PEMFC微環境艙設計

劉柱龍，雷梟，丁小松

（1.廣州擎天實業有限公司，廣州 510860； 2.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510860）

引言

作為一種清潔環保、高效的能量轉換裝置，PEMFC的研究及應用報道不斷[1-3]。隨著催化特性、PEM膜等研究持續深入[4]，高效穩定的PEMFC電堆和模組已在家用轎車、公交巴士、船舶、航天等領域小規模推廣。2017年日本發布的“氫能源基本戰略”，要求2030年實現氫燃料電池汽車規模達80萬輛[5]。《中國制造2025》指出[6]，到2025年中國燃料電池汽車可實現區域小規模運行，屆時道路行駛的氫燃料電池車達12萬輛；到2030年實現氫燃料電池車的大規模普及應用[7]。

表1 不同海拔高度的自然條件變化表[9]

1 模擬應用

燃料電池及其集成系統對各種自然條件下的適應能力，針對各種自然條件的控制策略，對燃料電池的穩定，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定，更有利于其耐久能力。在高海拔地區，因空氣稀薄，氧分壓低，如不及時調整空氣控制策略，使電堆陰極擺脫欠氣，單片電壓低狀態運行狀態，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），可調溫度范圍-40～+80 ℃；氣壓范圍50～101.3 kPa，含氧量20.95～12.95 %可調，標準大氣壓下濕度20～90 %RH的PEMFC環境模擬，模擬不同自然條件下單項或多項組合因素對PEMFC產品進行高低溫、高低濕、高海拔影響評價。圖1為PEMFC裝置設計、材料性能、工藝方法、裝配流程、控制策略對PEMFC效能影響提供準確分析數據，能有效減低物料消耗、提高研發效率、加快更優性能PEMFC裝置迭代速率。

PEMFC裝置僅需提供反應氣和冷卻水即可運行[10]。由物料流圖（圖2）可見，3對進出管路，1對電能導流管線，就能組成一套完備的PEMFC物料供給系統。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PEMFC能量轉化裝置外形尺寸長度應小于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凈內腔尺寸密閉艙體相結合，定向開發適用PEMFC裝置和部件的環境模擬艙。

2 改良優化

實驗室傳統的臺架測試與實際工況有較大的差異，而實際工況的路試需要付出極大的代價，所以需要在實驗室模擬實際應用的復雜工況，實現實驗室低成本測試的有效途徑。真實環境中，車輛整體或部件均處于一個自然環境條件下。而模擬環境艙中，鑒于電堆單體及模組成套集成裝置的差異，需構建成一個裝置外環境及堆芯內環境，在氫裝置內外形成基本一致的自然環境條件。PEMFC微環境艙模塊示意圖如圖3。

圖1 PEMFC環境艙模擬自然條件

圖2 PEMFC物料流圖

圖3 PEMFC微環境艙模塊示意圖

圖4 空氣增溫方式

通常工業焓差環境室的設計及控制策略成熟[11]（常見空氣增溫方式如圖4），廣泛采用電熱管艙內直熱加熱，熱源將熱能直接加于密閉環境中，適用對溫度無準確要求，且快速升溫的場合，產生的熱空氣干燥無水分。熱源將空氣和加濕水升溫，與冷凝器一起進行溫度和濕度的調節[12]。逃逸能力強且可燃的氣體氫在環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，確保無明火點與氫接觸，溫度范圍0～100 ℃的換能單元。改良傳統通用環境倉與攜帶可燃氣體器件的融合，實現溫度、濕度在含氫環境中的實現及控制調節。

結合PEMFC環境艙功能模塊及模擬自然條件，氫燃料電池特有的反應物料管道輸運，氫裝置的尺寸及環境模擬艙的大小，利用其占用空間少，物料管道輸運特性，沿陰極氣體流程進行溫度、濕度和壓力的控制與調節。陽極氫氣由高壓儲罐直接減壓輸送，且標準大氣壓下空氣中氫含量少，模擬艙設計中可不予考慮。

陰極氣體壓力控制與調節，可調氣壓范圍50～101.3 kPa。艙內壓力與管路輸氣壓力分別控制，聯動調節。參與反應氣由外部設備調節供氣壓力，經專用密閉管道連通至PEMFC測試件及微環境艙內，綜合控制器根據內外壓力偏差實時調節，平衡。確保環境艙內密閉空間與被測件輸入空氣的人造自然條件一致，環境艙調節示意圖如圖5。

空氣屬于混合物，由氮氣、氧氣、稀有氣體，二氧化碳及其他物質（水蒸氣、雜質等）組合而成。其中氮氣的體積分數約為78 %，氧氣的體積分數約為21 %，稀有氣體的體積分數約為0.934 %，二氧化碳的體積分數約為0.04 %，其他物質的體積分數約為0.002 %。空氣的成分不是固定的，隨著高度的改變、氣壓的改變，空氣的組成比例也會改變。PEMFC裝置參與反應氧氣的化學計量比So2取2～3，反應后尾排氣體的氧濃度減低，由傳感器采集實時濃度數據，并將尾排空氣回用，適時注入一定量的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，采用插值函數建立單元設計變量xe和其彈性模量之間的數學關系，對應的數學表達式如式(2)所示：

根據燃料電池系統對試驗環境的電-熱-水-氣等物料/能源的需求，功率等級，高原參數的差異，進行網絡化組合設計，結合燃料環境模擬試驗艙的溫、濕度及海拔要求，基于各自然條件的參數耦合關系，通過各傳感器實時反饋、智能決策與專項算法，實現溫、濕、氣參量耦合條件下的快速、準確、穩定控制。多參量控制算法如圖6

3 保護措施

含氫環境中需做好防火花設計，環境艙的內/外膽良好接地，避免靜電產生火花。內膽需采用無縫焊接工藝，防止水汽和氫氣進入保溫板內部。空氣循環系統的風機和葉輪設安全間隙，并采用特殊材料，采用隔爆電機，避免機械摩擦碰撞時產生電火花。艙內照明采用防爆、耐溫防潮鹵素燈。配置氫濃度傳感器，實時監測氫量，當艙內氫濃度超設定值，即刻啟動排風換氣系統，快速稀釋氫氣。

圖5 環境艙調節示意圖

圖6 多參量控制算法

4 展望

經通用環境艙改造，論述了一種PEMFC微環境艙設計，可模擬海拔高度自然條件變化對PEMFC裝置性能的適應性能測試。由于PEMFC關鍵技術還未取得實質性突破，鮮有成熟的氫燃料電池車產品，仍需沉淀對PEMFC的基礎研究，在不斷累積進步中，突破性發展，引領帶動PEMFC技術和創新發生整體性、格局性的深刻變化，進而對經濟社會發展產生基礎和決定性影響。