双系统燃料电池测试平台使用说明书version1.1.8.doc

双系统燃料电池测试平台使 用 说 明 书 新原动力股份有限公司2010 年9月 产品使用说明书 新源动力股份有限公司目 录前言II1产品概述11.1产品概述11.2产品规格型号11.3产品技术参数22结构特征与工作原理32.1外形结构32.2测试台接口及其功能52.3测试台功能模块62.3.1压强控制模块62.3.2温度控制模块62.3.3尾排62.3.4工控机、负载和巡检72.3.5安全报警模块73安装与调试83.1测试台安装83.2电源及气源安装84软件使用说明94.1运行程序94.1.1负载开关94.1.2编程设置114.1.3参数修改144.1.4安全设置154.1.5其它界面155电堆测试165.1电堆运行参数165.2电堆连接175.3电堆测试175.4电堆存储186安全196.1氢气使用安全总则196.2实验室安全措施197系统维护198常见故障分析及排除209开箱2110附录 双系统燃料电池测试平台管路流程图2222前言本说明重点描述双系统燃料电池测试平台在安装和操作过程中的具体方法和参数，以及与测试平台安全相关的说明。本说明并不针对我公司生产的所有燃料电池测试平台。本说明只提供给内部人员或指定的外部人员作为燃料电池测试平台操作和维护的技术说明。操作者应熟悉燃料电池发电系统的流程，并具有一定的燃料电池专业知识。未经本公司允许不得将说明书资料披露给任何人；不得将资料用于双方合作目的之外的其他用途，包括但不限于将此信息的全部或部分进行仿造、反向工程、反汇编、逆向推导；接受方不得复印、复制本说明书资料。使用前请仔细阅读本说明书，如有问题请咨地址：大连高新技术产业园区黄浦路907号邮编：116085电话传真址：邮箱：1 产品概述1.1 产品概述为了帮助客户更好地开展燃料电池的研究和生产，我公司在多年研究和实验基础上，开发出了20kW、5kW、2kW等一系列燃料电池测试平台供客户选择，并获得了用户的好评。SP-TPF-22kW双系统燃料电池测试平台是公司在单系统测试平台的基础上研制而成，具有以下特点：1 有双系统和单系统两种工作模式：双系统工作模式下，可同时测试两个电堆，这样可以减小实验环境的影响，增加实验数据的对比性，同时还能增加测试台的使用效率，节省工作时间。 2 质量可靠：由高信誉度的厂家提供零部件。3 电堆运行参数可控：包括进气方式（手动和自动）、反应温度、增湿度、反应压强、尾排等。 4 安全保障：具有氢浓度、单节电压、反应气体压力、反应气体压力及电堆输出功率5种保护措施，当测定值超过设定值后，平台会给出报警并切断电源、气源。1.2 产品规格型号产品型号由公司代号、产品类型代号、产品规格代号和补充代号四个部分组成，各个部分之间以分隔符分开。22kWTPFSP 产品规格代号 产品类型代号公司代号公司代号：由新源动力股份有限公司英文名称SUNRISE POWER大写字头组成：SP。产品类型代号：由产品英文名缩写组成，测试平台：Test Platform-TPF。产品规格代号：规格代号用数字、字母表示其产品主要性能参数。第一个数字2表示该测试平台能同时测两个电堆；2kW表示测试平台测试电堆的功率，1.3 产品技术参数表 11 产品技术参数产品名称双系统燃料电池测试平台产品类型SP-TPF-22kW测试电堆数2管道承受压力（00.6）MPa工作电压380V台架材质不锈钢板管道材质卫生级不锈钢管道质量360kg外观尺寸195cm179cm140cm2 结构特征与工作原理2.1 外形结构 图 21 测试平台正面示意图图 22 测试平台背面示意图测试平台由4部分组装而成，如测试台正面示意图2-1及背面示意图2-1所示：顶盖，尺寸为195cmW10cmH102cmD，显示器垂直固定于顶盖。