電堆測(cè)試面臨著怎樣的行業(yè)痛點(diǎn)

本期專家：

Qiushi博世智能制造解決方案事業(yè)部（BMG）技術(shù)專家

負(fù)責(zé)氫能裝備的新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品管理工作以及技術(shù)型銷售工作

在燃料電池系統(tǒng)中，電堆是將氫氣和空氣中的氧氣通過電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能的關(guān)鍵元件，也是成本占比最高的元件，其性能很大程度決定了燃料電池系統(tǒng)的性能。

電堆測(cè)試臺(tái)作為測(cè)量電堆性能的設(shè)備，無論是在電堆研發(fā)階段還是量產(chǎn)（下線檢測(cè)）階段均扮演著重要的作用。

電堆測(cè)試面臨著怎樣的行業(yè)痛點(diǎn)呢？

通常我們都希望測(cè)試臺(tái)能夠真實(shí)的模擬電堆在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行情況 ，但目前測(cè)試臺(tái)主要用于穩(wěn)態(tài)工況的測(cè)試，無法反應(yīng)動(dòng)態(tài)過程中電堆的工作性能。為什么呢？

在電堆測(cè)試時(shí)，測(cè)試臺(tái)需要準(zhǔn)確控制進(jìn)入電堆氣體（氫氣、空氣）的流量、溫度、濕度、壓力等變量，用于電堆的性能評(píng)價(jià)。且測(cè)試臺(tái)調(diào)整的工藝變量范圍更廣、控制精度更高，導(dǎo)致測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)與燃料電池系統(tǒng)完全不同。

這也就導(dǎo)致了測(cè)試臺(tái)的管路容積龐大，通常是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的幾十倍，在這種情況下想要模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)工況是非常困難的。因此，縮小管路容積是拉近測(cè)試臺(tái)與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)差距的關(guān)鍵步驟。

在這些被控變量中，氣體的濕度控制是其中一個(gè)非常重要的工藝，同時(shí)也是影響管路容積的最主要的因素。電堆測(cè)試臺(tái)的兩種主流的加濕工藝：加濕罐方案和蒸汽加濕方案。

從原理上分析，氣體加濕可以分兩步，第一步是液態(tài)水吸熱生成氣態(tài)水，第二步是氣態(tài)水與干氣的混合。在加濕罐方案中的氣態(tài)水的生成和與干氣的混合都是在罐內(nèi)完成的，而蒸汽加濕方案是把氣態(tài)水的生成和混合兩步分離，蒸汽發(fā)生器用于產(chǎn)生氣態(tài)水，然后在電堆入口前進(jìn)行氣態(tài)水與干氣的混合來完成氣體加濕。博世智能制造解決方案事業(yè)部（BMG-3CN）選用的是蒸汽加濕工藝路線，這也是我們后續(xù)方案的基礎(chǔ)。

模塊化

得益于蒸汽加濕方案的兩步分離的優(yōu)勢(shì)，蒸汽混合管替代了罐內(nèi)容積龐大的加濕罐。同時(shí)，對(duì)陰陽極兩路氣體管路做了進(jìn)一步調(diào)整，分別將影響氣體流量、溫度、濕度控制的關(guān)鍵元器件和影響壓力控制的元器件集成到了兩個(gè)獨(dú)立模塊中，陰、陽極的四個(gè)獨(dú)立模塊可靈活擺放在測(cè)試倉內(nèi)的電堆旁。

高動(dòng)態(tài)性能

采用模塊化設(shè)計(jì)后，測(cè)試臺(tái)的陰陽極氣腔體容積被極大程度的縮小，以150kW為例子，陰陽極氣腔容積分別低至約15L和5L，小于相同功率等級(jí)加濕罐方案的1/10，約為燃料電池系統(tǒng)管路容積的2倍左右，可以為電堆提供與燃料電池系統(tǒng)更接近的工藝變量調(diào)節(jié)速度。

容積縮小最直接的獲益就是壓力調(diào)節(jié)速率的提升，我們可以從圖中看到，在5%的最大流量下，壓力調(diào)節(jié)速率依然可以大于50kPa/S。

同時(shí)，采用蒸汽加濕的工藝路線，露點(diǎn)調(diào)節(jié)同樣具備優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能。

高動(dòng)態(tài)的工藝變量調(diào)節(jié)速度，還可以用于快速活化工藝的開發(fā)，提高量產(chǎn)階段的生產(chǎn)效率。

模塊換型

有了模塊化的基礎(chǔ)，我們還可以為客戶提供更多的靈活性。比如，通過模塊換型實(shí)現(xiàn)更寬功率段的兼容，圖中展示了一個(gè)的300kW電堆測(cè)試臺(tái)更換10kW模塊后就可以兼容10kW電堆測(cè)試需求的示例。這部分換型模塊僅需要花費(fèi)10kW測(cè)試臺(tái)約30%的成本。幫助客戶實(shí)現(xiàn)分期投資，緩解了財(cái)務(wù)壓力。

尺寸縮小

通過模塊化的設(shè)計(jì)同時(shí)幫助我們縮小了設(shè)備尺寸，以300kW測(cè)試臺(tái)為例，設(shè)備長(zhǎng)度被縮短了1m。在未來電堆大規(guī)模量產(chǎn)，多臺(tái)測(cè)試臺(tái)同時(shí)工作時(shí)，還可以采用蒸汽集中供氣的方案，將站內(nèi)的蒸汽發(fā)生器從設(shè)備內(nèi)移除，設(shè)備總長(zhǎng)還可以再縮短1m。

相較于市面上主流的測(cè)試臺(tái)，模塊化的高動(dòng)態(tài)電堆測(cè)試臺(tái)在長(zhǎng)度方面縮減了將近30%，為客戶節(jié)約了甲類廠房測(cè)試間的使用面積。

審核編輯：彭菁