HyPM HD 30集成手册中文版.docx
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HyPMHD30集成手册中文版
30KW氢燃料电池发电模块
HyPM®HD30集成操作手册
第4版
此产品受6,436,563,6,866,061,6,878,477,7,018,732,
7,077,187,7,148,654美国专利及其它申请中的专利保护。
30kW氢燃料电池发电系统
HyPM®HD30集成操作手册
第4版
保留所有版权。
未经Hydrogenics公司书面授权，手册的任何一部分均不得以任何方式或任何手段（电子的、机械的）复制或传播。
2013年8月印制
修订历史
版本标识
变更说明
日期
D0
首次发行
2012.02.2
D1
修正了表5-1,44页“J1接插件”
2012.07.18
D2
增加了3-3章节，20页FCPM主要成分及接插件（仰视图/侧视图）
2012.09.18
3
为了多方面显示产品信息，修订了绘图和封面插图
2013.06.28
4
修订了技术规格尺寸，以便与最新型号匹配。
2013.08.26
担保和责任
1概述
2安全
3产品概述
HyPM®HD30属于长寿命/移动电源系列。
经过设计、优化，它可以应用在多种移动领域。
除了HyPM燃料电池电堆以外，产品还包含了燃料、氧化剂及水的管理，以及气体净化处理辅助部件，集成了软件控制及电源调节。
HyPM结构最显著的特点如下：
✓随负荷变化，相应快速
✓无限制启动次数，不会对电堆产生负面影响
✓内置先进的诊断
✓燃料利用率高
✓液体冷却，能够有效的带走系统或沟槽内的热量，以应用在其它地方
✓低压操作
✓安静
3.1技术规格
表3-1FCPM技术规格
性质
单位
数值
产品信息
型号
HyPM®HD30
零件编号
1038478
物理性质
尺寸（L×W×H）1
mm
658×406×259
质量2
kg
≤75
体积3
L
≤69
性能
额定功率4
kW
31
最大超负荷
不允许
操作电流4,5
Adc
0-500
操作电压
Vdc
60-120
最高效率
%
53
停机到怠速7
s
≤5
怠速到额定功率7
s
≤20
氢气系统要求
氢气8
%
≥99.99
CO
umol/mol
≤0.2
硫化物（H2S、SO2等）
umol/mol
≤0.004
烃类化合物
umol/mol
≤2
供应气压9
kPa
653-928
电堆操作压力9
kPa
≤120
最大气量10
L/min
≤500
氢气温度
℃
-10-46
空气供应系统
流量11
L/min
≤2500
空气过滤器12
化学物质和颗粒
成分
环境空气
硫化物
umol/mol
≤0.004
操作环境
储存空气温度13
℃
-40-65
环境空气温度13
℃
-10-46
启动和运行时最低的湿组件温度13
℃
2
最高室内温度14
℃
55
相对湿度（运行和储存）15
%
≤95
海拔16
m
0-1600
方位
o
±30
排放物
用户空气排放的允许压降
kPa
≤3
收集水17
阳极
mL/min
≤48
阴极
mL/min
≤64
冷却系统要求
散热18
kW
≤52
冷却剂出口温度19
℃
50-70
冷却剂类型
去离子水
%
100
乙二醇/去离子水20
%
60/40
电阻率
kΩ
≥200
冷却剂流量21
L/min
≥75
用户冷却系统的最高压降
kPa
≤35
最高冷却剂进口压力9
kPa
≤170
电力输入
信号电压（FCPM启动）22
12/24Vdc,≤1A
持续供电22,23
12/24Vdc,30W
空气供应系统启动电源
24Vdc，150W
