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企業新聞

燃料電池測試


高效輕松的燃料電池測試


支持氣候中立能源的發展


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   燃料電池使用氫作為燃料,與氧結合產生電力。產電過程的副產品是熱和水。溫室氣體二氧化碳的排放量為零,使用燃料電池電源有助于減少環境中的二氧化碳。圖顯示了燃料電池的工作原理。氫和氧通過陽極氧化和陰極還原形成離子。電子可以通過外部負載從陽極流到陰極,質子可以通過電解質從陽極流到陰極,使化學反應能量轉化成電能。最終產物是水和熱,不是二氧化碳。圖示燃料電池是質子交換膜 (PEM) 燃料電池。


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   燃料電池*應用于物料搬運車輛、運輸車輛和長途車輛,以及用作備用電源。政府計劃、經濟激勵和新應用使市場增長率超過 30%。

   單個燃料電池的輸出電壓為 2 V,因此,實際燃料電池是由多個電池組成的電池組或電池堆。車輛燃料電池的輸出功率可達 125 kW;用作備用電源的燃料電池可具有 1.5 MW 的容量和 900 V 的輸出電壓。隨著燃料電池技術的改進,制造商將設計功率高和額定電壓高的燃料電池堆。

   在如此高的功率容量下,必須測試燃料電池堆,確保它們安全,具有指定效率和所需的使用壽命。EA ElektroAutomatik 電子負載和雙向電源具有非常高的輸入和輸出容量,能夠測試燃料電池堆。電子負載可提供具有 30 kW 容量和2000 V 輸出電壓的型號。電流容量可達 1000 A??刹⒙摱噙_ 64個負載來測試功率級達 1.92 MW 的燃料電池。無論是源電源還是吸收電源,雙向電源都具有相同的功率處理和并聯儀表容量。


使用 AC 擾動技術測量燃料電池電阻


   下圖顯示了燃料電池的簡化電路模型。燃料電池重要的參數是它的電阻分量。電解質電阻占燃料電池總電阻的主要部分。極化電阻模擬了反應等效電阻,雙層電容模擬了陽極-電解-陽極界面。燃料電池的總電阻越低,功率損失越低,效率越高。當發電為 kW MW 時,過高的總電阻會妨礙燃料電池堆輸出其額定功率。

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   測量燃料電池電阻的難點在于,電池電壓源不能像電路模型所建議的那樣與電阻分量隔離。不采用傳統直流電阻測量,測量燃料電池電阻需要AC測量或偽AC測量。在這兩種測量中,負載形成的擾動 ΔI 在燃料電池中產生 ΔV (ΔU);燃料電池電阻 R = ΔV (ΔU) / ΔI。

   偽 AC 測量稱為電流中斷法。顧名思義,此方法將負載電流從穩態值瞬間切換為 0 A,形成 ΔI。燃料電池電壓從因負載電流和燃料電池電阻的乘積而降低的電壓,上升到開路電壓。顯示了電流瞬間關閉形成的電壓脈沖。雖然此方法只需要一個電子負載,但缺點是對電池造成很大擾動。顯示了理想電壓,這僅用于說明。但是當電流轉換時,電纜電感 L·di/dt 電壓脈沖的邊緣產生振鈴。這將難以獲取電壓峰值的準確讀數。盡量縮短負載和被測燃料電池之間的測試電纜可以降低振鈴效應。顯示了電流中斷測試的測試設置。此方法的第二個缺點是將燃料電池電阻高估了 10 - 20%。

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         EA Elektro-Automatik Power Control 軟件可控制 EA 電源和電子負載,簡化了在直流負載電平上創建正弦波的工作。屏幕截圖顯示了創建一個振幅為 5 Vrm 1 kHz 正弦波。Power Control 軟件不需要編碼。如果電子負載需要集成到其他控制軟件中,此負載的 SCPI 儀器命令庫可提供儀器通信和控制。表列出了會生成正弦波的命令。SCPI 命令可以 C Python 等編程語言編寫為讀寫命令。

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如果設備已處于遠程控制中,直流輸入或 直流輸出關閉,則需要下列命令序列:

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   測試輸出功率可達 MW 級的燃料電池需要高功率測試儀器。ELR 負載型號的功率可達 30 kW,電壓可達 2000 V,電流可達 1000 A。負載由于 所示的自調整輸入而具有此能力。自調整使負載能夠吸收更大范圍的全功率,而不是固定范圍負載,不需要使用更高功率的負載來吸收更高的電壓或更高的流。自調整負載的電壓和電流工作范圍更廣,還可以靈活測試更多類型的燃料電池。 對于備用發電使用的大型燃料電池合二為一,可并聯多達 64 ELR 負載可吸收高達 64 kA 的電流。ELR 負載組件可測試任何燃料電池堆。

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燃料電池性能測試


   確定燃料電池堆的參數后,工程師可以量化燃料電池的輸出性能。為確保數據的可重復性,燃料電池應處于受控環境中,即燃料電池溫度、壓力、濕度和燃料流速保持恒定。電壓輸出是負載電流的函數。負載電流開始時無負載,方便測量開路電壓。以固定步進值增加負載,直到燃料電池的輸出電壓為開路電壓的大約 20%。每次負載電流變化都需要燃料電池重新建立平衡條件;所以,在獲取每個新負載電平的數據之前,需要進行延遲。圖顯示了極化曲線示例。

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   使用 Power Control 軟件或 SCPI 命令,ELR 負載可輕松創建負載電流步進序列。

   圖顯示了使用 Power Control 軟件創建以 10 A 步進將負載電流從 0 A 增加到 100 A 的設置。此圖顯示了將負載電流從 10 A 增加到 20 A 的序列第二步。 

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燃料電池耐久性測試


   測試燃料電池最重要的一步是確保電池的安全性和穩定性。對于汽車應用,燃料電池堆必須具有 5,000 小時的使用壽命。備用電源必須具有 10,000 小時的使用壽命??尚袦y試需要加速應力測試,即燃料電池堆經受超過 100 小時的步進負載變化或負載電流斜坡循環。

   如圖所示,使用內置波形發生器,ELR 負載 Power Control 軟件可以創建斜坡周期為 50 秒的斜坡測試。

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   在高功率燃料電池堆上執行 100 小時測試會消耗許多能量。ELR 負載可以在加速應力測試中節約大量能量。這些負載具備可再生能量回收功能,可以吸收功率,再將功率返回給電網,效率高達 96%。ELR 負載不必消耗所有消耗的能量,與傳統電子負載相比,散發熱量更低。因此,這些負載可以降低冷卻基礎設施投資。使用 ELR 負載可顯著降低電力成本,帶來投資回報。



簡單高效的燃料電池測試


ELR 負載為燃料電池測試提供下列優勢:

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好烫了…会怀孕的
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