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(dǎo)的動力系統(tǒng)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(huán)保的新能源汽車動力系統(tǒng)，以氫燃料電池為主導(dǎo)的車用動力系統(tǒng)研發(fā)工作已經(jīng)展開，相應(yīng)的氫燃料電池實驗室建設(shè)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(xù)參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池;實驗室;工藝方案

中圖分類號：TM911.42 ?文獻(xiàn)標(biāo)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

CLC NO.： TM911.42 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-20-04

前言

燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)發(fā)電裝置，具有排放無污染，無噪聲，能量轉(zhuǎn)化率高等的優(yōu)點。目前的燃料電池汽車就是以氫燃料為主導(dǎo)，利用氫氣與氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能和熱作為驅(qū)動汽車的動力源或主動力源。

1 氫燃料電池優(yōu)點

作為一種把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電機，與傳統(tǒng)燃料相比，氫發(fā)電要比傳統(tǒng)燃料發(fā)電要更加經(jīng)濟一些，內(nèi)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(xué)反應(yīng)，能使其效率達(dá)到七十甚至更多，除了在能量轉(zhuǎn)化上有著極高的效率外，氫燃料電池的另外一個優(yōu)勢在于電池能量密度很高，能達(dá)到傳統(tǒng)燃料的三倍，能達(dá)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(zhuǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)簡單、壽命長等優(yōu)勢，因其特性與車用動力電池系統(tǒng)有著極高的契合度，故目前車用燃料電池均采用PEMFC技術(shù)。PEMFC的工作原理，見圖1。

3 氫燃料電池實驗室規(guī)劃

2017年國家工業(yè)和信息化部公布的《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)定》（工業(yè)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(chǎn)企業(yè)，必須要滿足以下要求：

3.1 設(shè)計開發(fā)能力

申請燃料電池汽車生產(chǎn)準(zhǔn)入的，還應(yīng)具有燃料電池系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)的研發(fā)人員。申請燃料電池汽車生產(chǎn)準(zhǔn)入的，還應(yīng)理解和掌握燃料電池系統(tǒng)控制、儲氫系統(tǒng)控制方面的技術(shù);

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

3.2 產(chǎn)品生產(chǎn)一致性保證能力

新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)實施計算機信息化管理，至少應(yīng)建立產(chǎn)品可追溯性信息管理系統(tǒng)。

應(yīng)具備車載能源系統(tǒng)/燃料電池系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)的電氣性能與安全、溫度、儲氫系統(tǒng)安全等項目檢驗設(shè)備以及整車安全檢測線。

對于發(fā)動機、車載能源系統(tǒng)/燃料電池系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、驅(qū)動電機、整車控制器等關(guān)鍵部件，應(yīng)建立易見的、不可更換的、唯一性標(biāo)識，并建立可以支持產(chǎn)品追溯的信息數(shù)據(jù)庫。

3.3 新能源汽車產(chǎn)品專項檢驗項目及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

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(fā)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(tǒng) 技術(shù)要求;GB/T 29126-2012燃料電池電動汽車 車載氫系統(tǒng) 試驗方法;由此可知，《規(guī)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(tǒng)泄漏及高壓氣體安全方面的測試儀器和設(shè)備，實驗室整體規(guī)劃，如圖2所示：

3.4 供氫站和加氫站

根據(jù)《GB 50516-2010 加氫站技術(shù)規(guī)范》，《GB/T 29124- 2012 氫燃料電池電動汽車示范運行 配套設(shè)施規(guī)范》的要求進行建設(shè)：

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(shè)（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(yù)留加氫站發(fā)展區(qū)。

3.5 性能臺架

實驗室環(huán)境：全室空調(diào)，吸音降噪防火材料，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，氫氣濃度監(jiān)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(huán)水接口，氫氣排氣口;

燃料電池測試狀態(tài)：不包括散熱器、風(fēng)扇、力電池;

臺架包含硬件：輔助動力電源，電子負(fù)載，內(nèi)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，測控柜;

