电堆测试面临着怎样的行业痛点

 

本期专家：

Qiushi博世智能制造解决方案事业部（BMG）技术专家

负责氢能装备的新产品开发和产品管理工作以及技术型销售工作

在燃料电池系统中，电堆是将氢气和空气中的氧气通过电化学反应实现发电功能的关键元件，也是成本占比最高的元件，其性能很大程度决定了燃料电池系统的性能。

电堆测试台作为测量电堆性能的设备，无论是在电堆研发阶段还是量产（下线检测）阶段均扮演着重要的作用。

电堆测试面临着怎样的行业痛点呢？

 

 

 

 

通常我们都希望测试台能够真实的模拟电堆在燃料电池系统内的实际运行情况 ，但目前测试台主要用于稳态工况的测试，无法反应动态过程中电堆的工作性能。为什么呢？

在电堆测试时，测试台需要准确控制进入电堆气体（氢气、空气）的流量、温度、湿度、压力等变量，用于电堆的性能评价。且测试台调整的工艺变量范围更广、控制精度更高，导致测试台的结构与燃料电池系统完全不同。

这也就导致了测试台的管路容积庞大，通常是发动机系统的几十倍，在这种情况下想要模拟发动机的动态工况是非常困难的。因此，缩小管路容积是拉近测试台与发动机系统差距的关键步骤。

 

在这些被控变量中，气体的湿度控制是其中一个非常重要的工艺，同时也是影响管路容积的最主要的因素。电堆测试台的两种主流的加湿工艺：加湿罐方案和蒸汽加湿方案。

从原理上分析，气体加湿可以分两步，第一步是液态水吸热生成气态水，第二步是气态水与干气的混合。在加湿罐方案中的气态水的生成和与干气的混合都是在罐内完成的，而蒸汽加湿方案是把气态水的生成和混合两步分离，蒸汽发生器用于产生气态水，然后在电堆入口前进行气态水与干气的混合来完成气体加湿。博世智能制造解决方案事业部（BMG-3CN）选用的是蒸汽加湿工艺路线，这也是我们后续方案的基础。

模块化

得益于蒸汽加湿方案的两步分离的优势，蒸汽混合管替代了罐内容积庞大的加湿罐。同时，对阴阳极两路气体管路做了进一步调整，分别将影响气体流量、温度、湿度控制的关键元器件和影响压力控制的元器件集成到了两个独立模块中，阴、阳极的四个独立模块可灵活摆放在测试仓内的电堆旁。

 

 

       

高动态性能

采用模块化设计后，测试台的阴阳极气腔体容积被极大程度的缩小，以150kW为例子，阴阳极气腔容积分别低至约15L和5L，小于相同功率等级加湿罐方案的1/10，约为燃料电池系统管路容积的2倍左右，可以为电堆提供与燃料电池系统更接近的工艺变量调节速度。

容积缩小最直接的获益就是压力调节速率的提升，我们可以从图中看到，在5%的最大流量下，压力调节速率依然可以大于50kPa/S。

同时，采用蒸汽加湿的工艺路线，露点调节同样具备优异的动态性能。

高动态的工艺变量调节速度，还可以用于快速活化工艺的开发，提高量产阶段的生产效率。

模块换型

有了模块化的基础，我们还可以为客户提供更多的灵活性。比如，通过模块换型实现更宽功率段的兼容，图中展示了一个的300kW电堆测试台更换10kW模块后就可以兼容10kW电堆测试需求的示例。这部分换型模块仅需要花费10kW测试台约30%的成本。帮助客户实现分期投资，缓解了财务压力。

       

尺寸缩小

通过模块化的设计同时帮助我们缩小了设备尺寸，以300kW测试台为例，设备长度被缩短了1m。在未来电堆大规模量产，多台测试台同时工作时，还可以采用蒸汽集中供气的方案，将站内的蒸汽发生器从设备内移除，设备总长还可以再缩短1m。

相较于市面上主流的测试台，模块化的高动态电堆测试台在长度方面缩减了将近30%，为客户节约了甲类厂房测试间的使用面积。

 

 

 

        审核编辑：彭菁