燃料电池氢气供应系统多功能测试平台设计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.07.002

摘要/Abstract

摘要：

近年来，随着燃料电池功率的不断提升，氢气供给系统朝向带有氢循环的盲端阳极拓扑构型发展。然而，针对氢气供给和循环的测试系统研究明显滞后，尤其在氢气循环泵和引射器等核心部件的性能测试方面。本文研发了多功能燃料电池氢气供应系统测试平台，实现了对不同构型氢气循环方案的氢气供应系统的零部件测试和特性数据采集、离线标定等功能。平台通过模拟真实电堆的压降、氢气消耗及产水产热，消除了测试对真实电堆性能和寿命产生损耗而造成的额外成本。最后，基于该平台对150 kW燃料电池的氢气供应系统进行了阳极压力控制和阳极吹扫控制测试，验证了所开发测试平台能够针对不同负载满足相应测试需求。

关键词: 燃料电池, 氢气循环, 测试平台

Abstract:

In recent years， with the continuous enhancement of fuel cell power， hydrogen supply systems have been evolving towards blind-end anode topologies with hydrogen circulation. However， research on testing systems for hydrogen supply and circulation lags noticeably， particularly in the performance testing of core components such as hydrogen circulation pumps and injectors. Therefore， a multifunctional testing platform for fuel cell hydrogen supply systems is developed in this paper， enabling component testing， characteristic data acquisition， offline calibration， and other functionalities for hydrogen circulation systems with different configurations. The platform， by simulating the pressure drop， hydrogen consumption， and the production of water and heat in real fuel cells， mitigates the additional cost incurred by testing on the performance and lifespan of actual fuel cells. Ultimately， based on this platform， an anode pressure control and anode purge control test are conducted on the hydrogen supply system of a 150 kW fuel cell， verifying the capability of the developed testing platform to meet specific testing requirements for different loads.

Key words: fuel cell, hydrogen circulation, test platforms

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参考文献 24

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参数	数值
单电池数	413
活性面积	301 cm²
峰值功率（0.6 V， 2.0 A/cm²）	150 kW
电压范围	165-413 V
氢气入口压力（峰值功率时）	260 kPa-a
氢气计量比（峰值功率时）	1.5
氢气阻力降（峰值功率时）	＜15 kPa-a
空气入口压力（峰值功率时）	250 kPa-a
空气计量比（峰值功率时）	1.7
空气阻力降（峰值功率时）	＜40 kPa-a
冷却液入口压力（峰值功率时）	250 kPa-a
冷却液阻力降（峰值功率时）	＜40 kPa-a
冷却液出口最大温度	90 ℃

电流密度/（A·cm^-2）	功率/kW	氮气消耗量/ （L·min^-1）	阳极进口压力/kPa	流阻/kPa
0.102 2	10	23.15	115.3	0.96
0.211 0	20	48.02	131.6	1.46
0.321 3	30	73.01	148.2	2.77
0.433 3	40	98.52	165.0	3.99
0.546 0	50	124.10	181.9	5.06
0.662 4	60	150.60	199.4	5.64
0.782 9	70	178.00	217.4	6.06
0.907 4	80	206.20	236.1	6.57
1.034 0	90	235.10	251.7	7.13
1.173 0	100	266.80	258.7	7.70
1.328 0	110	302.00	260.0	8.39
1.509 0	120	343.00	260.0	8.97
1.700 0	130	386.50	260.0	9.34

部件	参数	数值
供氢引射集成模块	压力范围	0-350 kPa
	除水效率	≥90%
	最大流量	1 700 L/min
	匹配电堆功率	≤170 kW
	工作气体温度	-40~105 ℃
	储水容积	≥120 mL
排水阀	额定工作电压	24 VDC
	功率	10 W
	通径	3.5 mm
排氮阀	额定工作电压	24 VDC
	功率	10 W
	通径	3 mm

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