更有效率更簡單的燃料電池測試
支持碳中和的能源發展
燃料電池測試
燃料電池使用氫氣作為燃料，利用氫氣與氧氣結合產生電能。發電過程產生的副產物有熱和水。燃料電池可以不排放溫室氣體（二氧化碳），所以使用燃料電池發電有助於減少環境中的二氧化碳排放量。圖1說明了燃料電池的作用原理。氫氣和氧氣通過陽極氧化和陰極還原形成離子。
電子經由外電路形成電流後從陽極流向陰極，質子則被氧吸引到薄膜另一邊的陰極。最終產生的是水及熱能而不會形成二氧化碳。圖示的燃料電池是質子交換膜燃料電池。所以燃料電池又被講述成質子交換膜燃料電池（PEM）。
圖 :質子交換膜燃料電池的基本功能原理圖
燃料電池已經應用於物料搬運車輛、送貨車輛、長途運輸卡車和備用車輛。單個燃料電池的輸出電壓低於2V，因此實際上使用的燃料電池是多塊電池重疊後組成的。車用燃料電池可以輸出功率大於125kW。另外，最大的燃料電池則用於備用電池，功率可達 1.5 MW，工作電壓則可能高於900V。隨著燃料技術的改良，製造商未來將可以被設計出更大、電壓更高的燃料電池堆。
面對如此巨大的功率容量，必須對燃料電池堆進行一系列的測試，以確保燃料電池堆在性能、安全還有使用壽命上的保證。EA-Elektro-Automatik的電子負載和雙向直流電源具備高功率輸入及輸出的功能，可用來測試燃料電池堆。電子負載的單機功率為60kW，電壓輸出為2000V。電流容量高達1000A。可並聯多個負載，測試功率高達1.92MW的燃料電池。雙向直流電源則可提供功率輸入及輸出的高功率能力。
使用交流擾動技術量測燃料電池內阻
圖2顯示了燃料電池的簡化電路模型。燃料電池最重要的參數是其內阻成分。電解質電阻(electrolyte resistance)是燃料電池總電阻的主要組成。極化電阻(polarization resistance)則是反應等效電阻的模型，而等效雙層電容(double-layer capacitance) 則是陽極電解質-陰極介面的模型。燃料電池的總內阻越小，功率損耗越小，效率越高。在發電量為千瓦至兆瓦的情況下，過高的總內阻會導致燃料電池堆無法輸出最大額定功率。
量測燃料電池內阻之所以困難，是因為電池電壓源無法像電路模型所顯示的那樣與電阻元件隔離。燃料電池內阻的量測需要交流量測或偽交流量測，和傳統的直流內阻量測所得到的內阻意義不同。無論哪種情況，負載產生的電流變化 ΔI會導致燃料電池兩端產生ΔV (ΔU) ；燃料電池內阻R = ΔV (ΔU) / ΔI。
* 在應用說明中，”燃料電池 “和 “燃料電池堆 “可以互換使用。
圖 :燃料電池的簡化模型
偽交流量測法也被稱為電流中斷法。顧名思義，這種方法通過瞬間將負載電流從穩態值切換到0A來產生一個ΔI，燃料電池電壓從負載電流和燃料電池電阻乘積降低的電壓上升到開路電壓。圖3顯示了電流瞬間關閉產生的電壓脈衝。雖然這種方法只需要一個電子負載，但其缺點是會對電池產生較大的擾動及電流變化。
圖3顯示的是理想電壓，但太長的測試配線導致的等效電感L-di/dt，會在電流轉換時在電壓脈衝的邊緣產生振盪，這樣就很難量測到電壓峰值的準確值。盡可能縮短負載和被測燃料電池之間的測試線路可以有效減少振盪現象。
圖4顯示了電流中斷測試的測試裝置。這種方法的第二個缺點是可能會高估燃料電池10%到20%的電阻。使用四線量測方法 (Kelvin wiring)可更精確地量測燃料電池的輸出電壓，而無需再去量測電流造成的壓降。將remote sense線交叉擰再一起並與源導線分開，以減少感應耦合的干擾。
圖 :使用電流中斷法量測燃料電池電阻的測試設置
EA Elektro-Automatik電源和電子負載可在直流負載上加入正弦波。而Power control軟體更簡化設定的方法。圖5顯示如何建立一個振福為5Vrms的1kHz正弦波的設定。如果儀器需要被其他軟體控制，SCPI命令庫可提供儀表通信和控制功能。
圖 :螢幕截圖顯示Power Control軟體在75 Adc負載上建立頻率為1 kHz的 5 Vrms正弦波。