空气供应系统持续电源
24Vdc，60W
通信接口
CAN总线v2.0A/B被动式（标准11针），传输速率250kbit/s
1.大约是底座外围尺寸，不包括空气供应系统和水泵。
2.冷藏处理后产品质量在湿基准基础上有上下1kg浮动。
产品质量不包含空气
供应系统和水泵。
3.产品尺寸以最外围为基准，不包含接插件和法拉。
4.禁止用户超功率使用。
最大输出电流禁止使发电系统超过额定功率。
模块额定功率是在最初工程测试验收时确定的，工况条件为环境温度为21℃，海拔高度为200m，燃料和氧化剂温度均为21℃。
FCPM须按照说明书规定运行。
否则，会影响电堆性能包括电堆耐久性，毁坏电堆。
5.输出电流由用户决定，但禁止超过由CAN总线输出的“允许消耗电流”。
FCPM禁止在低于15A下运行5min。
6.平均最高效率在模块出厂验收测试得到，约有±3%的误差。
工况条件为环境温度为21℃，海拔高度为200m，燃料和氧化剂温度均为21℃，操作电流约为100Adc（以氢气低热值为准，25℃，101.3kPa）。
不包含散热器风扇、水泵及风机消耗的热量。
7.“Off”定义为FCPM不需要启动或信号电源的状态。
时间是指风机消耗电量来自于混合动力的一部分而非电堆，直到电堆达到怠速状态。
时间基于和额定功率时同样的环境条件。
8.氢源符合“氢气燃料产品规格”，ISO/TS1487-2:
2008（E）。
9.所有压力均是绝对压力。
10.最大输出电流500Adc是在闭环模式下得到。
操作环境温度为21℃，以0℃、101.2kPa为参考。
11.环境操作温度为21℃，空气参考值为21℃，101.3kPa。
12.模块包括过滤颗粒和化学物质的过滤器。
13.在FCPM标准配置的情况下而且冷却系统已经采取了防冻措施如手册中提出的排气方式或采用了在冷空气下也不冷冻的冷却介质，如果产品发生了自然
14.低于规定的温度时，确保模块周围通风良好，以维持FCPM内部温度。
15.不允许将FCPM放置于引起模块表面冷凝的环境。
16.额定功率是在海拔200m测得。
若海拔高于200m，功率将会下降。
若要求高海拔操作，请联系Hydrogenics销售部获取补充信息。
17.参考25℃、101.3kPa。
18.电堆寿命期内最大热载。
19.温度设定点基于负载和操作压力变化而改变。
温度上限基于海拔200m处。
20.乙二醇体积浓度不超过60%。
21.冷却剂流量以去离子水计量。
若采用乙二醇水溶液，须提高冷却剂流量，以保证在相同操作条件下，通过模块的冷却剂温差（冷却剂出口温度减去冷却剂进口温度）和使用去离子水条件时的温差一致。
22.工厂可配置12或24Vdc电源。
23.水泵不是FCPM直接供电，而必须是从外部电源供电。
3.2性能
图3-1HyPMHD30出厂验收测试性能图
注：
FCPM效率是基于氢气低热值，25℃，101.3kPa，考虑了模块所有集成的载荷。
电压、净输出功率及效率没有包含散热器风扇、水泵或其它外部电力调节设备。
3.3FCPM机械尺寸
FCPM底盘尺寸：
长658mm，宽406mm，高259mm。
约重75kg。
注：
所有尺寸约有3mm误差。
尺寸不包含空气供应系统和水泵。
图3-2FCPM机械尺寸
3.3.1FCPM组成和接口
图3-3FCPM主要部件及接口（仰视/侧视图）
图3-4外部部件连接
4接收，储存及运输
5安装
此部分描述了怎样让FCPM工作（发电）。
在开始安装前，请仔细阅读现场/应用要求，用户需要提供的仪器设备及材料清单，设计说明以及安装指导。
以下是安装的大概顺序：
✓应用环境要求
✓用户提供的设备及材料
✓FCPM的机械安装
✓FCPM应用接口说明
✓安装要求和过程
