Elektro-Automatik (EA) jest czołowym europejskim dostawcą energoelektroniki dla przemysłu motoryzacyjnego i wielu innych gałęzi przemysłu. EA projektuje i produkuje innowacyjne zasilacze w swoich niemieckich laboratoriach. Obecnie EA oferuje serię zasilaczy ELR zaprojektowanych specjalnie z myślą o ułatwieniu testowania samochodowych ogniw paliwowych.
Ogniwa paliwowe są stosowane od wielu lat, ale dzięki postępowi technologicznemu i globalnym inicjatywom na rzecz neutralności klimatycznej, firmy motoryzacyjne takie jak Honda, Toyota, Hyundai i Mercedes poczyniły znaczne inwestycje.
Projektowanie i produkcja wysokiej jakości ogniw paliwowych wymaga odpowiedniego scharakteryzowania urządzenia i przetestowania jego działania. W elektrowniach rezerwowych oraz pojazdach samochodowych ogniwa paliwowe są montowane w stosy tak, aby spełnić wymagania dotyczące mocy niezbędnej dla danego zastosowania. Takie stosy mogą generować duże moce, dlatego do charakteryzacji i testów ogniw paliwowych niezbędne są wysokowatowe zasilacze i obciążenia elektroniczne.
Stosy ogniw paliwowych mogą wyprodukować ponad 10 kW energii. Elektro Automatik produkuje zasilacze i obciążenia DC o dużej mocy, przy czym produkty te posiadają kilka funkcji, które upraszczają symulację, charakterystykę i testowanie ogniw paliwowych oraz sprawiają, że testy są bardziej efektywne.
Czym jest ogniwo paliwowe?
Zanim omówimy testowanie ogniw paliwowych, wyjaśnijmy, czym są ogniwa paliwowe. Ogniwa paliwowe są paliwem chemicznym. Podczas reakcji chemicznej powstaje energia, której produktem ubocznym jest ciepło. Działanie większości ogniw paliwowych jest często oparte na bazie wodoru zmieszanego z utleniaczem, takim jak tlen, który następnie tworzy elektrolity.
Zaletą stosowania wodoru jest to, że produktem ubocznym reakcji chemicznej są tylko ciepło i para wodna, co sprawia, że mamy do czynienia z czystą energią. Wodór wykorzystywany w ogniwach paliwowych można pozyskiwać na kilka sposobów, poprzez reforming parowy metanu z gazu kopalnego, gazyfikację biomasy, elektrolizę wody lub termochemię słoneczną.
Obecnie istnieje kilka różnych typów ogniw paliwowych, ale wszystkie składają się z tych samych elementów: anody, katody i elektrolitu, który umożliwia przepływ jonów pomiędzy dwoma stronami ogniwa paliwowego, jak pokazano na rysunku 1.
Jak sprawdza się odporność na korozję?
Najważniejszym parametrem ogniwa paliwowego jest jego element rezystancyjny. Rezystancja elektrolitu jest głównym czynnikiem wpływającym na całkowitą rezystancję ogniwa paliwowego. Rezystancja polaryzacji modeluje rezystancję zastępczą reakcji, a pojemność dwuwarstwowa modeluje interfejsy anoda-elektrolit-katoda. Im niższa jest całkowita rezystancja ogniwa paliwowego, tym niższe są straty mocy i wyższa jest jego sprawność.
Zbyt wysoka całkowita rezystancja może uniemożliwić ogniwom paliwowym uzyskanie maksymalnej mocy znamionowej przy wytwarzaniu mocy od kW do MW.
Trudności z pomiarem rezystancji ogniwa paliwowego wynikają z faktu, że źródło napięcia ogniwa nie może być odizolowane od elementów rezystancyjnych, jak sugerowałby model obwodu. Zamiast konwencjonalnego pomiaru rezystancji prądu stałego, pomiar rezystancji ogniwa paliwowego wymaga pomiaru prądu zmiennego.
Metoda przerywania prądu zwana jest także pomiarem pseudo-AC. Metoda ta polega na wytworzeniu prądu poprzez nagłe przełączenie prądu obciążenia z wartości stałej do 0 A. Napięcie ogniwa paliwowego podnosi się do wartości napięcia obwodu otwartego z napięcia zredukowanego przez iloczyn prądu obciążenia i rezystancji ogniwa paliwowego.
Jak wytworzyć prąd, by scharakteryzować ogniwo paliwowe? Do tego celu potrzebne jest obciążenie elektroniczne i możliwość zmiany jego stałego prądu wyjściowego za pomocą sygnału prądu zmiennego o zmiennej częstotliwości. Obciążenie i generator przebiegów można by ze sobą połączyć. Jednak ponieważ generatory przebiegów są urządzeniami o małej mocy, trudno byłoby testować stosy zawierające kilka ogniw paliwowych. Generator przebiegów można by podłączyć poprzez trójnik Bias Tee do obciążenia elektronicznego, jednak trójniki te są elementami małej mocy używanymi głównie do zastosowań RF. Podłączenie generatora przebiegów o niskiej mocy do obciążenia elektronicznego o wysokiej mocy jest nie lada wyzwaniem.
EA wychodzi naprzeciw temu wyzwaniu oferując obciążenia elektroniczne ELR, które integrują generator kształtu fali z obciążeniem. Nie trzeba się martwić o zewnętrzne połączenia i ochronę generatora kształtu fali przed szkodliwym działaniem wysokiej mocy. Generator kształtu fali generuje fale sinusoidalne, trójkątne, kwadratowe, trapezowe, rampy i fale arbitralne. Za pomocą obciążenia ELR można utworzyć dowolny rodzaj obciążenia dynamicznego, w tym sinusoidalne perturbacje na rozpraszaczu prądu stałego do charakteryzacji rezystancji ogniw paliwowych.
