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一个真正的燃料电池系统的逐步发展—设计，实施，控制和监控
F. Segura *，J.M. Anduacute;jar
韦尔瓦大学电子、计算机科学及自动化工程系、Crta。韦尔瓦帕洛斯
de la Frontera的S / N，21819帕洛斯-德拉弗龙特拉，西班牙
文章历史：
2014.07.14收到 2015.01.21收到书面形式 2015.01.30接受 2015.02.26可检索
关键词：
燃料电池 设备平衡BoP 空气冷却 设计 控制 监测
摘要
燃料电池似乎是常规发电机和可再生能源之间最好的选择。然而，为了被广泛接受，燃料电池必须证明他们比传统的解决方案更可靠和成本更具有竞争力。这将要求燃料电池系统有一个简单的设计而且并不比实际内燃机昂贵。最具商业化的燃料电池系统包括设备平衡（BoP），其控制系统除了自身的高价外，还增加了价格。然后，简化的BoP系统保持其安全性，同时复杂性和成本都可以降低。很少有作品用来专门描述燃料电池系统是如何从简单电堆建立起来的。本文描述了一个燃料电池系统的整个工作顺序，从结合到BoP系统的单个设备到电堆进行最后装配，包括实时监控系统的组件。开发的燃料电池系统的两个特点：它是开放的，因为用户可以访问的每一个部分不像其他的燃料电池系统；它是“一体”的，因为系统是一个完整的测试台，可以应用不同的负载配置文件，状态监测是可能的，并提供保存数据。
引言
燃料电池的特点是众所周知的高效率，低维护、噪音和零有害排放[1,2]。但与这些优势相对立的高成本的缺点被广泛接受。最具商业化的燃料电池系统包括BoP系统，除了自身电堆的高价格外，控制系统也使其价格升高。简化的BoP系统保持其安全性，同时复杂性和成本都可以降低。
对于质子交换膜燃料电池（PEMFC）工作的要求，大多数系统需要四个子系统：1）一个安全和高效运行的质子交换膜燃料电池空气输送系统，特别是那些高功率的燃料电池，2）保证膜的水化状态和催化剂的条件的热管理系统，3）提供将氢燃料在适当的流量和压力下输送到电堆的氢燃料输送系统，和4）用于连接或隔离燃料电池系统与负载的电力供应系统负载。原则上，每个子系统都应该相对简单，但是由于系统中管理水的复杂性，使它们变得复杂。水不仅是质子交换膜燃料电池反应产物，同样也是确保燃料电池有效和稳定运行的关键[ 3 ]。因此，解决燃料电池的热管理系统，其高成本和复杂性将会得到改善[ 4 ]。
另一方面，很少发现有新的论文[5-7]致力于讲述怎样用简单的电堆和上述子系统的叠加建立一个像BoP的燃料电池系统。在某种意义上，大多数的科学贡献主要集中在获得实验结果分析的电化学反应，但它们都是在给定的BoP上。本文可以在开发燃料电池系统的过程中作为一个指导方针。对于市场部门，像Altergy自由动力系统[ 8 ]，Fuel Cell S系列[ 9 ]、 Jupiter模块[ 10 ]或MGEN系列[ 11 ]都是整合到BOP监督控制系统以及本地/远程监控系统的一个个商业化的燃料电池系统的示例。然而这些都表示燃料电池系统就像一个能够自控的黑盒子，但不允许看里面。本文旨在推动和促进燃料电池系统的应用和发展，最终实现氢能经济。
在这项工作中研究的电堆有两个特性可以有助于减轻重量，体积和成本：它是由空气冷却和它的入口氢压力不需要高；事实上，它可以在接近环境压力的压力条件下工作。本文中BoP系统提出了保证电堆操作条件这一有利要求。
第一个特性表明冷却系统中没有液体，从而促进和简化集成，因为他们不需要管道，阀门或泵[ 12 ]。作为热交换器，对冷却系统来说，这个电堆使用鼓风机因此只有两个电连接和一个格子结构将是必要的。第二个特性提供了安全，它不需要高的氢气供应压力，而且在氢转移电路（连接，管道线等）[ 13 ]不在有那么严格的要求。
作者最近发现一些解决方案[9,11,14,15 ] 。他们是水冷却系统，或着氢气供给压力必须是本文所提及压力的几倍。