：电控柜，尺寸为46cmW169cmH65cmD，内部安装的部件：西门子PLC-S7-314、24V电源、15V电源、继电器、CAN485智能协议转换器等。：后柜，尺寸为149cmW169cmH65cmD，内部安装的部件：氢报警器、霍感器、巡检、增湿灌、流量计、压力变送器、电磁阀、减压阀、尾排阀、分水器等。：前柜，尺寸为195cmW96cmH75cmD，内部安装的部件：负载、工控机、断路器、水箱、水泵、换热器等。2.2 测试台接口及其功能表 21 测试台接口序号及其功能说明表序号功能序号功能序号功能序号功能1备用热电偶插口11堆2负载线口21堆2氢气出口31堆2氢气尾排2空气源压力12堆2负载线口22堆2循环水入口32氢气源入口3空气减压后压力13堆2空气入口23堆2空气出口33堆2空气尾排4循环水压力14堆2氢气入口24堆2循环水出口34外循环水出口5氢气减压后压力15巡检口25台面水出口35外循环水入口6氢气源压力16氮气吹扫口26紧急开关36氮气源入口7堆1空气入口17堆1空气出口27循环水泵开关37堆1氢尾排8堆1氢气入口18堆1循环水入口28堆1氢常排38空气源入口9堆1负载线口19堆1氢气出口29堆2氢常排39堆1空气尾排10堆1负载线口20堆1循环水出口30显示器40电源线入口注： ：备用热电偶插口型号：OMEGA公司SMP-K-F，对应的端子号和数据采集模块号好从左至右如下表：表 22 备用热电偶与端子号、数据采集模块端口对应关系备用热电偶12345678910端子号35,3637,3839,4041,4243,4445,4647,4849,5051,5153,54数据模块号DUT2-15DUT2-16DUT2-17DUT2-18DUT2-19DUT2-20DUT2-21DUT2-22DUT2-23DUT2-24DUT2-25DUT2-16DUT2-15DUT2-16DUT2-15DUT2-16DUT2-15DUT2-16DUT2-15DUT2-16：紧急开关，一般在出现异常情况下使用；按下此按钮，平台会切断电源和气源。：循环水泵开关，可独立控制水泵的状态，优先级别高于软件控制、：氢气长排开关，按下此按钮，氢气尾排电磁阀转至常开状态另外，快插接口有两种型号，其中7、13、17、23、33、39为12型，其余为10型2.3 测试台功能模块测试平台的内部管路图请见附录2.3.1 压强控制模块氢气源经接口32进入测试台，通过减压阀减压后进入流量计。经减压阀减压后的压力即为电堆内氢气最大压力值，其值可以设定并可通过压力表（序号6）读出。在靠近电堆的氢进口和出口管路上有压力传感点。氢气尾排有手动阀和电磁阀两种控制方式。调节电磁阀的脉冲周期，电堆的性能会产生相应的变化，按下常排开关，尾排电磁阀处于常开状态。空气源经接口2进入测试台，通过减压阀减压后进入流量计。经减压阀减压后的压力即为电堆内空气最大压力值，其值可以设定并可通过压力表（序号3）读出。在靠近电堆的空气进口和出口管路上有压力传感点。空气尾排可直接对空排放，采用手动阀控制。2.3.2 温度控制模块 电堆反应温度：电堆内反应温度的控制以水为热交换介质，按照水是否进入电堆可分为内循环水和外循环水。电堆运行时不断的产生热量，使电堆的温度升高。内循环水经水泵泵入电堆，将电堆反应产生的热量带出电堆，使电堆的温度降低。外循环水经换热器与内循环水进行热交换。达到平衡时，电堆的温度稳定在设定值。 增湿度反应气经增湿灌底部进入增湿灌与水混合。