Ponadto, za pomocą wewnętrznego generatora przebiegów, obciążenie ELR umożliwia poddanie badanego ogniwa paliwowego szerokiemu zakresowi zmian obciążenia dynamicznego, zarówno w przypadku testów wydajnościowych, jak i wytrzymałościowych. Obciążenie może poddawać ogniwa paliwowe dużym skokowym zmianom obciążenia przy różnych cyklach pracy.
Symulacja ogniwa paliwowego na potrzeby realistycznych badań falownika lub przetwornicy DC-DC
Gdy ogniwo paliwowe jest już scharakteryzowane, za pomocą zasilaczy serii PSB, które wyposażono również we wbudowany generator funkcji falowych, można symulować wyjście z ogniwa paliwowego. Używając symulowanego ogniwa paliwowego, przetwornica dla urządzenia takiego jak źródło zasilania w trybie gotowości lub konwerter DC-DC dla pojazdu samochodowego może być testowana w najbardziej realistycznych warunkach. Wystarczy skorzystać z aplikacji Function Generator w oprogramowaniu Elektro Automatik Power Control. Po wprowadzeniu kluczowych parametrów napięciowych i prądowych aplikacja Function Generator App umożliwia zasilaczowi PSB emulowanie mocy wyjściowej stosu ogniw paliwowych.
Na rysunku 3 pokazano tabelę, która przedstawia charakterystykę ogniwa paliwowego w postaci krzywej V-I oraz definiuje moc wyjściową ogniwa paliwowego. Przy maksymalnym napięciu, moc wyjściowa ogniwa paliwowego jest zdominowana przez efekty elektrokinetyczne. Liniowa, omowa rezystancja ogniwa paliwowego determinuje charakterystykę wyjściową w środkowej części krzywej. Natomiast w części krzywej o wysokim natężeniu prądu i niskim napięciu, charakterystyka wykładnicza jest definiowana przez energię pobieraną w szybszym tempie niż wodór i tlen mogą dyfundować do anody i katody w celu dostarczenia energii.
Podczas symulacji wyjścia ogniwa paliwowego można przetestować działanie przetwornicy lub DC-DC, ponieważ obciążenia te pobierają zarówno niski, jak i wysoki prąd. Uzyskane wyniki wskazują, jak dobrze obciążenia mogą utrzymać swoją moc pod zmiennym napięciem ogniwa paliwowego. Do testowania inwerterów i przetwornic DC-DC nie jest na szczęście potrzebny skomplikowany zestaw testowy z zewnętrzną zmienną rezystancją. Wystarczy zasilacz serii PSB.
Chłodzenie i oszczędność energii
Zarówno obciążenia elektroniczne serii ELR, jak i dwukierunkowe zasilacze serii PSB mogą pobierać energię i dostarczać ją z powrotem do sieci energetycznej z wyjątkową wydajnością 96%. Podczas korzystania z obciążeń ELR lub funkcji “sinking” zasilaczy PSB, inwertery w tych dwóch obu urządzeniach zapewniają regenerację energii w celu zmniejszenia kosztów energii elektrycznej. Zwracanie zaabsorbowanej energii do sieci oszczędza zapotrzebowanie na chłodzenie dla tych urządzeń, które mogą wytwarzać i pochłaniać do 30 kW. Aby utrzymać bezpieczną temperaturę pracy, urządzenia potrzebują wentylatorów o mniejszej wydajności, które pracują ciszej oraz mniej rozbudowanej infrastruktury chłodzącej. Korzystając z niższych kosztów użytkowania, można cieszyć się świadomością, że pomaga się środowisku.
Praca w dowolnym zautomatyzowanym środowisku testowym
Zasilacze PSB i obciążenia ELR firmy Elektro Automatik wyposażone są w kilka interfejsów umożliwiających łatwą komunikację i sterowanie w kilku środowiskach testowych. Oba urządzenia standardowo zawierają interfejsy USB i ethernet, co ułatwia podłączenie do komputera. Dzięki opcjonalnym interfejsom ModBus i Profibus przyrządy mogą być sterowane przez programowalny sterownik logiczny (PLC). Za pomocą interfejsu CAN przyrządy mogą współpracować z samochodowym systemem sterowania. Oznacza to większą elastyczność niż w przypadku innych producentów zasilaczy i obciążeń elektronicznych
Podsumowanie
Testowanie ogniw paliwowych jest złożonym procesem. Jednak dzięki odpowiednim narzędziom może stać się o wiele łatwiejszy. Elektro Automatik jest liderem w branży energoelektronicznej i oferuje kilka rozwiązań do testowania ogniw paliwowych. Wodorowe ogniwa paliwowe są uważane za jedno z najczystszych paliw, ponieważ charakteryzują się niską lub zerową emisją dwutlenku węgla. Zapewnienie ich długowieczności i sprawności podczas eksploatacji i przechowywania wymaga regularnego testowania w wielu gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle motoryzacyjnym.
Obciążenia elektroniczne EL 9000 B
Obciążenia elektroniczne serii EL 3000 i EL 9000
Obciążenie elektroniczne ELR 9000
Zasilacze dwukierunkowe DC, EA-PSB 9000