測試輸出功率達MW等級的燃料電池需高功率的電源及測試儀器。ELR可程式電子負載的功率單機可達60kW，電壓可達2000V，電流可達1000A。全系統負載皆具備寬範圍輸入功能，能夠加載更大的電壓和電流範圍，還可以更靈活測試更多類型的燃料電池。對於備用發電使用的電池燃料電池，可並聯多個ELR負載達到64kA的電流加載。ELR負載裝置可以測試任何的燃料電池堆。
圖 :自動調整輸入與固定範圍負載表較。注意自動調整負載在更高電流設置下提供了更高的電壓輸入和更高的功率容量。
燃料電池性能測試
一旦確定電池燃料堆的參數後，工程師可以量化電池燃料堆的輸出性能。為確保數據可重複性，燃料電池應處於受控環境中，即燃料電池溫度、壓力、濕度和燃料流速保持穩定。電壓輸出是負載電流的函數，負載電流一開始無負載，方便量測開路電壓（OCV）。然後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20%。每個負載電流變化都需要燃料電池重建平衡條件；所以，在獲得每個新負載的數據之前，需要進行延遲。圖7顯示了極化曲線示例。
第一部分 隨著負載電流增加，非線性的電荷運動效應引起非線性電壓降。
第二部分 燃料電池的歐姆電阻為燃料電池的主導參數，產生一個線性段。
第三部分 由於燃料消耗速度比氫和氧化學反應提供新能量的速度快，所以電壓呈指數型下降。
圖 :燃料電池電壓-電流輸出曲線
使用Power Control軟體或SCPI命令，ELR 負載可輕鬆建立負載電流的多步驟序列。
圖8顯示用Power Control軟體在10A的步進將負載電流從0A增加到100A的設定。此圖顯示將負載電流從10A增加到20A的序列第二步(可以設定多步驟)。
圖 :使用Power Control軟體建立從 0A增加到 100A 的電流步進序列。
燃料電池的耐久性測試
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。對於汽車應用，燃料電池堆必須具有5,000小時的使用壽命。備用電源必須有10,000小時的使用壽命。可行性測試需要加速應力測試，即燃料電池堆需受到超過100小時的步進負載變化或負載電流斜坡循環。負載電流改變將會使燃料電池電壓改變大約50%。方波步進變化和斜坡循環的週期大約50秒。
如圖9所示，使用預設的波型產生器功能，ELR負載Power Control軟體可以創建斜波週期為50秒的斜波測試。
圖 :Power Control 軟體螢幕截圖顯示了創建週期為50秒，從0A增加到100A的負載電流斜坡。
在一個高效能的燃料電池堆上做一個100小時的測試會消耗許多能量。ELR可回收式電子負載可以在加速應力測試中節約大部份的電能。負載具備可再生回收功能，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，這些負載可以帶來更多綠能的效益，並降低冷卻設備的投資。使用ELR負載可顯著降低電力成本，帶來投資回報。
簡單又有效率的燃料電池測試
ELR負載在燃料電池測試提供了以下的優點:
你不需要在高功率電路中連接低功率的波型產生器，簡化燃料電池設定與測試。通過波型產生器，ELR負載可以在直流負載電流上輕鬆建立正弦波的變化，建立量測燃料電池電阻的電流變化。波型產生器也可以為性能和耐久性測試創建方波和斜坡。
幫助降低所需負載的成本，因為更寬的電壓和電流範圍可以根據燃料電池容量優化功率容量。達到更高的電壓或電流就不需要購買更高功率的負載。
效率高達96%，顯著節約與高功率燃料電池超長加速壽命測試相關的電力成本。成本節約反應在投資回報率上（ROI）。除此之外，負載散熱更低，減少對其電子組件的傷害，大幅降低負載的維修率。
可以輕鬆、快速地設定測試，不需要寫任何的程式碼。
結語
雖然本應用說明著重於測試儀器的ELR負載，但PSB系列雙向電源也能提供相同的負載能力。與ELR負載一樣，PSB系列電源具有內建波形發生器、寬範圍的輸入和輸出以及再生能量回收功能。如果需要測試燃料電池負載和燃料電池控制模組，PSB電源還可以模擬燃料電池堆。
Reference: EA Elektro-Automatik