根据相对湿度与温度的关系式可知，控制增湿灌内的温度便可得到气体相应的增湿度。为此，增湿灌底部设有一套温控系统以控制罐体的温度，同时，管路上也设有温控系统，防止气水混合物出增湿灌后在管路中发生气水分离。通常情况下，要使这段管路的温度比增湿灌的温度高。2.3.3 尾排排水：为使增湿灌和水箱里的去离子水的电导满足要求，需要周期性的更换去离子水。它们的底部都有放水球阀，与台面水出口（序号25）合并成一路向外排。排气：氢气尾排需排至室外，不能与空气尾排管路合并。两个电堆的空气尾排也不能合并。2.3.4 工控机、负载和巡检负载可在恒流、恒压和恒功率3种模式下工作，具体可参照IT8516可编程电子负载用户使用手册。巡检可以检测电堆中每节电池的电压。2.3.5 安全报警模块测试平台的报警参数有：氢气浓度、单节电压、电堆输出功率、反应气体入堆压强，氢压与空压压差，当实测参数超过设定值时，系统会给出警告，同时切断电源、气源。氢气浓度报警：检测器型号RBT-6000，默认报警浓度氢气爆炸下限浓度的25%。单节电压报警：建议报警电压为0.2V，可自行设定。功率报警：当电堆输出功率高于负载额定功率（2kW），系统会给出警告。反应气体入堆压强：建议报警压强为80KPa，可自行设定。压差：氢气压与空气压的压差，建议压差为50KPa，可自行设定。3 安装与调试安全提示：1) 氢气尾气需引至室外排放。2) 空气和氢气尾排管道不能共用。3) 主电源线路上需安装断路器。3.1 测试台安装1. 安装前先检查装运箱内的组件，确认在运输过程中是否发生损伤。若有问题请联系相关人员。2. 按图2-1组装测试台四个分块，确保测试台的触地点处于同一水平面上。3. 将分块间的连接管道、线路接好。4. 空气尾排管路、氢气尾排管路、外循环水管路。3.2 电源及气源安装电源：三相，380V，50HZ，采用6平5芯电缆。氢气源：气源管道安装减压阀，管道上安装安全阀。空气源：气源管道安装减压阀。氮气源：气源管道安装减压阀。4 软件使用说明安全提示：每天测试完，必须备份数据4.1 运行程序运行执行文件进入程序主界面，标题栏有“平台流程”、“编程设置1”、“编程设置2”、“电池组1图”、“电池组2图”、“温度压力”、“负载开关”、“报警显示”、“参数修改”、“报警设置”、“系统设置”、“退出系统”12个选项。系统默认进入“负载开关”界面，如图4-1所示：4.1.1 负载开关图 41 负载开关界面电堆接本地负载时，可通过软件设置电流或电压。“当前电流”显示负载电流值，“当前电压”显示负载两端电压。注意：在电流设定文本框内输入设定值时，负载变为恒流模式；在电压设定文本框内输入设定值时，负。载变为恒压模式。电堆并网时，“当前电流”显示电流霍感器感应值，“当前电压”显示相应电堆中所有单节电压之和，“当前功率”显示当前电流值和当前电压的乘积，当它超过2kW时，系统会自动将电堆外网断开，以保护电堆。界面右上方显示：气源开关，内、外循环水开关，外接负载切断开关，氢尾排电磁阀开关。外接负载切断开关控制负载线上的断路器。断路器是通电闭合型，因此电堆运行时，要打开这个开关。氢气尾排有手动和电磁阀控两种模式，在阀控模式下，可设置脉冲周期（如：0.3s/10s）。界面的下方显示：负载的电流及电压值；全部温度和压力传感点数值；氢气流量计和空气流量计数值；巡检检测单节电压，平均电压及单节电压和。单节电压显示框的背景颜色随单节电压值变化而变化，对应关系如表4-1所示。这些参数置顶显示。