Ø气体供应
Ø排气管路
Ø冷却系统
Ø电气接插件
✓安装调试
5.1环境要求
为了正常运行，FCPM有如下要求：
✓预防天气变化，以及预防来自模块其他部件如散热器的水滴或水流。
✓干净空气-所用空气来自环境大气，因此须确保空气中的硫化物、磷酸盐、有机化合物及痕量金属物质。
✓无限制气流-确保排气管路气流通畅，否则，FCPM性能会下降。
注意氢气累积。
潜在的氢气积累主要通过适当的通风设施减轻。
如果FCPM在封闭空间如建筑或小房间内使用，须在封闭空间顶部安装氢气探测器，监测氢气浓度。
✓安装氢气泄露探测器，保证当氢气浓度超过25%低极限值时，启动紧急急停。
✓确保FCPM外壳有充足的通风面积。
5.2额外需求设备
作为FCPM安装的一部分，用户须提供和安装如下设备：
✓一个总控制系统或一个计算机，与CAN接口连接，控制FCPM（CAN总线v2.0A/B被动模式（标准11针），传输速率为250kbit/s）。
✓依据负荷循环和周围环境条件，风扇散热器或热交换器须能够最高散掉52kW热量。
✓如果使用高压冷却系统，安装压力释放装置以防止系统压力超过200kPaabs（例如，在散热-冷却系统中，散热器水箱盖最高耐压为200kPaabs）。
✓用户冷却系统须配置去离子水净化器。
✓供给氢气。
✓安全泄压装置。
参考5.4.1.1章节FCPM氢气进口连接（33页）。
✓依据特殊要求和安装地点的工况条件，须配置一系列的氢气传感器和泄露探测器。
✓冷却剂进口处安装冷却剂过滤器，过滤超过381um的颗粒（stainparticles）。
✓FCPM反向电流保护装置（例如二极管）。
✓负载开关（电流接触器），如下：
Ø线圈（coil）：
12/24Vdc@低于1A（电阻）1.
Ø电接触点：
最小500A，120Vdc。
Ø短路电流：
~3500A。
✓电气软件和连接件额定工作条件为60–120Vdc，500A。
最大电流波动不超过系统输出电流的5%。
注：
用户添加的任何设备，如果影响了空气进气量或出气量，须精心设计，确保FCPM停机后无空气气流。
参考5.4.2.2章节空气供应辅助系统注意事项，34页。
1.接口输出电流总和不超过1A。
5.3FCPM应用接口
FCPM的实际应用连接按照以下执行（参考图5-1）：
✓负载线（主电力输出）
✓冷却剂进口
✓冷却剂出口
✓氢气进口
✓氢气出口（排气电磁阀）
✓空气进口
✓空气出口
图5-1FCPM接口
5.3.1去掉覆盖物和胶带
FCPM运输时或是用塑料薄膜/袋子包装，或者用冒头和/或胶带包住管路的进出口以避免污染。
安装前，须去掉薄膜、冒头或胶带。
5.4气体供应过程
FCPM运行需求氢气和干净空气。
气体供给工艺按照下面小节指导说明进行。
5.4.1氢气供给（阳极）
供给FCPM的氢气须符合氢气燃料-产品规格，ISO/TS14687-2:
2008（E）版本，规定了所有杂质气体的极限值，并非总杂志气体极限。
注意。
使用不符合ISO/TS14687-2:
2008（E）标准的氢气会造成不稳定运行，甚至快速降低电堆性能。
✓氢气纯度-﹥99.99%
Ø气流中不能含有油性物质、颗粒物、有机化合物、磷酸盐、CO、硫化物、阳离子、冷凝物。
Ø参考44页表3-1和合ISO/TS14687-2:
2008（E）。
5.4.1.1FCPM氢气进口连接
注：
在与FCPM连接前，需要进行符合当地标准的安全启动审核。
警告。
注意爆炸性或窒息性气体积累。
不能使用塑料管连接。
管路压力符合操作气压。
氢气供给系统连接要求：
1.在氢气进口前，使用氢气减压阀将来自气瓶的氢气压力减到653–928kPaabs。
2.在FCPM和用户供氢系统之间安装一个常闭氢气电磁阀。
