氢燃料电池堆空气流量优化调节装置

陈 愚

(天津中德应用技术大学，天津 300350)

为了缓解能源短缺与环境污染问题，国家正在大力推进碳中和政策[1-3]。与其他燃料相比，氢能具有清洁无污染的特点，被视为最具发展潜力的清洁能源[1,4]。为了积极响应碳中和政策，汽车行业正在大力研发新能源汽车技术，其中氢燃料电池汽车是研究热点之一。

除了成本因素之外，氢燃料电池堆的寿命是制约氢燃料电池汽车商业化的重要影响因素[5]。通过氢燃料电池汽车的示范运行，发现车用氢燃料电池堆的关键部件膜电极的劣化模式主要有四种[6-7]：(1)频繁的启动停止引起的质子交换膜电极高电位造成催化剂碳载体的腐蚀；(2)反复加减速引起的质子交换膜电极电位循环造成催化剂铂颗粒粗大化；(3)低负荷运行导致质子交换膜分解；(4)低温循环所伴随的胀缩造成质子交换膜电极机械损伤。

针对前两种膜电极劣化模式，从氢燃料电池堆控制系统的角度出发，优化氢燃料电池堆空气流量供给调节控制是缓解膜电极高电位和电位循环问题的手段之一[8-9]。本文设计了一种氢燃料电池堆空气流量优化调节装置，采用将电池堆的温度压力、电池堆输出电流、膜电极单体电压等多参数实时协同运算的方法，实时优化调节氢燃料电池堆的空气供给流量，缓解膜电极高电位和膜电极电位循环问题；从氢燃料电池堆空气流量调节控制的角度，研究提升氢燃料电池堆实际工作寿命的技术方案。

1 系统构成

本文设计的氢燃料电池堆空气流量优化调节装置的系统构成如图1 所示。

如图1 所示，本文设计的氢燃料电池堆空气流量优化调节装置主要由膜电极单体电压检测单元、氢燃料电池堆主控单元、空气泵、温度压力传感器、电流传感器组成。氢燃料电池堆由n个膜电极单体E1～En串联构成，其中氢燃料电池堆中串联的n个膜电极单体E1～En的正负电极C0～Cn依次接入膜电极单体电压检测单元，该电压检测单元负责实时采集氢燃料电池堆中所有膜电极单体E1～En的工作电压数据并通过控制器局域网(CAN)通讯总线上报给氢燃料电池堆主控单元，氢燃料电池堆主控单元通过CAN 总线接收膜电极单体的实时工作电压数据，同时，氢燃料电池堆主控单元还通过模数转换(ADC)接口采集氢燃料电池堆的温度压力传感器信号和输出电流传感器信号，并通过空气泵控制接口实时控制氢燃料电池堆空气泵的转速值，在氢气进气压力供给稳定的前提下，以达到在车用工况条件下，实时优化调节氢燃料电池堆空气供给流量设计的目的。

氢燃料电池堆中膜电极单体电压的均衡性直接反映并影响整个电池堆的性能和实际工作寿命[10]。影响膜电极单体电压数值的参数如式(1)所示[11]：

式中：pH2、pO2、pH2O分别为氢、氧和水蒸气的压力；Eo为氢燃料电池膜电极单体的理想标准电动势；R为通用气体常数；T为氢燃料电池膜电极单体的工作温度；F为法拉第常数[11]。

现有文献资料中，普遍采用根据氢燃料电池堆进气口空气流量传感器的信号，实时控制氢燃料电池堆空气泵转速的调节方法[9]，该方法没有涉及氢燃料电池堆膜电极单体电压检测，无法对氢燃料电池堆关键部件膜电极劣化模式中的膜电极高电位和电位循环问题实施监控。本文设计的氢燃料电池堆空气流量优化调节装置采用了一种基于膜电极单体电压实时检测数据的氢燃料电池堆空气流量优化调节方法，新方法能够实时检测膜电极单体电压运行数据，并能够根据氢燃料电池堆中膜电极单体最高电压、膜电极单体最低电压、膜电极单体平均电压的实时数值与膜电极单体电压上限阈值和下限阈值相比较的运算结果，控制氢燃料电池堆空气泵的转速值，因此，本文提出的新方法能够在车用工况条件下，实时优化调节氢燃料电池堆的空气供给流量，缓解膜电极高电位和膜电极电位循环问题。

2 控制流程

本文所设计的氢燃料电池堆空气流量优化调节装置的控制程序流程如图2 所示。

图2 氢燃料电池堆空气流量优化调节装置控制流程图

在图2 中，膜电极单体电压上限值UH和下限值UL是根据式(1)和测试台架的负载实验数据得出的，UH和UL的数值与氢燃料电池堆材料、氢燃料电池堆型号、温度压力数值、输出电流数值等参数相关。氢燃料电池主控单元根据膜电极单体实时电压U0～Un数据计算整个氢燃料电池堆全部n个膜电极单体电压的平均值UAV，再通过判定UAV与UH、UL之间的数值大小逻辑关系，去调节空气泵的实时转速，基于膜电极单体电压实时检测数据，实现氢燃料电池堆空气流量优化调节的设计目标。

3 实测效果

测试条件为：膜电极单体工作面积270 cm2，膜电极厚度0.47 mm，膜电极单体数量30，氢气进气压力30 kPa，电池堆温度70 ℃，膜电极电流密度0～1 A/cm2。

膜电极单体电压数据是判定氢燃料电池堆运行性能的指标之一[12]。实测中，采用同一台氢燃料电池堆，对比是否采用本文设计的氢燃料电池堆空气流量优化调节方案，电池堆膜电极单体电压实测数据如表1 所示。

表1 电池堆膜电极单体电压实测数据

在保持氢气进气压力和电池堆温度设定值不变的测试条件下，表1 中的膜电极单体电压数据A 组是采用传统的空气流量传感器控制空气泵转速的方法得到的，膜电极单体电压数据B 组是采用本文设计的空气流量优化调节装置的方法得到的。在不同的膜电极电流密度测试条件下，对比同一台氢燃料电池堆的膜电极单体电压的最小值、最大值、平均值、偏差值数据，可以看出B 组数据明显优于A 组。

4 结论

本文设计的氢燃料电池堆空气流量优化调节装置采用了基于膜电极单体电压实时检测数据的氢燃料电池堆空气流量优化调节的新方法，能够克服传统方法采用空气流量传感器控制空气泵转速的不足。实测结果表明，新方法在膜电极单体电压最小值、最大值、平均值、偏差值等性能指标上的表现均优于传统的空气流量传感器控制方法，新的空气流量优化调节方法有助于缓解膜电极高电位和电位循环问题，从空气流量调节控制的角度，提供了一种提升氢燃料电池堆工作寿命的技术方案。