表 41 背景颜色与电压对应表电压范围（V）背景颜色0.3红0.30.6黄0.6绿4.1.2 编程设置以编程设置1界面为例，如图4-2 所示图 42 编程设置1界面在编程设置1界面设置的值反馈给负载1、空气流量计1和氢气流量计1。自动供气模式下，有联动加载和程序加载两种控制方式，可通过“控制方式选择”按钮进行选择。联动加载：需要对以下物理参数进行设定：空气化学计量比、氢气化学计量比、电流密度、最小流量、MEA面积、电堆包含的单节数。依据这些参数设定值和方程式（1）和方程式（2），程序会得出相应的流量值，并反馈给气体流量计。空气流量：Q（L/min）=1.6610-5空气化学计量比电密MEA面积节数 （1）氢气流量：Q（L/min）=6.9710-6氢气化学计量比电密MEA面积节数 （2）举例：计算空气化学计量比为2.5，氢气化学计量比为1.2，电密为100mAcm-2时，MEA面积为270cm2，节数为20的电堆所需的气量？将以上数值直接代入（1），（2）得：Q (air) = 1.6610-52.510027020 = 22.4 L/minQ (H2) = 6.9710-61.210027020 = 4.5 L/min最小流量：这是保护电堆的安全措施，无论电堆是否连上负载，系统都以该值向电堆供气。当测试电堆选定后，MEA面积，电堆包含的单节数就是定值注意：1) 设置化学计量比时，不能使计算得到的流量值超过空气或者氢气流量计的量程2) 电流密度不应超过500 mAcm-2。参照以往数据，该电密下单节平均电压可以达到0.7V，此时电堆输出功率为1.89Kw，已接近负载的额定功率。3) 加载时，先点击“加气”，待流量稳定后，再点“加载”，每次增加的电密不要超过100 mAcm-2，；卸载时，先点击“加载”，然后再点“加气”举例：设置程序步骤使电堆在500电密下运行，空气化学计量比为2.5，氢气化学计量比为1.2。步骤：（1）选择控制方式“联动加载”（2）在相应的设置文本框内输入空气化学计量比2.5，氢气化学计量比1.2，最小流量100（此处单位为 mAcm-2，程序根据电密值计算流量），面积270，节数20（3）点“加气”，此时程序按最小流量值反馈给流量。（4）加载：输入电密（如50），点“加气”，待流量稳定后点“加载”。（5）如果巡检检测电压无异常，增加电密，重复步骤（4）直至电密增加为500。（6）卸载：在电密设置框内输入电密（如400），点“加载”，再按“加气”，逐步降低电密值，直至0。（7）将最小流量值设为0，点“加气”。程序加载：可以设置加载或卸载过程中电密改变的速率，最大可设置18个变化过程。图 43 电堆运行示意图举例：在程序加载模式下，实现图4-3所示过程，t1=20s, t2=300s, t3=10s, t4=300s, t5=5s, t6=30s, t7=10s步骤：（1）选择控制方式“程序加载”（2）空气化学计量比、氢气化学计量比、最小流量、MEA面积、节数与联动加载方式相同（3）设置加载时间和电流密度，如下表所示：运行步骤时间（s）电密(mAcm-2)11010023001003102004300200531506301507100（4）设置完毕后，点击运行（5）运行完毕后，最小流量值设为0，点“加气”4.1.3 参数修改设定温度、流量，如图4-4所示：图 44 参数修改界面温度设置：可设置增湿灌、反应气入口、及水箱温度。通常将反应气入口温度设置高于增湿灌温度。流量设置：在手动操作模式下，测试电堆需要用到流量设置。手动测试操作步骤：（1）根据公式（1）和公式（2）算出不同电密下对应的流量（2）将得到的流量输入对应设置文本框内，点击“确认修改”（3）待流量稳定后，在“负载”开关界面设置电流值，并运行（4）卸载时，与自动模式下类似，先卸载，后减小流量。