方 川，黃海燕，徐梁飛，李建秋，洪 坡，江宏亮，趙興旺，胡尊嚴(yán)

（清華大學(xué)汽車(chē)工程系，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

質(zhì)子交換膜燃料電池具有高效、清潔和無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力能源的技術(shù)制高點(diǎn)，也是國(guó)內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)和跨國(guó)企業(yè)的研究熱點(diǎn)。在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)中，燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)的技術(shù)水平起著至關(guān)重要的作用。然而市場(chǎng)現(xiàn)有的測(cè)試臺(tái)架僅能滿(mǎn)足簡(jiǎn)單的電堆或單片性能測(cè)試，適用于燃料電池堆設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，但無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)車(chē)用工況下燃料電池性能研究的需要，也無(wú)法模擬新型燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。

為了研發(fā)具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、趕超世界先進(jìn)水平的長(zhǎng)壽命、高可靠性燃料電池系統(tǒng)，急需具有與之相匹配的研發(fā)測(cè)試平臺(tái)，為此，作者研發(fā)了用于深入研究車(chē)用燃料電池堆特性和系統(tǒng)控制的多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)。經(jīng)過(guò)幾輪設(shè)計(jì)、改進(jìn)和試用，目前該平臺(tái)已能對(duì)燃料電池堆內(nèi)部溫度、壓力、濕度和電流密度等性能參數(shù)進(jìn)行有效測(cè)試。

1 多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)

圖1 多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)［1］

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的多功能燃料電池測(cè)試平臺(tái)主要由燃料電池堆供氣系統(tǒng)與增濕系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。

（1）供氣系統(tǒng)和增濕系統(tǒng) 燃料電池堆工作所需的高壓空氣由實(shí)驗(yàn)室空氣壓縮機(jī)提供，測(cè)試用氫氣由防爆氫房?jī)?nèi)的高壓氫氣瓶提供，吹掃用的氮?dú)庥赏庵玫獨(dú)馄刻峁?。其中，為了解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空氣供給過(guò)程中壓力波動(dòng)較大，導(dǎo)致空氣流量控制不準(zhǔn)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)壓力波動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)頻譜分析，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的穩(wěn)壓罐和穩(wěn)壓閥，解決了供氣壓力波動(dòng)問(wèn)題。為保障氫氣使用安全，實(shí)驗(yàn)室安裝了氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氫氣泄露時(shí)自動(dòng)強(qiáng)制排風(fēng)和切斷氫氣供給的安全功能。該測(cè)試平臺(tái)配有陰極膜增濕器和陽(yáng)極鼓泡增濕器，可分別選擇空氣和氫氣進(jìn)氣是否增濕和靈活設(shè)置增濕水溫，滿(mǎn)足不同實(shí)驗(yàn)研究的要求［2］。

（2）冷卻系統(tǒng) 針對(duì)燃料電池冷卻系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于模型預(yù)測(cè)的水溫控制算法，成功地實(shí)現(xiàn)了將冷卻系統(tǒng)水溫的波動(dòng)控制在±1℃范圍的目標(biāo)。該方法已應(yīng)用于燃料電池客車(chē)的冷卻系統(tǒng)控制中。為了研究燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)問(wèn)題，測(cè)試系統(tǒng)中集成了工業(yè)冷水機(jī)，可為燃料電池堆提供溫度為-25℃的冷卻液，為在系統(tǒng)層面研究燃料電池冷起動(dòng)過(guò)程提供了實(shí)驗(yàn)條件。

（3）電氣系統(tǒng) 在電氣系統(tǒng)方面進(jìn)行了柔性設(shè)計(jì)，即：電堆電子負(fù)載可選用商用直流電子負(fù)載，滿(mǎn)足正常研究測(cè)試需求；也可選用電化學(xué)工作站，以測(cè)量燃料電池堆內(nèi)的交流阻抗，用于開(kāi)展燃料電池水管理方面的研究。在此基礎(chǔ)上，集成了車(chē)用燃料電池專(zhuān)用單片電壓巡檢裝置，通過(guò)車(chē)用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合。

