質子交換膜燃料電池陽極供氫總成特性分析

魏敬東

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510000）

前言

氫氣作為能量的儲存介質，具有能量密度高，無污染零排放等特點，非常適宜作為汽車等可移動設施的動力源[1-3]。目前，我國已經將質子交換膜燃料電池（PEMFC）系統應用到重卡、公交車等商用車領域。供氫總成作為氫氣供應的重要零部件，其結構設計和控制方法對穩定陽極壓力、提高氫氣利用率等作用明顯。

1 陽極回路結構

燃料電池系統中陽極回路通常由高壓儲氫裝置、一級降壓閥、供氫總成、水氣分離器、排氣閥、排水閥等部分構成。來自高壓儲氫裝置的氫氣在經過一級降壓閥后壓力由幾十MPa降低到1 MPa～2 MPa，供氫總成將降壓后的氫氣噴射進入電堆，并起到穩定堆內陽極壓力的作用。氫氣在電堆中反應后出堆。出堆的氫氣和水蒸氣混合氣在水氣分離器中分離為氫氣和水蒸氣，氫氣通過供氫總成的引射器[4]回流到供氫系統中，水蒸氣和液態水則通過排氣閥和排水閥排放到環境中。

陽極回路結構如下圖1所示：

圖1 陽極回路結構

2 供氫總成結構

供氫總成的主要結構分為開關閥和比例閥兩種。

開關閥結構主要為一個只有開和關兩種位置的電控閥配合氫氣噴嘴，其閥板的開度不可控制在某一具體的位置，只允許全開和全關。閥全開，將高壓氫氣噴射到電堆內部，通過控制閥的開關頻率達到控制電堆內部氫氣壓力的目的。

比例閥相比開關閥，通過控制電流可以將比例閥的閥芯穩定在開和關之間的任意開度，通過控制比例閥的開度大小達到控制電堆內部氫氣壓力的目的。

3 控制方法及結果對比

3.1 供氫總成控制方法

開關閥和比例閥因其結構不同，采用的控制方式也不同。兩種閥的控制信號如下圖2所示：

圖2 控制信號

比例閥的控制信號為普通的PWM方波信號，具有頻率和占空比兩個信息，通常采用固定頻率，占空比變化的信號來控制閥的開度。

開關閥的控制為了增加其閥板打開的速度，通常需要Peak-Hold信號。在開閥的過程中將控制電壓升高，即Peak電壓，待閥完全打開后將電壓降低，保持閥板為開啟狀態，即Hold電壓，需要關閉時控制信號的電平為0。

3.2 陽極壓力控制方法

陽極壓力控制采取基于目標陽極與陰極入堆壓力差的閉環控制。以維持陽極和陰極之間的壓力差穩定為控制目標，通過PID閉環控制將實際陽極壓力控制到目標值。具體控制流程圖如下圖3所示：

圖3 陽極壓力控制流程圖

通過當前入堆的實際陰極壓力與目標的陽極與陰極的壓力差求和得到目標陽極壓力，根據陽極實際壓力和目標壓力的差值通過PID閉環控制得到供氫總成的控制信號，從而達到控制陽極實際壓力的目的。

3.3 壓力控制效果

將不同形式的供氫總成應用到系統功率70 kW的燃料電池系統臺架進行測試。在相同的系統功率下，開關閥的壓力控制效果如圖4所示，比例閥的壓力控制效果如圖5所示：

圖4 開關閥壓力控制

圖5 比例閥壓力控制

在陽極與陰極目標壓差20 kPa的情況下，開關閥控制的實際壓差波動范圍為15.8 kPa～22.7 kPa，比例閥控制的實際壓差波動范圍為17.2 kPa～21.8 kPa。在壓力控制方面，比例閥能夠更好地穩定陽極壓力，從而控制陽極和陰極的壓差維持在目標壓差。

在測試過程中，開關閥因其全開全關的工作方式，在系統運行過程中具有明顯的閥板沖擊上下止點的機械撞擊聲，在系統低功率段尤其明顯。比例閥則只有輕微的氣流聲，無任何機械撞擊聲。

開關閥密封性一般，在系統停機期間為了防止氫氣泄露進電堆，在開關閥前增加了密封性能更好的截止閥，用于應對氫氣密封問題。比例閥本身具有良好的密封性，可以兼具密封和噴氫的兩個作用。

4 結論

通過將兩種形式的供氫總成在燃料電池系統臺架上測試，從控制方法、控制效果、NVH表現和密封性等方面對比了開關閥和比例閥的特性。開關閥在供氫總成領域的應用，需要Peak-Hold控制信號，控制電路復雜。陽極壓力波動明顯，且密封性能一般，需要配合截止閥一起應用。比例閥則控制簡單且壓力控制穩定，同時自身密封性能良好，在燃料電池供氫總成的應用上具有明顯的優勢。