此外，提及的系统具有以下额外的能力：（1）它是模块化的，所以它增加的标准功率可能为其他系统的数倍，（2）它具有监测功能以及控制负责管理其运行和减轻其老化的子系统。
本文介绍了用于中等功率低入口压力的风冷式质子交换膜燃料电池的BoP系统的设计，建造，控制，监测。开发的燃料电池系统具有设计简单，能在安全的条件下操作的特点，因此该系统可以与所有商业化的燃料电池系统形成竞争。
下一节专门讲解用于风冷燃料电池的BoP系统的设计和建造，控制和监测系统的开发放在控制和监测系统部分，实验结果部分是专门讨论实验结果的。主要结论收集在结论部分。
BoP的设计与实现
BoP系统设计的第一步是要知道用于系统实施的电堆的特性。这种情况下，在广泛的电力和环境条件下运行时，质子交换膜fcgen-1200acs电堆（参考文献[ 16 ]）旨在提供稳定的电力。它是空气冷却，所以不需要外部空气的加湿。此外，电堆被设计为闭口的形式使用干氢气，所以不需要外部氢的加湿，入口氢压力可以从1.16bar变化至1.56bar。电堆产生清洁直流电源，低热、低噪声的特征。80组电池功率可达到3.4千瓦。
接下来，一旦基本的技术特点被确定，需要将堆电集成到系统中来给子系统编号。这些子系统是氧化/冷却子系统，燃料子系统和电气子系统。
BoP的设计
氧化/冷却子系统
有效的氧化剂/冷却是质子交换膜燃料电池系统的安全和高效运行的关键，特别是对于那些高功率的燃料电池来说。冷却技术可分为以下几种：1利用散热器冷却（使用高的热导电材料或热管），2利用空气流动冷却（这是本文中燃料电池系统研究的情况）3利用液体冷却（水或防冻液），4利用相变冷却（蒸发冷却沸腾冷却）[ 17 ]。
接下来，我们来解释一下由80个单电池组成的电堆的空冷燃料电池的氧化/冷却子系统是如何建成的。氧化子系统（图1）将氧化剂传递到电堆阴极参与电化学反应，冷却子系统维护电堆在适当的温度。正如先前所述，在这种情况下，冷却和氧化剂流被集成为单流。对于大多数工作条件的冷却流量要求较高，所以冷却要求修正流量。冷却流量表示为Eq.（1）—（3），这取决于单电池的数量，工作位置，电堆的工作温度和进入空气温度。
（1）
Qstack是指所需要的流量（标准升每分钟，slpm)，ncell是指电堆个数。
每个电堆的冷却空气流量Qcell表示为：
（2）
这个表达式是由制造商估计得出的，他们建议用它验证非常高或低的环境温度情况。在本文中，作者第一次在制造商建议的不极端（空气温度15℃- 25℃）环境条件下验证电堆的这些功能。
图1—电堆和BoP集成的燃料电池系统
Battery:蓄电池，Control Unit:控制单元，Hydrogen bottle:氢气瓶，Pressure Regulator:压力调节器，Stack:电堆，Fan:风扇，Purge Valve:排气阀，Relay:继电器，Blocking diode:二极管，Load:载荷
qcell 是由一个电池产生的热量（W）（3），Ts是电堆的工作温度（℃），Tin是冷却/氧化剂流量入口温度（℃）。计算qcell l时应注意最高热量是在最高电流和最小电压的情况下。由于电堆降级，它变得效率更低，它产生更多的热量和更少的电力。因此，EoL（End of Life）的电堆参数应用于计算产生的电堆热量：
（3）
当产物水是水蒸气时（1.2545 V 50 ℃），E为电池的最大电压，Vcell和Is 是工作点的电池电压和叠加电流。
另一方面，电堆所消耗的空气可以从Farady定律（4）中得到，其氧需求（摩尔/秒）为：
（4）
其中F是法拉第常数=96485库仑/摩尔。
然后，考虑到空气摩尔质量= 0.02897kg/mol，空气中的氧含量= 0.21，所需的空气为（kg/s）（5）：
（5）
由空气密度（在20℃，rho;=1.205kg/msup3;）可知，电堆所需空气体积（slpm）为（6）：
（6）
