接影响到燃料电池的 性能。在我校研制的燃料电池发动机中，氢气使用n a f i o n 膜加湿器，空气使用的是 喷射式加湿方式。但是这两种加湿方式对于发动机的试制都存在一定的缺陷：使用 n a f i o n 膜加湿器时，加湿量不易评定。使用喷射式加湿方式时，由于空气带入电堆 的水的形态实际上是小水珠，因而加湿量不均匀，同样存在加湿量不易评定的问题。 因而实验室测试系统要求在测试阶段能够为燃料电池发动机提供湿度可控的燃料供 给。 能量管理系统 实验室测试系统的目的是为了对燃料电池发动机工作特性进行研究，实验室系统 需要为发动机的测试提供类似于车载系统的负荷加载方式，其能量流动方式近似予车 载系统的能量流动方式。实验室系统提供了辅助蓄电池组，d c d c 转换器，逆变器， 交流电机以及交流测功机等设备来模拟车载系统的能量流动方式。 数据采集及控制系统 实验室测试系统要求数据采集系统完成预4 试系统实时数据采集、记录、处理和输 出功能，以完全反映燃料电池发动机现场运行特性；控制系统完成对实验室测试系统 的起停，运行，报警等事件的处理。同时完成对燃料电池发动机和测试系统之间的实 时通讯。 实验室安全及报警系统 在燃料电池发动机中有各种报警事件，在实验室系统中同样需要对各种不正常状 态进行处理以确保试验的正常进行。 武汉理工大学硕七学位论文 第三章燃料电池发动机测试系统硬件构成 本章内容主要阐述了依据p e m f c 运行要求和测试目的建立的燃料电池发动机实 验室测试系统的硬件组成，为后文的叙述打下基础。 3 1 燃料电池发动机测试系统概述 根据燃料电池发动机车载系统开发的要求，燃料电池发动机实验室测试系统的建 立目的有：对燃料电池总装前的测试和优化；对燃料电池发动机进行测试和评定，以 期得到燃料电池发动机的技术性能参数。因此，测试系统不仅提供对燃料电池本体进 行测试的平台，而且要要满足发动机总成的启动与工况测试。系统除提供p e m f c e 工 作时的外部条件并对影响其当前输出功率的条件进行监控外，还应具备对试验过程的 图3 - 1 燃料电池发动机实验室测试系统总体构成 1 4 武汉理丁大学硕士学位论文 控制，对发动机及实验室安全的保障；并且拥有对试验数据进行采集处理，对数据 库进行维护的能力。为了在实验室条件下满足燃料电池发动机运行的要求，实现对燃 料电池发动机的参数采集和反馈控制，进而对p e m f c e 进行测试和调试；燃料电池实 验室系统有必要具备燃料供给系统【2 2 1 ，加湿子系统，辅助散热系统，能量管理子系 统数据采集及控制系统，如图3 1 。测试对象主要针对我校开发的燃料电池电动 车辆所使用的2 5 k w 质子交换膜燃料电池发动机。 3 2 燃料供给系统 3 2 1 氢气和空气消耗量的计算 氢气和空气消耗量的计算，不仅仅要考虑特定功率下氢氧的实际消耗量，而且要 考虑由于燃料电池的内部结构，进入燃料电池的氢气和空气并未完全反应的情况，因 而系统的设计要留有一定的裕量。 2 + j i d 2 。h 2 d p 一：u 。，- 喇。等 式中：p ：电堆功率( w ) 砜：单层电压( v ) 此处取0 5 5 v e ：电子电量e = 1 6 1 0 “9 库仑 t ：时间( s ) 嘞：单层电子数 n ：电堆层数 所以每小时产生的氢离子数 肌 ：- 品ue 一意0 5 5 怒6 x 黑1 0 乩蚴o ” n x 1 - 1 9 每小时消耗的氢气量 m。土型-16989帜17(kgl6“4 0 2x 1 0 ”。6 0 2x 1 0 2 3 ( 船h ) 。1 7 ( k g h ) 每小时消耗的氧气量 川。一( 1 6 。j 1 ) m 。a8 1 7 1 3 6 ( k g h ) 壁墨垄三查兰堡主兰垒兰塞 以下计算氢气和空气的体积流量： ( 1 ) 氢气的体积流量聆( s l h ) ( 单位为标升小时：o 。c ，1 大气压) 一旦2 。