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

測量內(nèi)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(fù)載電壓、電流和功率。

3.6 聯(lián)調(diào)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(shù)據(jù)：臺架數(shù)據(jù)采集。整車聯(lián)調(diào)仿真，參數(shù)優(yōu)化。

3.7 零部件實驗室規(guī)劃

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

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(diào)節(jié)閥，主控電腦;

實驗實驗數(shù)據(jù)：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(huán)水，輔助電源;

增壓器臺架：入口端流量閥，出口端背壓調(diào)節(jié)閥，主控電腦;

實驗實驗數(shù)據(jù)：入口端壓力，出口端壓力流量，增壓器轉(zhuǎn)速。

增濕器：滿足燃料電池侄子交換膜對空氣溫度，濕度，指標(biāo)需求;

實驗室接口：外部循環(huán)水接口，壓縮空氣接口;

增濕器臺架：空氣減壓閥，流量閥，內(nèi)部循環(huán)水減壓閥，溫控閥，流量閥;

實驗數(shù)據(jù)：空氣壓力流量，空氣濕度，循環(huán)水溫度，壓力，流量。

4 氫燃料汽車未來的發(fā)展

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

5 國家政策

2018年12月15日，全國政協(xié)副主席萬鋼在人民日報提出：“我國仍把氫作為危化品管理，管理理念不同制約了我國氫能的利用。”我國也出臺相應(yīng)政策支持燃料電池汽車的發(fā)展，在2019年3月26日，國家財政部官網(wǎng)發(fā)布了《財政部工業(yè)和信息化部科技部發(fā)展改革委關(guān)于進一步完善新能源汽車推廣應(yīng)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(chǔ)設(shè)施‘短板建設(shè)和配套運營服務(wù)等方面的補貼”，燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展與普及的前提就是加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，這次政府工作報告提出推動加氫設(shè)施發(fā)展，2019補貼政策傾斜推動加氫設(shè)施建設(shè)，國家政策、地方政府和產(chǎn)業(yè)界均應(yīng)高度重視燃料電池產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展。通過政策技術(shù)雙驅(qū)動消除瓶頸，規(guī)模效應(yīng)降成本，推動燃料電池汽車最終實現(xiàn)商業(yè)化，成為我國未來新能源汽車戰(zhàn)略中的重要組成。

6 結(jié)語

目前，氫的制取、儲存和攜帶成本高、基建設(shè)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(fā)展迅速，但氫燃料電池汽車發(fā)展與全球氫燃料電池汽車發(fā)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(fā)展相對緩慢且不均衡的問題，呼吁加強氫能源基礎(chǔ)設(shè)施尤其是加氫站的建設(shè)發(fā)展，理順整個氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的生態(tài)鏈，以此推動我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展。在未來希望中國企業(yè)發(fā)展氫燃料汽車步子更加穩(wěn)健，不能過于“盲目”，避免造成資源浪費。在技術(shù)尚未取得明顯突破前，切勿大規(guī)模的行動，氫燃料汽車還有很長的路要走。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝冬，陳光，張妍懿，王曉兵，王仁廣.插電式混合動力汽車綜合性能評價體系構(gòu)建[J].汽車工程師， 2017（11）：45-50.

[2] 徐洪流.氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].科技與創(chuàng)新， 2019（02）：160-161.

[3] 郜昊強.氫燃料電池汽車發(fā)展趨勢分析[J].汽車零部件，2018（12）： 75-77.

[4] 李小毅.燃料電池發(fā)動機實驗室測試系統(tǒng)的設(shè)計[D].武漢理工大學(xué)，2005.

[5] 李巖，邢濤，攸連慶.燃料電池汽車研究現(xiàn)狀與動力總成方案解析 [J].汽車與配件，2019（01）： 52-55.

[6] 兩部委發(fā)布?xì)淠芘c燃料電池技術(shù)戰(zhàn)略方向規(guī)劃[J].重型汽車，2016 （06）：1.