用这个表达式，我们可以调整氧化剂的化学计量lambda;（这是入口空气流量与所需空气流量的比率）。本文所研究的电堆提供最大的性能时，氧化剂化学计量比在50和200之间。有一些性能损失计量比低于50。如果氧化剂的化学计量比损失在20以下。电堆必须有一个最低的氧化剂化学计量学10的功能。氧化剂的化学计量可以通过（7）计算：
（7）
其中C是所需的空气，0.0177slpm/(A∙cell)。
考虑到空气消耗计算，想要配置这个子系统，应该知道以下信息：电堆工作温度Ts，入口空气温度Tin和化学计量系数lambda;。此外，氧传感器测得CO2浓度用来防止大气中的氧浓度低的情况。图1为详细的氧化剂/冷却剂子系统配置。
燃料子系统
燃料子系统（图1）在适当的流量和压力下将氢燃料提供到电堆。本文研究的电堆是专为所有燃料进入阳极用完（燃料化学计量比：1）的密闭的操作设计的。但在实践中，水蒸气、氮气等惰性气体可以在阳极收集，所以这方面必须定期地清除。
然后可以看到两个氢路：一个氢入口和另一个氢出口。组件进气管路清单包括：储氢罐燃料，压力调节器，以适应高氢在低燃油入口压力下的瓶压电堆，供应阀，以控制氢流量和测量电堆阳极压力PH2。在排气管路，需要排气阀控制氢气排到环境中。
电气子系统
在这种情况下，电堆电流和电堆电压与传感器将连接在电气端子上，电池电压上监控系统Vc见图1。电堆电流长期在标准电流以上将会导致电堆退化。此外，增加电堆电流时，电堆电压传感器和电池电压监测系统确保不驱动电池反转。电池逆转会产生热量并导致电池短路，产生电火花。此外，添加的继电器使燃料电池系统与电子负载和阻断的二极管分离避免产生反向电流。
为了让这三个子系统同时工作，控制单元将负责接收所有来自传感器的信息，并决定给出执行器正确的工作顺序。此外，外部电源将为BoP系统中所有的设备提供能量。燃料电池系统需要这个外部电源的原因有两个：1）BoP系统的设备即使在燃料电池系统启动前也应该启动运行，2）燃料电池系统达到稳态性能并提供额定功率所需的时间是电堆温差的同最佳工作温度[ 18 ]，水化膜的状态[ 19 ]和催化剂的条件[ 20 ]的函数。
BoP系统的实现
一旦BoP系统进行了设计，在选择组件之前最好决定使用什么样的控制单元。其电气特性（供电电压范围，输入和输出允许范围）将决每个传感器和执行器同自己的控制单元之间的信号。在这种情况下，作者有选择PLC西门子s7-1214和24伏电池。接下来BoP系统的实现需要考虑到这一点，所以传感器的输出和驱动器的输入必须被调整到0—24 V范围内（图2）。在任何情况下选择其他控制单元，信号调理方案会适应新的输入输出容许范围。
氧化/冷却子系统
正如我们已经证实的那样，氧化剂冷却系统由风扇、温度传感器和氧传感器集成。为了氧化剂/冷却子系统的实施，使用了以下元素：
i）风扇：在最大工作电流和在最大进气温度时，他们需要提供足够的流量来冷却电堆。为了选择一个合适的风扇，必须验证其工作曲线满足电堆冷却的需要。Vstack（电堆体积流量）△Ptotal（总压降）必须在电堆最大工作条件下计算。在这种情况下是Is=75A，TS=66 ℃，电堆产生热量是电堆叠效率低下的结果。最大热量是在最大电流和最小电压下产生的。根据制造商[ 10 ]，电堆产生的热量Qstack_heat如式（8）所示，这和（3）一样要考虑电池数：
（8）
最大热量会在Vcell=0.5 V，Is=75A，Qstack_heat=56.25 W /cell时产生。除去由电堆产生的热量，冷却空气的具体质量流量可以根据与热质量流量与比热容有关的式（9）得到：
（9）
其中qremoved将等于排除的热量（56.25 W / cell），m是空气质量流量（Kg / s），Cp是空气热容量（1006 J /（Kg·K）），Ts是最大堆温度 （66℃），Tamb为环境温度（25℃）。因此，所需的空气质量流量为
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