（4）監(jiān)控系統(tǒng) 一方面當(dāng)下所關(guān)注的燃料電池壽命問(wèn)題中的重要研究課題是：燃料電池堆內(nèi)部工作機(jī)理的研究，這需要獲得眾多相關(guān)測(cè)量參數(shù)；另一方面為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得所有所需參數(shù)，還須解決電磁干擾，如弱電與強(qiáng)電之間的干擾等問(wèn)題。為此，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于Labview軟件平臺(tái)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將測(cè)試監(jiān)控界面、系統(tǒng)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存有效地融為一體。運(yùn)用車(chē)用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各傳感器、執(zhí)行器和監(jiān)控軟件的實(shí)時(shí)通信，通信速率為250 kbps／500 kbps，CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。利用網(wǎng)絡(luò)化分布式控制技術(shù)，避免了電磁干擾和采樣延時(shí)等問(wèn)題，為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了有力保障。

1.2 系統(tǒng)功能

（1）多物理量信號(hào)全工況同步測(cè)量

該燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了車(chē)用燃料電池堆測(cè)試過(guò)程中多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量，通過(guò)對(duì)各測(cè)量點(diǎn)傳感器的有效布置和軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)用燃料電池動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中空氣回路、氫氣回路和冷卻液回路中多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度、濕度、氣體（空氣、氫氣）流量、氣體濃度（空氣、氫氣、水蒸氣、氮?dú)猓┖碗妷骸㈦娏?、阻抗等參?shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量，以滿(mǎn)足研究電堆內(nèi)部機(jī)理所需參數(shù)測(cè)量的要求。

此外，通過(guò)控制氫氣、空氣和冷卻回路的流量、壓力、濕度等物理量，可實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆在不同過(guò)量空氣系數(shù)、過(guò)量氫氣系數(shù)、壓力、濕度和電堆溫度等條件下工作［3］。與商業(yè)化的設(shè)備相比，電堆工作條件覆蓋范圍更廣、可測(cè)物理量更全，且具備二次開(kāi)發(fā)條件，為深入研究燃料電池堆機(jī)理方面提供了有效測(cè)試手段。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化通信和數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)

圖3 燃料電池雙循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

（2）雙循環(huán)工作模式

為深入研究影響燃料電池堆壽命的因素，如電堆內(nèi)的濕度、氫氣濃度分布是否均勻等問(wèn)題，在該平臺(tái)上研發(fā)了燃料電池堆的陰極和陽(yáng)極再循環(huán)裝置，其系統(tǒng)原理如圖3所示［4-5］。

雙循環(huán)裝置主要優(yōu)點(diǎn)：可利用排氣中的水實(shí)現(xiàn)內(nèi)部自增濕，這樣可省去額外的增濕裝置［6］；氫氣再循環(huán)可提高氫氣利用率，改善陽(yáng)極內(nèi)部氫氣濃度分布均勻性，避免局部氫氣缺乏；陰極再循環(huán)可實(shí)現(xiàn)氧氣濃度閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小負(fù)載下的電壓鉗位控制，避免長(zhǎng)時(shí)間處于高電位下工作造成電堆壽命衰減［7］。

通過(guò)臺(tái)架上的雙循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行了基于雙循環(huán)的某燃料電池系統(tǒng)電壓鉗位和自增濕的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)了該新型燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)為雙循環(huán)系統(tǒng)的控制方法研究提供了有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為在實(shí)際車(chē)用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用雙循環(huán)系統(tǒng)提供了有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

2017年是互聯(lián)網(wǎng)期刊行業(yè)面臨重大改革的一年，大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)的發(fā)展將會(huì)為互聯(lián)網(wǎng)期刊行業(yè)的信息服務(wù)帶來(lái)巨大的變革：一方面在政策和行業(yè)的風(fēng)口下互聯(lián)網(wǎng)期刊已經(jīng)從單純的資源匯集與提供向知識(shí)服務(wù)邁進(jìn)一大步，而且逐漸向智慧型知識(shí)服務(wù)發(fā)展；另一方面在大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的推動(dòng)下響應(yīng)用戶(hù)的潛在需求，能夠更加精準(zhǔn)的進(jìn)行知識(shí)傳播與決策服務(wù)。各行業(yè)、各類(lèi)機(jī)構(gòu)目前都對(duì)大數(shù)據(jù)與知識(shí)管理有著強(qiáng)烈需求，并針對(duì)本行業(yè)、本機(jī)構(gòu)的大數(shù)據(jù)與機(jī)構(gòu)知識(shí)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)際，又衍生出眾多個(gè)性化需求。

1.3 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 多功能燃料電池堆測(cè)試平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在研發(fā)的測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了質(zhì)子交換膜燃料電池的雙循環(huán)功能探究與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用商用大面積10 kW燃料電池電堆，陰極和陽(yáng)極均使用未經(jīng)增濕的供氣條件，利用雙循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行尾氣再循環(huán)，探究其自增濕和電壓鉗位的功能。

