PEMFC微環(huán)境艙設(shè)計(jì)

劉柱龍，雷梟，丁小松

（1.廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司，廣州 510860； 2.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510860）

引言

作為一種清潔環(huán)保、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，PEMFC的研究及應(yīng)用報(bào)道不斷[1-3]。隨著催化特性、PEM膜等研究持續(xù)深入[4]，高效穩(wěn)定的PEMFC電堆和模組已在家用轎車、公交巴士、船舶、航天等領(lǐng)域小規(guī)模推廣。2017年日本發(fā)布的“氫能源基本戰(zhàn)略”，要求2030年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車規(guī)模達(dá)80萬輛[5]?！吨袊圃?025》指出[6]，到2025年中國燃料電池汽車可實(shí)現(xiàn)區(qū)域小規(guī)模運(yùn)行，屆時(shí)道路行駛的氫燃料電池車達(dá)12萬輛；到2030年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池車的大規(guī)模普及應(yīng)用[7]。

表1 不同海拔高度的自然條件變化表[9]

1 模擬應(yīng)用

燃料電池及其集成系統(tǒng)對各種自然條件下的適應(yīng)能力，針對各種自然條件的控制策略，對燃料電池的穩(wěn)定，乃至壽命均有重要影響。如陰極的操作條件，氣體壓力、過載系數(shù)對燃料電池性能十分敏感，尤其在高功率輸出狀況下，電池性能受擴(kuò)散極化影響[8]，針對性的空氣控制策略不僅可保障燃料電池的性能穩(wěn)定，更有利于其耐久能力。在高海拔地區(qū)，因空氣稀薄，氧分壓低，如不及時(shí)調(diào)整空氣控制策略，使電堆陰極擺脫欠氣，單片電壓低狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，從而提高整車性能及燃料電池壽命。海拔高度0～5 000 m（不同海拔高度的自然條件變化見表1），可調(diào)溫度范圍-40～+80 ℃；氣壓范圍50～101.3 kPa，含氧量20.95～12.95 %可調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下濕度20～90 %RH的PEMFC環(huán)境模擬，模擬不同自然條件下單項(xiàng)或多項(xiàng)組合因素對PEMFC產(chǎn)品進(jìn)行高低溫、高低濕、高海拔影響評價(jià)。圖1為PEMFC裝置設(shè)計(jì)、材料性能、工藝方法、裝配流程、控制策略對PEMFC效能影響提供準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)，能有效減低物料消耗、提高研發(fā)效率、加快更優(yōu)性能PEMFC裝置迭代速率。

PEMFC裝置僅需提供反應(yīng)氣和冷卻水即可運(yùn)行[10]。由物料流圖（圖2）可見，3對進(jìn)出管路，1對電能導(dǎo)流管線，就能組成一套完備的PEMFC物料供給系統(tǒng)。而家庭乘用車一般長度4 m到5 m，寬度約1.7 m，高度約1.6 m；公交巴士一般長度12 m，寬度約2.5 m，高度約3.0 m；對比綜合，兩種車型對應(yīng)PEMFC能量轉(zhuǎn)化裝置外形尺寸長度應(yīng)小于2 m、寬度小于2 m、高度小于2 m。由此可將PEMFC物料供給與2×2×2 m凈內(nèi)腔尺寸密閉艙體相結(jié)合，定向開發(fā)適用PEMFC裝置和部件的環(huán)境模擬艙。

2 改良優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)的臺架測試與實(shí)際工況有較大的差異，而實(shí)際工況的路試需要付出極大的代價(jià)，所以需要在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜工況，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室低成本測試的有效途徑。真實(shí)環(huán)境中，車輛整體或部件均處于一個(gè)自然環(huán)境條件下。而模擬環(huán)境艙中，鑒于電堆單體及模組成套集成裝置的差異，需構(gòu)建成一個(gè)裝置外環(huán)境及堆芯內(nèi)環(huán)境，在氫裝置內(nèi)外形成基本一致的自然環(huán)境條件。PEMFC微環(huán)境艙模塊示意圖如圖3。

圖1 PEMFC環(huán)境艙模擬自然條件

圖2 PEMFC物料流圖

圖3 PEMFC微環(huán)境艙模塊示意圖

圖4 空氣增溫方式

通常工業(yè)焓差環(huán)境室的設(shè)計(jì)及控制策略成熟[11]（常見空氣增溫方式如圖4），廣泛采用電熱管艙內(nèi)直熱加熱，熱源將熱能直接加于密閉環(huán)境中，適用對溫度無準(zhǔn)確要求，且快速升溫的場合，產(chǎn)生的熱空氣干燥無水分。熱源將空氣和加濕水升溫，與冷凝器一起進(jìn)行溫度和濕度的調(diào)節(jié)[12]。逃逸能力強(qiáng)且可燃的氣體氫在環(huán)境模擬艙中一旦與熱管直接接觸，可能造成爆炸事故。需將直接熱源的熱能加于一中間載熱體，然后由中間載熱體將熱能再傳給物料，如熱水加熱、礦物油加熱等，形成高效間壁非接觸式換熱加熱器，確保無明火點(diǎn)與氫接觸，溫度范圍0～100 ℃的換能單元。改良傳統(tǒng)通用環(huán)境倉與攜帶可燃?xì)怏w器件的融合，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度在含氫環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)及控制調(diào)節(jié)。

