一種氫燃料電池實驗室工藝方案分析研究

黃忠轅 王競漢

摘 要：隨著新能源汽車保有量的提升，在市場的不斷檢驗中，以鋰聚合物電池為主導的動力系統的問題開始受到新能源車企的重視。為了尋求一種性能更好、更加環保的新能源汽車動力系統，以氫燃料電池為主導的車用動力系統研發工作已經展開，相應的氫燃料電池實驗室建設隨也在隨之進行之中。文章主要介紹并分析一種車用氫燃料電池實驗室的工藝布局及建筑方案，以備后續參考。

關鍵詞：燃料電池;實驗室;工藝方案

中圖分類號：TM911.42? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-20-04

Abstract： As new energy auto parc increasing， with continuity market test， the problem of Li-polymer battery power components has appeared then focused by automobile manufacturers. To seek a completely different new energy auto power system with better performance and more environment friendly， the research and development of hydrogen-powered fuel cells had been started， meanwhile， the construction of hydrogen-powered fuel cells laboratory is in progress either. This article mainly introduces one process and construction plan for hydrogen-powered fuel cells of automobile， for future reference.

Keywords： Fuel cells; Laboratory; Process plan

前言

燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學能直接轉換成電能的化學發電裝置，具有排放無污染，無噪聲，能量轉化率高等的優點。目前的燃料電池汽車就是以氫燃料為主導，利用氫氣與氧氣的化學反應產生的電能和熱作為驅動汽車的動力源或主動力源。

1 氫燃料電池優點

作為一種把化學能直接轉化為電能的電化學發電機，與傳統燃料相比，氫發電要比傳統燃料發電要更加經濟一些，內燃機它熱功率效率一般在三十到四十之間，但是通過氫氣的電化學反應，能使其效率達到七十甚至更多，除了在能量轉化上有著極高的效率外，氫燃料電池的另外一個優勢在于電池能量密度很高，能達到傳統燃料的三倍，能達到鋰電的十倍以上。由表1可見，其代表性分子式中，沒有碳的參與，轉化后的不存在CO2的排放，因此可看作是“零碳排放”的能源。

2 氫燃料電池的工作原理

相比其他燃料電池見表2，質子交換膜燃料電池PEMFC具有其在工作過程中不涉及氫氧燃燒，工作溫度低、啟動快、能量密度高、結構簡單、壽命長等優勢，因其特性與車用動力電池系統有著極高的契合度，故目前車用燃料電池均采用PEMFC技術。PEMFC的工作原理，見圖1。

PEMFC中電極反應類同于其他酸性電解質燃料電池，電池工作時，根據控制系統反饋的需求量，分別向氫電極和氧電極供應氫氣和氧氣，經催化劑作用，氫分子釋放出電子，后經質子交換膜采集產生電流，其具體反映方程式如下：

陽極反應（負極）：

H2→2H++2e-

在電池的另一端，陰極表面的氧氣經催化劑作用，與氫氧離子結合產生，后經流量控制系統，以水蒸氣的形式排放至大氣，實現了真正意義上的零排放。

陰極反應（正極）：

O2+4H++4e-→H2O

總反應為：

2H2+O2=H2O

由于質子交換膜對質子的“采集”特性，該系統可以將化學反應中的電子遷移轉化為外電路中的直流電，故只要源源不斷的供應氫氣及氧氣，燃料電池就能不斷的提供電能。

3 氫燃料電池實驗室規劃

2017年國家工業和信息化部公布的《新能源汽車生產企業及產品準入管理規定》（工業和信息化部令第39號）中明確提出，對申請燃料電池汽車的生產企業，必須要滿足以下要求：

3.1 設計開發能力

申請燃料電池汽車生產準入的，還應具有燃料電池系統、儲氫系統及相應的控制系統的研發人員。申請燃料電池汽車生產準入的，還應理解和掌握燃料電池系統控制、儲氫系統控制方面的技術;

申請燃料電池汽車的，還應具備燃料電池系統性能測試臺架、車載氫系統泄漏及高壓氣體安全方面的測試儀器和設備。

3.2 產品生產一致性保證能力

新能源汽車生產企業應實施計算機信息化管理，至少應建立產品可追溯性信息管理系統。

應具備車載能源系統/燃料電池系統、驅動系統的電氣性能與安全、溫度、儲氫系統安全等項目檢驗設備以及整車安全檢測線。

對于發動機、車載能源系統/燃料電池系統、儲氫系統、驅動電機、整車控制器等關鍵部件，應建立易見的、不可更換的、唯一性標識，并建立可以支持產品追溯的信息數據庫。

3.3 新能源汽車產品專項檢驗項目及依據標準

GB/T 24549-2009燃料電池電動汽車 安全要求;GB/T 24554-2009燃料電池發動機性能試驗方法;GB/T 26779-2011燃料電池電動汽車 加氫口;GB/T 26991-2011燃料電池電動汽車 最高車速試驗方法;GB/T 26990-2011燃料電池電動汽車 車載氫系統 技術要求;GB/T 29126-2012燃料電池電動汽車 車載氫系統 試驗方法;由此可知，《規定》針對車用氫燃料電池的實驗室的要求，主要包含：燃料電池性能測試臺架、車載氫系統泄漏及高壓氣體安全方面的測試儀器和設備，實驗室整體規劃，如圖2所示：