Ø电磁阀符合进气压力要求，以及最高500slpm流量的要求。
警告。
氢气进气超压危险，且会对设备造成危害。
FCPM内部没有氢气安全泄压阀。
因此，用户需要在氢气进气管路安装氢气安全泄压阀，按照下面3步骤。
3.安装氢气安全泄压装置。
泄压装置的解除压力须超过805kPa。
4.在FCPM氢气进口装置处连接进气管路（图5-1FCPM接口标识“氢气进口”，32页）。
Ø7/16”-20SAE（美国汽车工程协会）内螺纹接口
5.4.2空气供给（阴极）
空气供给系统安装顺序如下：
空气过滤器、流量传感器及风机。
5.4.2.1空气质量
FCPM空气供给系统有一个空气过滤器，该过滤器能够过滤颗粒物、化学物质及预防盐雾。
✓过滤器过滤颗粒部件防止空气供给系统被颗粒阻塞。
✓过滤器过滤化学物质部件防止污染杂质如硫化物、磷酸盐、有机物及痕量金属污染燃料电池电堆。
禁止FCPM在极度不干净环境运行。
如果FCPM在污染物浓度高的地方使用，须经常
检查过滤器。
注意。
污染物会加速电堆衰减。
FCPM应该在允许的硫化物、磷酸盐、有机物
及痕量金属浓度范围内运行。
5.4.2.2额外配置空气供给系统注意事项
注意对电堆造成的危害。
FCPM停机后，用户须保证没有空气气流再通过供气
系统。
如果用户额外集成了空气供应系统，当FCPM进入待机状态或停机，用户须确保额外
集成的空气供应系统也停机。
5.4.2.3风机和空气流量传感器集成。
风机和空气流量传感器须以合适方向安装（空气流朝向模块），参照图3.4外部组件连接所示。
风机通过连接器BLWR202B与PDC（控制器？
）连接。
空气流量传感器通过连接器FT201A与PDC连接。
两个标识配线均由FCPM提供给。
5.5排气
FCPM有两种排气方式：
1.单独排放：
通过一个安全管路直接将氢气排气排到大气中。
2.共同排气：
将氢气排气和空气排气混合，集中排掉。
无论哪一种方式，用户均应提供符合IEC60079-10-1:
2008的排气通风系统。
警告。
注意起火或爆炸。
氢气废气在氢气可燃浓度。
好好设计排气通风路线，保证通入大气的线路远离潜在的着火源。
出于安全考虑，须安装一个外部风机，将废气排到外面，确保氢气浓度降低到允许值。
空气废气也需要排到外面，因为它含氧量低且可能含有少量氢气。
排气线路须远离潜在的着火源。
5.5.1通风设备
FCPM需要合适的通风设备，确保无危险区。
5.5.2水分离
尾气是潮湿的，在通风系统里面可能会冷能。
因此，须设计通风系统，确保冷凝水能够通过水分离器或排水弯管，从底部或较低部位流出。
不允许冷凝水倒流会FCPM。
5.5.3氢气排出
警告。
注意起火或爆炸。
氢气废气在氢气可燃浓度。
精心设计排气通风路线，保证通入大气的线路远离潜在的着火源。
氢气排气含有热的氢气和水分。
排气通过水分离器分离水分后排到大气（图5-1标识的“氢气排气电磁阀”，32页）。
注意。
注意对电堆的危害。
不允许水分倒流回氢气出口处。
确保排气管路里的水从FCPM排出，且水分不会倒流回系统或在排气管路里积聚。
1.使用一个管接头把FCPM上的“氢气排气电磁阀”和水分离器或排水弯管，通过316SS不锈钢连接起来。
Ø氢气出口接头为7/16”-20SAE（美国汽车工程协会）内螺纹接口。
Ø排水弯管必须设置在排气管路的最低位置，保证水不会到流到氢气出口。
2.排气从水分离器或排水弯管排到外面。
3.收集水滴，保证水分不倒流回FCPM氢气出口处。
注意。
氢气出口处压降不允许超过3kPa。
因此，尽管3/9”（9.5mm）的排水管径已经满足要求，用户可以增大排水管径，保证水流畅通无阻。
排水管径也与管路总长度相关。
