PEMFC微环境舱设计

刘柱龙，雷枭，丁小松

（1.广州擎天实业有限公司，广州 510860； 2.中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510860）

引言

作为一种清洁环保、高效的能量转换装置，PEMFC的研究及应用报道不断[1-3]。随着催化特性、PEM膜等研究持续深入[4]，高效稳定的PEMFC电堆和模组已在家用轿车、公交巴士、船舶、航天等领域小规模推广。2017年日本发布的“氢能源基本战略”，要求2030年实现氢燃料电池汽车规模达80万辆[5]。《中国制造2025》指出[6]，到2025年中国燃料电池汽车可实现区域小规模运行，届时道路行驶的氢燃料电池车达12万辆；到2030年实现氢燃料电池车的大规模普及应用[7]。

表1 不同海拔高度的自然条件变化表[9]

1 模拟应用

燃料电池及其集成系统对各种自然条件下的适应能力，针对各种自然条件的控制策略，对燃料电池的稳定，乃至寿命均有重要影响。如阴极的操作条件，气体压力、过载系数对燃料电池性能十分敏感，尤其在高功率输出状况下，电池性能受扩散极化影响[8]，针对性的空气控制策略不仅可保障燃料电池的性能稳定，更有利于其耐久能力。在高海拔地区，因空气稀薄，氧分压低，如不及时调整空气控制策略，使电堆阴极摆脱欠气，单片电压低状态运行状态，从而提高整车性能及燃料电池寿命。海拔高度0～5 000 m（不同海拔高度的自然条件变化见表1），可调温度范围-40～+80 ℃；气压范围50～101.3 kPa，含氧量20.95～12.95 %可调，标准大气压下湿度20～90 %RH的PEMFC环境模拟，模拟不同自然条件下单项或多项组合因素对PEMFC产品进行高低温、高低湿、高海拔影响评价。图1为PEMFC装置设计、材料性能、工艺方法、装配流程、控制策略对PEMFC效能影响提供准确分析数据，能有效减低物料消耗、提高研发效率、加快更优性能PEMFC装置迭代速率。

PEMFC装置仅需提供反应气和冷却水即可运行[10]。由物料流图（图2）可见，3对进出管路，1对电能导流管线，就能组成一套完备的PEMFC物料供给系统。而家庭乘用车一般长度4 m到5 m，宽度约1.7 m，高度约1.6 m；公交巴士一般长度12 m，宽度约2.5 m，高度约3.0 m；对比综合，两种车型对应PEMFC能量转化装置外形尺寸长度应小于2 m、宽度小于2 m、高度小于2 m。由此可将PEMFC物料供给与2×2×2 m净内腔尺寸密闭舱体相结合，定向开发适用PEMFC装置和部件的环境模拟舱。

2 改良优化

实验室传统的台架测试与实际工况有较大的差异，而实际工况的路试需要付出极大的代价，所以需要在实验室模拟实际应用的复杂工况，实现实验室低成本测试的有效途径。真实环境中，车辆整体或部件均处于一个自然环境条件下。而模拟环境舱中，鉴于电堆单体及模组成套集成装置的差异，需构建成一个装置外环境及堆芯内环境，在氢装置内外形成基本一致的自然环境条件。PEMFC微环境舱模块示意图如图3。

图1 PEMFC环境舱模拟自然条件

图2 PEMFC物料流图

图3 PEMFC微环境舱模块示意图

图4 空气增温方式

通常工业焓差环境室的设计及控制策略成熟[11]（常见空气增温方式如图4），广泛采用电热管舱内直热加热，热源将热能直接加于密闭环境中，适用对温度无准确要求，且快速升温的场合，产生的热空气干燥无水分。热源将空气和加湿水升温，与冷凝器一起进行温度和湿度的调节[12]。逃逸能力强且可燃的气体氢在环境模拟舱中一旦与热管直接接触，可能造成爆炸事故。需将直接热源的热能加于一中间载热体，然后由中间载热体将热能再传给物料，如热水加热、矿物油加热等，形成高效间壁非接触式换热加热器，确保无明火点与氢接触，温度范围0～100 ℃的换能单元。改良传统通用环境仓与携带可燃气体器件的融合，实现温度、湿度在含氢环境中的实现及控制调节。

结合PEMFC环境舱功能模块及模拟自然条件，氢燃料电池特有的反应物料管道输运，氢装置的尺寸及环境模拟舱的大小，利用其占用空间少，物料管道输运特性，沿阴极气体流程进行温度、湿度和压力的控制与调节。阳极氢气由高压储罐直接减压输送，且标准大气压下空气中氢含量少，模拟舱设计中可不予考虑。

阴极气体压力控制与调节，可调气压范围50～101.3 kPa。舱内压力与管路输气压力分别控制，联动调节。参与反应气由外部设备调节供气压力，经专用密闭管道连通至PEMFC测试件及微环境舱内，综合控制器根据内外压力偏差实时调节，平衡。确保环境舱内密闭空间与被测件输入空气的人造自然条件一致，环境舱调节示意图如图5。

空气属于混合物，由氮气、氧气、稀有气体，二氧化碳及其他物质（水蒸气、杂质等）组合而成。其中氮气的体积分数约为78 %，氧气的体积分数约为21 %，稀有气体的体积分数约为0.934 %，二氧化碳的体积分数约为0.04 %，其他物质的体积分数约为0.002 %。空气的成分不是固定的，随着高度的改变、气压的改变，空气的组成比例也会改变。PEMFC装置参与反应氧气的化学计量比So2取2～3，反应后尾排气体的氧浓度减低，由传感器采集实时浓度数据，并将尾排空气回用，适时注入一定量的N2，以匹配各海拔高度的氧含量。

RAMP材料插值模型为材料属性有理近似模型，采用插值函数建立单元设计变量xe和其弹性模量之间的数学关系，对应的数学表达式如式(2)所示：

根据燃料电池系统对试验环境的电-热-水-气等物料/能源的需求，功率等级，高原参数的差异，进行网络化组合设计，结合燃料环境模拟试验舱的温、湿度及海拔要求，基于各自然条件的参数耦合关系，通过各传感器实时反馈、智能决策与专项算法，实现温、湿、气参量耦合条件下的快速、准确、稳定控制。多参量控制算法如图6

3 保护措施

含氢环境中需做好防火花设计，环境舱的内/外胆良好接地，避免静电产生火花。内胆需采用无缝焊接工艺，防止水汽和氢气进入保温板内部。空气循环系统的风机和叶轮设安全间隙，并采用特殊材料，采用隔爆电机，避免机械摩擦碰撞时产生电火花。舱内照明采用防爆、耐温防潮卤素灯。配置氢浓度传感器，实时监测氢量，当舱内氢浓度超设定值，即刻启动排风换气系统，快速稀释氢气。

图5 环境舱调节示意图

图6 多参量控制算法

4 展望

经通用环境舱改造，论述了一种PEMFC微环境舱设计，可模拟海拔高度自然条件变化对PEMFC装置性能的适应性能测试。由于PEMFC关键技术还未取得实质性突破，鲜有成熟的氢燃料电池车产品，仍需沉淀对PEMFC的基础研究，在不断累积进步中，突破性发展，引领带动PEMFC技术和创新发生整体性、格局性的深刻变化，进而对经济社会发展产生基础和决定性影响。