結(jié)合PEMFC環(huán)境艙功能模塊及模擬自然條件，氫燃料電池特有的反應(yīng)物料管道輸運(yùn)，氫裝置的尺寸及環(huán)境模擬艙的大小，利用其占用空間少，物料管道輸運(yùn)特性，沿陰極氣體流程進(jìn)行溫度、濕度和壓力的控制與調(diào)節(jié)。陽極氫氣由高壓儲罐直接減壓輸送，且標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣中氫含量少，模擬艙設(shè)計(jì)中可不予考慮。

陰極氣體壓力控制與調(diào)節(jié)，可調(diào)氣壓范圍50～101.3 kPa。艙內(nèi)壓力與管路輸氣壓力分別控制，聯(lián)動調(diào)節(jié)。參與反應(yīng)氣由外部設(shè)備調(diào)節(jié)供氣壓力，經(jīng)專用密閉管道連通至PEMFC測試件及微環(huán)境艙內(nèi)，綜合控制器根據(jù)內(nèi)外壓力偏差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，平衡。確保環(huán)境艙內(nèi)密閉空間與被測件輸入空氣的人造自然條件一致，環(huán)境艙調(diào)節(jié)示意圖如圖5。

空氣屬于混合物，由氮?dú)?、氧氣、稀有氣體，二氧化碳及其他物質(zhì)（水蒸氣、雜質(zhì)等）組合而成。其中氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)約為78 %，氧氣的體積分?jǐn)?shù)約為21 %，稀有氣體的體積分?jǐn)?shù)約為0.934 %，二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)約為0.04 %，其他物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)約為0.002 %?？諝獾某煞植皇枪潭ǖ?，隨著高度的改變、氣壓的改變，空氣的組成比例也會改變。PEMFC裝置參與反應(yīng)氧氣的化學(xué)計(jì)量比So2取2～3，反應(yīng)后尾排氣體的氧濃度減低，由傳感器采集實(shí)時(shí)濃度數(shù)據(jù)，并將尾排空氣回用，適時(shí)注入一定量的N2，以匹配各海拔高度的氧含量。

RAMP材料插值模型為材料屬性有理近似模型，采用插值函數(shù)建立單元設(shè)計(jì)變量xe和其彈性模量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(2)所示：

根據(jù)燃料電池系統(tǒng)對試驗(yàn)環(huán)境的電-熱-水-氣等物料/能源的需求，功率等級，高原參數(shù)的差異，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化組合設(shè)計(jì)，結(jié)合燃料環(huán)境模擬試驗(yàn)艙的溫、濕度及海拔要求，基于各自然條件的參數(shù)耦合關(guān)系，通過各傳感器實(shí)時(shí)反饋、智能決策與專項(xiàng)算法，實(shí)現(xiàn)溫、濕、氣參量耦合條件下的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制。多參量控制算法如圖6

3 保護(hù)措施

含氫環(huán)境中需做好防火花設(shè)計(jì)，環(huán)境艙的內(nèi)/外膽良好接地，避免靜電產(chǎn)生火花。內(nèi)膽需采用無縫焊接工藝，防止水汽和氫氣進(jìn)入保溫板內(nèi)部。空氣循環(huán)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和葉輪設(shè)安全間隙，并采用特殊材料，采用隔爆電機(jī)，避免機(jī)械摩擦碰撞時(shí)產(chǎn)生電火花。艙內(nèi)照明采用防爆、耐溫防潮鹵素?zé)?。配置氫濃度傳感器，?shí)時(shí)監(jiān)測氫量，當(dāng)艙內(nèi)氫濃度超設(shè)定值，即刻啟動排風(fēng)換氣系統(tǒng)，快速稀釋氫氣。

圖5 環(huán)境艙調(diào)節(jié)示意圖

圖6 多參量控制算法

4 展望

經(jīng)通用環(huán)境艙改造，論述了一種PEMFC微環(huán)境艙設(shè)計(jì)，可模擬海拔高度自然條件變化對PEMFC裝置性能的適應(yīng)性能測試。由于PEMFC關(guān)鍵技術(shù)還未取得實(shí)質(zhì)性突破，鮮有成熟的氫燃料電池車產(chǎn)品，仍需沉淀對PEMFC的基礎(chǔ)研究，在不斷累積進(jìn)步中，突破性發(fā)展，引領(lǐng)帶動PEMFC技術(shù)和創(chuàng)新發(fā)生整體性、格局性的深刻變化，進(jìn)而對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生基礎(chǔ)和決定性影響。