5.6散热系统
FCPM采用一个可调的点式温度控制器，以优化模块性能和寿命。
对于一定的输出电流，FCPM冷却剂出口温度须调节到合适的温度。
精确的温度设置根据周围环境变化而变换。
5.6.1.1小节冷却剂温度控制（38页）描述了冷却剂温度控制方法。
注：
对于典型的散热器风扇系统或典型的冷却水控制阀系统，控制参数在生产时已经设定。
在下订单时，须指明控制类型。
5.6.1设计说明
图5-2为散热系统设计图例。
下面分解讲述散热系统设计，保证FCPM安全、正确的运行。
警告。
会对电堆造成不可修复的毁坏。
FCPM须具有充足的冷却剂流量。
去离子水流量必须大于75L/min。
✓用户提供的水泵量程必须超过75L/min，而水压低于200kPaabs。
✓水流量是指去离子水流量。
如果采用乙二醇水混合液，须提高冷却剂流量，保证冷却剂温差（冷却剂出口温差减去冷却剂进口温差）。
✓确保冷却剂电阻率大于200kΩcm。
✓在冷却剂回路安装合适的去离子水净化器，如图5-2所示。
✓安装散热器或可替代的热交换器，保证盖子或注水点在系统最高点。
✓设计散热系统，确保冷却剂带入的空气在启动时能够排出（例如，通过散热器或水箱）。
✓在冷却剂主管路安装过滤器，过滤超过381um颗粒，避免堵塞电堆冷却剂流道。
✓安装恒温阀，维持系统运行温度。
警告。
会对电堆造成不可修复的危害。
不允许收缩或堵塞散热系统管路或部件。
小建议：
在散热系统可行点，安装流量计或流量指示器。
以便在启动时，可以直观地检测冷却剂流量及空气泡。
图5-2典型的冷却剂流动系统图
5.6.1.1冷却剂温度控制
FCPM支持两种不同的温控模式：
1.来自FCPMPWM信号
Ø12/24VdcPWM信号，通过J2传输，给比例阀或风扇电机控制器提供一个温度设定点。
Ø风扇或比例阀的电力来源于外部，由系统集成者提供。
2.CAN总线冷却剂出口温度设定点
ØFCPM通过CAN总线传输一个冷却剂温度设定点。
Ø以FCPM指示温度为基准，实际应用的散热系统必须将冷却剂回路温度的误差控制在±2℃。
Ø当多个FCPM共同用一个散热回路时，应采取此方法。
负载须被多个发电模块平均使用，且冷却剂温度设定点平均在多个单元。
5.6.2散热系统集成
按照如下连接散热系统：
1.用1.5”I.D.（标识）软管将散热系统连接到FCPM冷却剂进口和出口位置，如图5-1所示。
2.安装一个合适的去离子水过滤器，如图5-2所示。
Ø去离子水实例：
Barnstead型号D50237过滤器，1/4”（6.35mm）内螺纹NPT（美国标准圆锥管螺纹量规）接口（只适用于去离子水冷却剂）。
3.FCPM冷却剂进口处安装颗粒过滤器。
4.确保所有软管连接牢固，避免泄露。
5.注入去离子水。
也可以，采用流量充足的60/40乙二醇水混合液，散热能力须去离子水相当。
警告。
会对电堆造成不可恢复的毁坏。
散热系统正常启动后才能运行FCPM。
5.7电气连接
图5-3显示了模块的电气连接：
✓负载总线（-）
✓负载总线（+）
✓接插头J1/J2
✓空气供给系统电源
✓FCPM接地
图5-3电气连接
5.7.1FCPM电力输出
FCPM产生直流电。
输出电压与电流有关。
FCPM电力由两条总线输出。
用户所需电流直接从总线输出。
连接FCPM的负载线最小电流容量是500A。
警告。
不要将负载线的阴阳极接反。
否则，会对电堆造成危害。
5.7.2负载控制/隔离
FCPM准备交付前不允许电堆发电，否则会对电堆造成伤害。
因此，FCPM提供了一个负载启动信号，此信号能够使负载和FCPM发电隔离。
5.7.2.1负载接触器集成
为防止发电模块完成前输出电流，在主电力输出上安装一个负载接触器。
