氫燃料電池汽車排氫閥工作特性研究

云天燈

摘 要：氫燃料電池汽車排氫閥，直接關系著氫燃料電池汽車電堆的性能及其安全。氫燃料電池汽車行駛時，排氫閥處于打開或是關閉狀態。打開時，把陽極側少部分的水和混合氣體排到大氣中，使得氫氣濃度保持較高水平，電堆轉化效率不至于降低過多;關閉時，使得陽極能夠保持足夠的工作壓力，使得電堆保持較好的轉化效率。文章說明了氫燃料電池汽車的排氫閥的在燃料電池系統中的作用、工作原理、開啟時間。

關鍵詞：氫燃料電池汽車;排氫閥;陽極;陰極;響應時間;外泄漏;內泄漏

中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-08-03

Abstract： The hydrogen valve of hydrogen fuel cell vehicle is directly related to the performance and safety of hydrogen fuel cell vehicle stack. When the hydrogen fuel cell vehicle is running， the purge valve is open or closed. When it is opened， a small part of the water and mixed gas at the anode side are discharged into the atmosphere， so that the hydrogen concentration is kept at a high level， and the conversion efficiency of stack is not reduced too much; when it is closed， it can maintain sufficient working pressure， so that the stack can maintain a good conversion efficiency. This paper describes the function， working principle and opening time of the purge valve in the fuel cell system of the hydrogen fuel cell vehicle.

Keywords： Hydrogen fuel cell vehicle; Purge valve; Anode; Cathode; Response time; External leakage; Internal leakage

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-08-03

引言

燃油車[1]的巨大保有量給化石資源和大氣環境帶來了很大壓力。隨著排放標準的日益嚴苛，綠色清潔、零排放的燃料電池汽車越來越引起大家的重視。氫燃料電池汽車是一種用車載燃料電池裝置產生的電力作為動力的汽車。車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣。與通常的電動汽車比較， 其動力方面的不同在于氫燃料電池汽車用的電力來自車載燃料電池裝置，電動汽車所用的電力來自由電網充電的蓄電池。因此，氫燃料電池汽車的關鍵是氫燃料電池。

文獻說明了氫燃料電池汽車排氫閥在燃料電池系統中的位置，并解釋了排氫閥的工作原理，以及實際應用中的工作特性。

近幾年來，氫燃料電池汽車應用開始有了一定的發展，年產量也有幾千輛，但是鮮見于文獻。本文主要介紹了氫燃料電池汽車的工作原理、排氣閥的工作原理、排氫閥的應用研究。

1 氫燃料電池汽車

燃料電池是一種不燃燒燃料而直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變為電能的高效發電裝置，而氫燃料電池實質是一種質子交換膜燃料電池（PEMFC）[2]，發電的基本原理是：電池的陽極（燃料極）輸入氫氣（燃料），氫分子（H2）在陽極催化劑作用下被離解成為氫離子（H+）和電子（e-），H+穿過燃料電池的電解質層向陰極（氧化極）方向運動，e-因通不過電解質層而由一個外部電路流向陰在電池陰極輸入氧氣（O2），氧氣在陰極催化劑作用下離解成為氧原子（O），與通過外部電路流向陰極的e-和燃料穿過電解質的H+ 結合生成穩定結構的水（H2O），完成電化學反應放出熱量。這種電化學反應與氫氣在氧氣中發生的劇烈燃燒反應是完全不同的，只要陽極不斷輸入氫氣，陰極不斷輸入氧氣，電化學反應就會連續不斷地進行下去，e-就會不斷通過外部電路流動形成電流，從而連續不斷地向汽車提供動力。

2 排氫閥

2.1 排氫閥的作用

排氫閥位于氫燃料電池系統氫氣回路中，陽極側電堆未反應的氫氣及陰極側滲透過來的氮氣、水，會流經水分（氣水分離器），水分把大部分液態水分離出去，剩余少部分的水和混合氣體經過排氫閥而排到大氣中[3]。

排氫閥打開時把陽極側少部分的水和混合氣體排到大氣中，使得電堆反應的氫氣濃度高，轉化效率不至于降低過多;關閉時，使得陽極能夠保持足夠的工作壓力，使得電堆保持較好的轉化效率。

2.2 排氫閥工作原理

閥打開或關閉時，通過動鐵芯[4]的上下運動來實現[5]，原理圖見圖2。

閥通電時，在線圈磁場作用下，靜鐵芯把動鐵芯吸起，彈簧受壓縮，此時動鐵芯和靜鐵芯吸合，動鐵芯和閥座分離，流體可以從入口流動至出口。

閥斷電時，線圈磁場消失，動鐵芯和靜鐵芯分離，在彈簧回復和動鐵芯自重的作用下，動鐵芯壓緊在閥座上，從而切斷了流體從入口流至出口。

2.3 排氫閥開啟、關閉時間

排氫閥開啟、關閉時間[6]，主要隨著燃料電池系統功率的變化而變化。隨著系統功率的提升，進入排氫閥的混合氣（氮氣、氫氣等）和水越來越多，因此為了更多地排走混合氣和水，其關閉時間（兩次開啟的間隔時間）越短，而開啟時間（開啟維持時間）越長。由于排氫閥開啟時，部分氫氣會排放到大氣中，所以氫氣利用率會下降且引起陽極側的壓力波動;而如果排氫閥不開啟，則陽極側的氮氣會越來越多，影響電堆氧氣/氫氣的過量系數，從而會影響電堆的轉化效率。

圖3是燃料電池系統的關閉時間隨著系統功率的變化情況，共有4組數據。

圖4是燃料電池系統的開啟維持時間隨著系統功率的變化情況，也共有4組數據。

為了使電堆達到較高的轉化效率、較小的陽極側壓力波動，需要分別組合測試關閉時間A＼B＼C＼D和開啟維持時間a＼b＼c＼d，即表1的16組數據分別測試。測試后，選擇滿足轉化效率最高、壓力波動最小的最優組合。

2.4 排氫閥通徑和開啟維持時間的關系

3 結論

隨著氫燃料電池汽車的發展，安全性要求的越來越高，燃料電池系統的響應性越來越高，因此對排氫閥的泄漏性、響應時間也越來越高，所以排氫閥的優化設計、試驗驗證將越來越重要，本文獻可起到一定的指導作用。

參考文獻

[1] 黎帥.電動汽車熱管理系統設計及應用進展[J].汽車實用技術， 2019年第13期， 8-10.

[2] 王洪建，程健，張瑞云等.質子交換膜燃料電池應用現狀及分析[J].熱力發電， 2016年第3期，1-7.

[3] 小山貴志，小牧克哉，若月一稔，等.燃料電池系統.日本[P].

[4] 談家彬，孟溢，魏源送，等.一種常開型直動式電磁閥.中國[P].

[5] 孫艷永，吳炎花，謝萍，等.一種燃料電池氫氣系統的排氫電磁閥.中國[P].

[6] 仝玉華，呂憲勇，宋國梁等.燃料電池排氫閥控制方法.中國[P].