2 2 4 1 0 3 1 9 0 4 0 s l i h _ 3 1 7 3 3 ( s l m ) 考虑氢气裕量，氢气的理论化学反应量【1 7 1 ( s t o i c h i o m e t r y ) 设置为1 5 。 所以，氢气的体积流量略= 1 9 0 4 0 x1 5 = 2 8 5 6 0 5 l h = 4 7 6 s l m 由气体状态方程p y - 艘r ，簧亨一簧磬 若换算到常温( 2 5 c ) 、1 2 b a r 下，则所需氢气的体积流量为： y _ 2 7 3 + 2 5 x 1 o 2 8 5 6 0 。2 5 9 7 9 ( l h ) 2 6 ( m 3 h )4 2 7 31 2 若换算到常温( 2 5 c ) 、1 5 b a r 下，则所需氢气的体积流量为： - 2 7 万3 + 2 5x 1 1 o 5 。2 8 5 6 0 一2 0 7 8 4 ( l h ) 一2 0 8 铆3 h ) ( 2 ) 空气的体积流量k 。( s l h ) 首先计算氧气的体积流量( s l h ) 一西1 3 6 x2 2 4 x 1 0 3 9 5 2 0 s l h 所以空气的体积流量 一器1 4 5 3 3 3 s l - 7 5 5 5 5 s l m 考虑空气裕量，将空气的理论化学反应量设置为2 7 f 2 6 】 则v 空= 4 5 3 3 3 x 2 7 = 1 2 2 3 9 9 ( s l h ) = 2 0 4 0 ( s l m ) 由气体状态方程p v - 稂t ，普- 爱争 若换算到常温( 2 5 c ) 、1 2 b a r 下，则所需空气的体积流量为： r 2 7 3 + 2 5 1 o x l 2 2 3 9 9 。1 1 1 3 4 0 ( l h ) 。1 1 1 3 i r n 3 h2 2 7 31 2 若换算到常温( 2 5 c ) 、1 5 b a r 下，则所需空气的体积流量为： 。2 7 3 + 2 5 生旦1 2 2 3 9 9 8 9 0 7 2 ( l h ) ，8 9 3 h )。 2 7 31 5 、 3 2 2 空气供给系统设计 量坚堡王查兰堡主兰垡兰苎一一 不同与燃料电池车载系统，实验室测试系统对于空气的供给要求精确控制空气的 压力、流量和湿度，以便于在不同的条件下对燃料电池本体的各种性能进行评定，对 发动机的工作特性进行研究。测试系统的空气供给系统包括空滤器，空压机，储气罐， 冷干机，减压阀，电动调节阀，流量计，加湿管路，以及燃料电池发动机前后的压力 传感器、温度传感器、湿度传感器。由于燃料电池正常工作状态下空气和氢气通过膜 的气体交换可以忽略不计，西而空气通过燃料电池电堆后的气体可以认为是安全的， 因而可以自然排放。系统图如图3 2 ： 图3 - 2 实验室测试系统中的空气供给系统 实验室测试系统的空压机采用的是阿特拉斯科普柯( a t l a sc o p c o ) 的螺杆压缩 机最大的空气流量q 。= 4 5 3 一m i n = 2 7 1 8 一h ；最高工作压力p 一= 7 5 b a r 。大于燃料 电池发动机设计流量v 空：1 1 3 3 m 3 h ，p 矿1 5 b a r ( 见本文3 2 1 ) ，可以满足测试的 需要。 电动流量调节阀通过调节电动执行器的蜗杆位置来控制阀门的开度，从而控制空 气流量。在加湿器的入口处，设置了空气流量计( 2 4 v d c ，脉冲输出) ，它与电动调节 阀在管路中构成了简单的闭环以精确控制空气流量。燃料电池发动机前后的温度、湿 度和压力传感器采集空气在反应前后的各种物理参数，一方面是是发动机工作在测试 要求的条件下，一方面是为了对燃料电池本体的工作特性进行研究。 3 2 3 氢气供给系统设计 测试系统的氢气供给系统和空气供给系统有很多相似之处。如图3 - 3 。 武汉理t 大学硕士学位论文 图3 - 3 实验室测试系统中的氢气供给系统 储氧装置为高压气瓶工作压力p = 1 5 m p a ，工作容积4 0 l ，燃料电池电堆入口表压 0 5 b a