负载接触器参数如下：
✓最低额定功率：
500A，120Vdc
✓负载接触器驱动线圈最大额定功率：
12/24Vdc@<1A（电阻）
接触器电压须与FCPM电源电压匹配。
✓系统短路电流：
~3500A。
连接负载接触器：
1.用负载使能端子J1给驱动线圈供电。
2.通过接触器将负载连接到FCPM的正极或负极总线
图5-4负载接触器样例图
5.7.2.2二极管安装
警告。
反极会对电堆造成不可修护的危害。
FCPM不能出现反向电流。
当FCPM用来给电源，例如高电压蓄电池或电容器，充电时，需要特别考虑。
为了防止出现电流反向现象，用户需要在主电力输出上安装二极管，如图5-4所示。
安装二极管须注意以下事项：
✓最低要求：
500A，120Vdc（或高于实际应用的最高电压，如300V的蓄电池则要求二极管最高额定电压高于300V）。
✓二极管会消耗电功率，稍稍降低模块净输出功率。
肖特基二极管功耗较低。
✓二极管可能需要散热。
注：
也可采用其他方式隔离负载和FCPM。
例如，如果FCPM通过DC/DC输出电力，则DC/DC已经起到隔离FCPM和负载的作用。
5.7.3FCPM接地
确保FCPM接地应用。
可以通过固定件（直接机械连接）或通过一个4AWG电线将FCPM上的接地点（图5-3所示）和应用地面或安全接地线连接（PE）。
使用接地阻抗测试仪检查FCPM和应用或安全接地线之间的电阻。
注：
对于FCPM地面而言，FCPM输出电力是浮充的，但是部分电流可能会流向FCPM地面。
信号线路必须与FCPM地面连接。
5.7.4接口接插件J1
接插件的各种功能如表5-1所示，以下对此进行详述。
须准备配对接插件，实际应用时连接。
准备匹配的接插件。
依据线号不同，可能用到各种型号插件。
要求的配对接插件为泰科P/N794824-1。
也应用下述零件号：
✓线标识-泰科P/N1-1586359-6
✓接口标识-泰科P/N1-1586362-6
✓18-22AWG（美国线规）-泰科P/N1-770988-0
✓22-26AWG-泰科P/N1-770986-0
表5-1：
接插件J1
对于J1，用户主要接插件
针号
指示
方向
说明
01
不用
02
ID（标识）select2
输入
低电平有效（信号地线）
03
IDselect4
输入
低电平有效（信号地线）
04
CANhigh线
双向
CANv2.0A250bkit/s
05
CANlow线
双向
CANv2.0A250bkit/s
06
FCPM使能
输入
12h或24Vdc（高电平有效）
07
不用
08
信号地线
接地
信号地线
09
负载使能
输出
12/24Vdc@<1A（电阻）a
10
IDselect3
输入
低电平有效（信号地线）
11
IDselect1
输入
低电平有效（信号地线）
12
不用
13
不用
14
不用
15
不用
16
不用
aJ1和J2输出电流总和必须小于1A。
5.7.4.1FCPM标识
在多个FCPM模块公用一个CAN总线的结构，IDselect针定义了总线上的每一个FCPM标识。
为了识别FCPM，将相应的IDselect针连接到J1-8（信号地线）。
✓15种不同标识（FCPMaddress（地址）1,2，。
。
。
，15），如表5-2FCPM标识配置。
✓对于默认标识（地址1），IDselect针不连接即可。
注：
FCPM地址影响了CAN信号。
具体细节参考附件C“CAN技术说明”。
表5-2FCPM标识配置
FCPM标识
J1-11
J1-02
J1-10
J1-03
1
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