燃料电池BOP系统测试技术及能力分析

1.前言

燃料电池BOP（Balance of Plant）系统测试是确保燃料电池系统高效、安全运行的关键环节。BOP系统包括辅助设备如供氢/供氧系统、热管理系统、增湿器、循环泵、控制系统等，其测试技术与能力需覆盖性能、效率、可靠性及与电堆的协同性。

2.测试功能

用于燃料电池BOP系统的综合性能测试，包括稳态工况和动态工况下的性能测试，其中重点包括空气子系统和冷却子系统的测试：

空气子系统测试

空气子系统的测试一般需要具有以下功能模块：

1.空压机测试模块：具备空压机流量、压比、效率性能曲线测试，并提供相关结果证明图示；空压机性能测试具备背景比对功能；具备空压机喘振线自动标定功能，并提供标定结果佐证；空压机工况自动化测试；空压机冷却回路流阻、温差性能测试。

2.增湿器测试模块：增湿器内外漏特性测试；增湿器加湿特性测试；增湿器流量-压损性能测试；增湿器超压和压差安全保护。

3.中冷器测试模块：提供被测对象所需的冷却需求，可控制的流量、入口温度、压力等参数，实现测试中冷器换热效率，以及空气侧、水侧流量-流阻功能。

4.背压阀测试模块：流量-压损性能测试。

冷却子系统测试

1.电堆冷却模拟模块：实现电堆发热量以及压阻-流量模拟。

2.水泵测试模块：实现水泵特性曲线、水泵汽蚀余量测试。

3.去离子器/颗粒过滤器/PTC加热器测试模块：实现去离子测试时流量、压力、温度控制与采集，离子过滤性能以及寿命等测试功能；实现PTC加热功率和效率试验，流量-流阻曲线；实现颗粒过滤器流量-流阻测试。

4.节温器测试模块：实现流量-流阻-开关比例测试。

5.散热器测试模块：实现散热器风侧与水侧流量、阻力、温度和换热量的测试。

3.BOP系统测试的核心能力

1.温湿度模拟

温度模拟：高低温环境舱可模拟 - 45℃-85℃的环境温度，通过制冷机组制冷，电加热实现高温模拟，以配合进行燃料电池BOP系统低温起动性能试验。

湿度模拟：一般可模拟 10%-95% 的湿度条件，通过湿度环境模拟技术，在环境舱内通过加湿和除湿的方式模拟。

2.部件级性能测试

功率与能耗监测：通过BOP部件功率采集模块实时获取各辅助设备的运行功率（如空压机、循环泵等），结合燃料消耗数据，计算系统效率。

流体与热管理：测试气体流量、压力、温度控制精度，例如通过质量流量控制器（MFC）调节氢气和空气的流量，确保反应条件稳定；热管理系统需验证加热/冷却效率及温度均匀性。

3.系统级协同测试

净电功率评估：BOP的总能耗直接影响系统净输出功率（系统净功率=电堆输出功率－BOP功耗），测试需模拟实际工况，验证系统在不同负载下的效率表现。

动态响应能力：通过可编程电子负载模拟负载突变，测试BOP系统在动态工况下的响应速度与稳定性，如供气系统在功率波动时的压力调节能力。

4.安全性与可靠性验证

泄漏与压力保护：集成氢气泄漏检测、过压保护阀等装置，确保测试过程的安全性。

耐久性测试：模拟长时间运行或启停循环，评估BOP部件的寿命及故障率，例如泵阀的磨损、密封件老化等。

上海汽检氢能与燃料电池检测研究实验室拥有三台套子系统测试台，分别为空气子系统测试台、氢气子系统测试台和冷却子系统测试台，空气子系统测试台可以用于测试30kW-300kW等级燃料电池发动机的空气系统相关零部件(空压机、增湿器、中冷器等)，可根据设定测试流程、工况进行24小时无人值守运行；氢气子系统测试台可以满足各类车载供氢回路中高压部件如减压阀、安全阀、高压供氢管路等的性能及耐久性功能测试及低压回路下氢气循环泵的性能map测试，并同时满足加氢站氢气阀门的压力、温度类性能测试；冷却子系统测试台可以用于燃料电池冷却子系统以及相关零部件(包括水泵、去离子器、过滤器、加热器、节温器等)性能、功能、联调等方面的测试，可满足200kW及以下燃料电池冷却子系统的测试、开发需求。