2.1 基于雙循環(huán)的電壓鉗位實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該臺(tái)架功能，以較低的實(shí)驗(yàn)成本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且能覆蓋盡可能多的實(shí)驗(yàn)工況，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，按照4因素、3水平正交表進(jìn)行電壓鉗位實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如表2所示，測(cè)試過(guò)程中燃料電池堆的陰極和陽(yáng)極均采用再循環(huán)的工作方式。

表2 電壓鉗位控制實(shí)驗(yàn)條件表

正交實(shí)驗(yàn)表如表3所示。

表3 電壓鉗位控制實(shí)驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)表

表4 各參數(shù)對(duì)燃料電池電壓鉗位效果影響

實(shí)驗(yàn)的輸出指標(biāo)為單片電壓、陰極入口的相對(duì)濕度、高頻阻抗、陰極出入口的氧氣摩爾比例和陰極氧氣濃度差異，結(jié)果如表4所示。從表中可看出，燃料電池堆各參數(shù)對(duì)上述4個(gè)變量的靈敏度有明顯差異。如，單片電壓對(duì)燃料電池電流密度要更加敏感，而對(duì)空氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和增濕水溫度則較不敏感，燃料電池單片流道內(nèi)氧氣濃度明顯對(duì)新鮮過(guò)量空氣系數(shù)更加敏感，而單片高頻阻抗對(duì)陰極增濕水溫度則非常敏感，表明質(zhì)子交換膜含水量直接影響高頻阻抗值。

2.2 基于雙循環(huán)的自增濕實(shí)驗(yàn)

基于雙循環(huán)自增濕效果實(shí)驗(yàn)，采用了與電壓鉗位功能驗(yàn)證相同的正交實(shí)驗(yàn)方法，研究4個(gè)變量對(duì)燃料電池堆自增濕效果的影響程度。

圖4 雙循環(huán)自增濕效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各變量對(duì)自增濕效果的影響如表5所示。從表中可看到4個(gè)變量對(duì)燃料電池各參數(shù)的影響有明顯差異。如，提高陰極增濕水溫度能提高陰極入口空氣相對(duì)濕度，從而顯著改善燃料電池單片電壓；同樣，燃料電池進(jìn)氣濕度增加，能增加質(zhì)子交換膜內(nèi)含水量，減小膜內(nèi)質(zhì)子傳導(dǎo)阻抗，促進(jìn)燃料電池單片電壓增加。

表5 各變量對(duì)自增濕效果的影響

3 結(jié)論

針對(duì)新型燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)研發(fā)了帶有陰極和陽(yáng)極再循環(huán)系統(tǒng)的多功能燃料電池實(shí)驗(yàn)臺(tái)。雙循環(huán)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了流量、壓強(qiáng)、溫度的解耦控制，也為研究改善燃料電池堆工作過(guò)程中的水管理和電壓控制提供了良好的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。針對(duì)該測(cè)試平臺(tái)多節(jié)點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)傳輸易受干擾的問(wèn)題，對(duì)各信號(hào)采集方式進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了車(chē)用燃料電池堆測(cè)試過(guò)程中多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量，解決了眾多不同類(lèi)型參數(shù)（氣 水 熱 電）不易實(shí)時(shí)測(cè)量、精度不易保證的問(wèn)題。監(jiān)控系統(tǒng)軟件的研發(fā)，滿(mǎn)足了對(duì)測(cè)試平臺(tái)的各個(gè)部件實(shí)時(shí)控制的要求，保證各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和保存。通過(guò)運(yùn)用車(chē)用CAN總線通信技術(shù)，集成了嵌入式控制器，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化通信和數(shù)據(jù)融合，既保證了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)人員對(duì)系統(tǒng)的靈活控制，又提供了便捷可靠的操作平臺(tái)。

基于該實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)燃料電池陰極再循環(huán)方案進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，陰極再循環(huán)能通過(guò)對(duì)氧氣分壓的控制實(shí)現(xiàn)燃料電池的電壓鉗位，以緩解怠速高電位對(duì)燃料電池耐久性的影響。此外，陰極再循環(huán)使燃料電池進(jìn)氣濕度增加，改善膜的含水狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)燃料電池自增濕，該方案能進(jìn)一步應(yīng)用于車(chē)用燃料電池系統(tǒng)，取消外部增濕器，提高系統(tǒng)集成度和環(huán)境適應(yīng)性，改善電堆工作條件。