氫燃料電池堆空氣流量優化調節裝置

陳 愚

(天津中德應用技術大學，天津 300350)

為了緩解能源短缺與環境污染問題，國家正在大力推進碳中和政策[1-3]。與其他燃料相比，氫能具有清潔無污染的特點，被視為最具發展潛力的清潔能源[1,4]。為了積極響應碳中和政策，汽車行業正在大力研發新能源汽車技術，其中氫燃料電池汽車是研究熱點之一。

除了成本因素之外，氫燃料電池堆的壽命是制約氫燃料電池汽車商業化的重要影響因素[5]。通過氫燃料電池汽車的示范運行，發現車用氫燃料電池堆的關鍵部件膜電極的劣化模式主要有四種[6-7]：(1)頻繁的啟動停止引起的質子交換膜電極高電位造成催化劑碳載體的腐蝕；(2)反復加減速引起的質子交換膜電極電位循環造成催化劑鉑顆粒粗大化；(3)低負荷運行導致質子交換膜分解；(4)低溫循環所伴隨的脹縮造成質子交換膜電極機械損傷。

針對前兩種膜電極劣化模式，從氫燃料電池堆控制系統的角度出發，優化氫燃料電池堆空氣流量供給調節控制是緩解膜電極高電位和電位循環問題的手段之一[8-9]。本文設計了一種氫燃料電池堆空氣流量優化調節裝置，采用將電池堆的溫度壓力、電池堆輸出電流、膜電極單體電壓等多參數實時協同運算的方法，實時優化調節氫燃料電池堆的空氣供給流量，緩解膜電極高電位和膜電極電位循環問題；從氫燃料電池堆空氣流量調節控制的角度，研究提升氫燃料電池堆實際工作壽命的技術方案。

1 系統構成

本文設計的氫燃料電池堆空氣流量優化調節裝置的系統構成如圖1 所示。

如圖1 所示，本文設計的氫燃料電池堆空氣流量優化調節裝置主要由膜電極單體電壓檢測單元、氫燃料電池堆主控單元、空氣泵、溫度壓力傳感器、電流傳感器組成。氫燃料電池堆由n個膜電極單體E1～En串聯構成，其中氫燃料電池堆中串聯的n個膜電極單體E1～En的正負電極C0～Cn依次接入膜電極單體電壓檢測單元，該電壓檢測單元負責實時采集氫燃料電池堆中所有膜電極單體E1～En的工作電壓數據并通過控制器局域網(CAN)通訊總線上報給氫燃料電池堆主控單元，氫燃料電池堆主控單元通過CAN 總線接收膜電極單體的實時工作電壓數據，同時，氫燃料電池堆主控單元還通過模數轉換(ADC)接口采集氫燃料電池堆的溫度壓力傳感器信號和輸出電流傳感器信號，并通過空氣泵控制接口實時控制氫燃料電池堆空氣泵的轉速值，在氫氣進氣壓力供給穩定的前提下，以達到在車用工況條件下，實時優化調節氫燃料電池堆空氣供給流量設計的目的。

氫燃料電池堆中膜電極單體電壓的均衡性直接反映并影響整個電池堆的性能和實際工作壽命[10]。影響膜電極單體電壓數值的參數如式(1)所示[11]：

式中：pH2、pO2、pH2O分別為氫、氧和水蒸氣的壓力；Eo為氫燃料電池膜電極單體的理想標準電動勢；R為通用氣體常數；T為氫燃料電池膜電極單體的工作溫度；F為法拉第常數[11]。

現有文獻資料中，普遍采用根據氫燃料電池堆進氣口空氣流量傳感器的信號，實時控制氫燃料電池堆空氣泵轉速的調節方法[9]，該方法沒有涉及氫燃料電池堆膜電極單體電壓檢測，無法對氫燃料電池堆關鍵部件膜電極劣化模式中的膜電極高電位和電位循環問題實施監控。本文設計的氫燃料電池堆空氣流量優化調節裝置采用了一種基于膜電極單體電壓實時檢測數據的氫燃料電池堆空氣流量優化調節方法，新方法能夠實時檢測膜電極單體電壓運行數據，并能夠根據氫燃料電池堆中膜電極單體最高電壓、膜電極單體最低電壓、膜電極單體平均電壓的實時數值與膜電極單體電壓上限閾值和下限閾值相比較的運算結果，控制氫燃料電池堆空氣泵的轉速值，因此，本文提出的新方法能夠在車用工況條件下，實時優化調節氫燃料電池堆的空氣供給流量，緩解膜電極高電位和膜電極電位循環問題。

2 控制流程

本文所設計的氫燃料電池堆空氣流量優化調節裝置的控制程序流程如圖2 所示。

圖2 氫燃料電池堆空氣流量優化調節裝置控制流程圖

在圖2 中，膜電極單體電壓上限值UH和下限值UL是根據式(1)和測試臺架的負載實驗數據得出的，UH和UL的數值與氫燃料電池堆材料、氫燃料電池堆型號、溫度壓力數值、輸出電流數值等參數相關。氫燃料電池主控單元根據膜電極單體實時電壓U0～Un數據計算整個氫燃料電池堆全部n個膜電極單體電壓的平均值UAV，再通過判定UAV與UH、UL之間的數值大小邏輯關系，去調節空氣泵的實時轉速，基于膜電極單體電壓實時檢測數據，實現氫燃料電池堆空氣流量優化調節的設計目標。

3 實測效果

測試條件為：膜電極單體工作面積270 cm2，膜電極厚度0.47 mm，膜電極單體數量30，氫氣進氣壓力30 kPa，電池堆溫度70 ℃，膜電極電流密度0～1 A/cm2。

膜電極單體電壓數據是判定氫燃料電池堆運行性能的指標之一[12]。實測中，采用同一臺氫燃料電池堆，對比是否采用本文設計的氫燃料電池堆空氣流量優化調節方案，電池堆膜電極單體電壓實測數據如表1 所示。

表1 電池堆膜電極單體電壓實測數據

在保持氫氣進氣壓力和電池堆溫度設定值不變的測試條件下，表1 中的膜電極單體電壓數據A 組是采用傳統的空氣流量傳感器控制空氣泵轉速的方法得到的，膜電極單體電壓數據B 組是采用本文設計的空氣流量優化調節裝置的方法得到的。在不同的膜電極電流密度測試條件下，對比同一臺氫燃料電池堆的膜電極單體電壓的最小值、最大值、平均值、偏差值數據，可以看出B 組數據明顯優于A 組。

4 結論

本文設計的氫燃料電池堆空氣流量優化調節裝置采用了基于膜電極單體電壓實時檢測數據的氫燃料電池堆空氣流量優化調節的新方法，能夠克服傳統方法采用空氣流量傳感器控制空氣泵轉速的不足。實測結果表明，新方法在膜電極單體電壓最小值、最大值、平均值、偏差值等性能指標上的表現均優于傳統的空氣流量傳感器控制方法，新的空氣流量優化調節方法有助于緩解膜電極高電位和電位循環問題，從空氣流量調節控制的角度，提供了一種提升氫燃料電池堆工作壽命的技術方案。