4.1.4 安全设置设定报警参数值，可设定单节电压、最大负载、反应气体压力，压力差，如图所示4-5所示：图 45 报警参数设置界面“实际值”显示各报警参数的实测值。“保护”显示报警参数设定值。“解除保护”选择是否使用该保护4.1.5 其它界面电池组界面：以柱状图的形式显示巡检检测的单节电压值。温度压力界面：显示各压力、温度和氢浓度传感点的实时数值，备用热电偶温度也在此显示。报警显示界面：显示报警记录5 电堆测试安全提示：1. 在开始测试前，检查增湿灌、水箱内的水位是否保持在正常运行的水平（增湿灌内的水位不应高于整个灌高度的2/3），不足时，通过补给口添加去离子水。添加去离子水时，注意要让增湿灌与大气相通。2. 检测增湿灌内及水箱内电导率，若高于10S/cm 时，应及时更换。3. 流量计通讯线接口是否松动。4. 检查管路是否漏气。5. 确保电堆中无短路现象。若发现存在有短路现象，应立即卸载，停止向电堆供气。6. 连接巡检线，注意电池的极性，不要反接。7. 电堆工作时一定要保证水泵电机工作，否则电堆产生的热量无法排出，导致电堆内部温度过高，损坏电堆。 5.1 电堆运行参数电池节数20电堆性能额定功率2kW额定功率时单电池均一性UMAX-UMIN100mV额定工作温度（3080）输出电压（030）V工作电流（0250）A氧化剂（空气）组成20.9%氧50ppm碳氢化合物35ppm一氧化碳1%二氧化碳1ppm臭氧0.3ppm硫化物1ppm硫化氢0.05%无机物气压（00.03）MPa燃料气（氢气）组成99.99% 氢0.1ppm 一氧化碳0.01ppm 硫化氢气压0.05MPa去离子水电导率10S/cm5.2 电堆连接图 51 电堆接口示意图 用PU管将电堆接口与测试台相应的接口相连 负载线 巡检线5.3 电堆测试1. 开启测试平台电源，启动测试程序2. 调出负载页面，打开“空气源”“氢气源”“循环水泵”“氢尾排电磁阀”“负载开关”“外接负载切断”，设置氢尾排周期。3. 查看空气气压表，水压表是否正常。4. 调出参数修改界面，设置增湿灌温度，反应气入口温度，水箱温度，5. 待增湿灌温度稳定后，测试电堆性能。（自动模式参照编程界面，第10页；手动模式参照参数修改界面，第12页），6. 测试完毕后，关闭“负载开关”、“外接负载切断”“氢气源”、“空气源”、“电磁阀”、“循环水泵”7. 点击“氮气源电磁阀”，吹扫电堆，调节减压阀，使进堆压强不超50 kPa，至电堆出口无明显水分出口为止（大约吹扫10min），关闭“氮气源电磁阀”8. 点击“退出系统”，退出程序。9. 备份数据注意：1) 关闭程序时，应将氢常排电磁阀或者将氢尾排手动阀打开，以防止增湿灌内的水回流至流量计内。2) 出现有异常现象时，可按下“急停开关”，以切断电源、气源。5.4 电堆存储燃料电池模块应注意小心轻放，不能经受剧烈震动；注意防水和防尘；需要长期存放的电堆应该事先加长吹扫的时间尽量以吹干电堆内部水分，之后封口保存。气温较低时应注意保温，以免电堆内部可能残留的液态水结冰对电池造成不良影响。6 安全6.1 氢气使用安全总则氢气使用规程以及应急措施可参照国家标准（GB 4962-85 UDC 614.83.661.96）6.2 实验室安全措施1) 操作人员必须接受与燃料电池发电系统、测试平台相关的安全设备和紧急程序的培训。2) 实验室内安装氢报警器。3) 实验室内禁止明火，禁止吸烟。4) 防止金属饰物造成电堆短路。5) 定期对氢气管道进行漏气检查，确保无漏气。6) 使用专用的减压器，开启时，操作者应站在阀口的