3.4 供氫站和加氫站

根據《GB 50516-2010 加氫站技術規范》，《GB/T 29124- 2012 氫燃料電池電動汽車示范運行 配套設施規范》的要求進行建設：

實驗室供氫，采用氫氣集裝格和匯流排形式，通過管道減壓送入實驗室，供氫站毗鄰實驗室建設（最大存放量為60瓶）;

汽車加氫必須要進入加氫站加氫，需要預留加氫站發展區。

3.5 性能臺架

實驗室環境：全室空調，吸音降噪防火材料，視頻監控系統，氫氣濃度監測，防爆照明;

實驗室接口：防爆電源接口，氫氣接入口，氮氣接入口，進排水管接口，冷卻循環水接口，氫氣排氣口;

燃料電池測試狀態：不包括散熱器、風扇、力電池;

臺架包含硬件：輔助動力電源，電子負載，內冷卻水循環系統，測控柜;

測試功能：滿足《GB/T 24554-2009 燃料電池發動機性能試驗方法》的要求;

測量內容：氫氣即時用量，輔助電源電壓和電流，冷卻水進出口溫度及流量，外界電子負載電壓、電流和功率。

3.6 聯調實驗室

包含硬件：模擬電源（代替燃料電池）、輔助動力電池，電機，電力測功機;

測控柜仿真實驗數據：臺架數據采集。整車聯調仿真，參數優化。

3.7 零部件實驗室規劃

引射器：利用文丘里效應將未參與反應的氫氣吸入引射器與新鮮氫氣混合后進度電堆，實現氫氣的循環;

實驗室接口：氫氣接入口，氫氣排氣口;

引射器臺架：入口端減壓閥，流量閥，引壓端減壓閥，流量閥，出口端被壓調節閥，主控電腦;

實驗實驗數據：入口端壓力流量，引射端壓力流量，出口端壓力。

增壓器：控制空氣進氣流量和壓力;

實驗室接口：外部冷卻循環水，輔助電源;

增壓器臺架：入口端流量閥，出口端背壓調節閥，主控電腦;

實驗實驗數據：入口端壓力，出口端壓力流量，增壓器轉速。

增濕器：滿足燃料電池侄子交換膜對空氣溫度，濕度，指標需求;

實驗室接口：外部循環水接口，壓縮空氣接口;

增濕器臺架：空氣減壓閥，流量閥，內部循環水減壓閥，溫控閥，流量閥;

實驗數據：空氣壓力流量，空氣濕度，循環水溫度，壓力，流量。

4 氫燃料汽車未來的發展

根據2016年國家發改委和國家能源局下發的《能源技術革命創新行動計劃2016-2030》中把氫能源與燃料電池技術創新研究列為15項重點任務之一。關于氫能與燃料電池技術創新行動包括：大規模制氫技術，分布式制氫技術，氫氣儲運技術，氫氣/空氣聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）技術等。而在配套方面，我國燃料電池研發體系在圍繞燃料電池發動機、動力電池、驅動電機、供氫系統等關鍵零部件已初步形成?？傮w來看，我國的燃料電池汽車還處于性能改進和小規模示范階段。市場上主要還是以客車和專用車產品為主，轎車車型產品相對較少。但是傳統能源和氫能的儲備以及開采問題，都將為氫能的大規模利用帶來不確定性，如何提高核心技術水平，實現關鍵零部件的國產化，降低生產成本以及加強基礎設施的建設將是未來國家在氫燃料電池發展的重點。

5 國家政策

2018年12月15日，全國政協副主席萬鋼在人民日報提出：“我國仍把氫作為?；饭芾?，管理理念不同制約了我國氫能的利用?！蔽覈渤雠_相應政策支持燃料電池汽車的發展，在2019年3月26日，國家財政部官網發布了《財政部工業和信息化部科技部發展改革委關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，其中政策中特別提到“給予加氫基礎設施‘短板建設和配套運營服務等方面的補貼”，燃料電池產業發展與普及的前提就是加氫站基礎設施的建設，這次政府工作報告提出推動加氫設施發展，2019補貼政策傾斜推動加氫設施建設，國家政策、地方政府和產業界均應高度重視燃料電池產業的大力發展。通過政策技術雙驅動消除瓶頸，規模效應降成本，推動燃料電池汽車最終實現商業化，成為我國未來新能源汽車戰略中的重要組成。

6 結語

目前，氫的制取、儲存和攜帶成本高、基建設施投資大等問題困擾著氫燃料汽車的前進之路;在政策的推動下，我國在純電動汽車和插電式混合動力汽車方面發展迅速，但氫燃料電池汽車發展與全球氫燃料電池汽車發展相比，相對緩慢且不均衡。

第十三屆全國人大二次會議上。人大代表們，針對我國氫燃料電池汽車發展相對緩慢且不均衡的問題，呼吁加強氫能源基礎設施尤其是加氫站的建設發展，理順整個氫燃料電池汽車產業的生態鏈，以此推動我國氫燃料電池汽車產業的健康、快速發展。在未來希望中國企業發展氫燃料汽車步子更加穩健，不能過于“盲目”，避免造成資源浪費。在技術尚未取得明顯突破前，切勿大規模的行動，氫燃料汽車還有很長的路要走。

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