質(zhì)子交換膜燃料電池陽(yáng)極供氫總成特性分析

魏敬東

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 510000）

前言

氫氣作為能量的儲(chǔ)存介質(zhì)，具有能量密度高，無(wú)污染零排放等特點(diǎn)，非常適宜作為汽車(chē)等可移動(dòng)設(shè)施的動(dòng)力源[1-3]。目前，我國(guó)已經(jīng)將質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）系統(tǒng)應(yīng)用到重卡、公交車(chē)等商用車(chē)領(lǐng)域。供氫總成作為氫氣供應(yīng)的重要零部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法對(duì)穩(wěn)定陽(yáng)極壓力、提高氫氣利用率等作用明顯。

1 陽(yáng)極回路結(jié)構(gòu)

燃料電池系統(tǒng)中陽(yáng)極回路通常由高壓儲(chǔ)氫裝置、一級(jí)降壓閥、供氫總成、水氣分離器、排氣閥、排水閥等部分構(gòu)成。來(lái)自高壓儲(chǔ)氫裝置的氫氣在經(jīng)過(guò)一級(jí)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(jìn)入電堆，并起到穩(wěn)定堆內(nèi)陽(yáng)極壓力的作用。氫氣在電堆中反應(yīng)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(guò)供氫總成的引射器[4]回流到供氫系統(tǒng)中，水蒸氣和液態(tài)水則通過(guò)排氣閥和排水閥排放到環(huán)境中。

陽(yáng)極回路結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

圖1 陽(yáng)極回路結(jié)構(gòu)

2 供氫總成結(jié)構(gòu)

供氫總成的主要結(jié)構(gòu)分為開(kāi)關(guān)閥和比例閥兩種。

開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)主要為一個(gè)只有開(kāi)和關(guān)兩種位置的電控閥配合氫氣噴嘴，其閥板的開(kāi)度不可控制在某一具體的位置，只允許全開(kāi)和全關(guān)。閥全開(kāi)，將高壓氫氣噴射到電堆內(nèi)部，通過(guò)控制閥的開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到控制電堆內(nèi)部氫氣壓力的目的。

比例閥相比開(kāi)關(guān)閥，通過(guò)控制電流可以將比例閥的閥芯穩(wěn)定在開(kāi)和關(guān)之間的任意開(kāi)度，通過(guò)控制比例閥的開(kāi)度大小達(dá)到控制電堆內(nèi)部氫氣壓力的目的。

3 控制方法及結(jié)果對(duì)比

3.1 供氫總成控制方法

開(kāi)關(guān)閥和比例閥因其結(jié)構(gòu)不同，采用的控制方式也不同。兩種閥的控制信號(hào)如下圖2所示：

圖2 控制信號(hào)

比例閥的控制信號(hào)為普通的PWM方波信號(hào)，具有頻率和占空比兩個(gè)信息，通常采用固定頻率，占空比變化的信號(hào)來(lái)控制閥的開(kāi)度。

開(kāi)關(guān)閥的控制為了增加其閥板打開(kāi)的速度，通常需要Peak-Hold信號(hào)。在開(kāi)閥的過(guò)程中將控制電壓升高，即Peak電壓，待閥完全打開(kāi)后將電壓降低，保持閥板為開(kāi)啟狀態(tài)，即Hold電壓，需要關(guān)閉時(shí)控制信號(hào)的電平為0。

3.2 陽(yáng)極壓力控制方法

陽(yáng)極壓力控制采取基于目標(biāo)陽(yáng)極與陰極入堆壓力差的閉環(huán)控制。以維持陽(yáng)極和陰極之間的壓力差穩(wěn)定為控制目標(biāo)，通過(guò)PID閉環(huán)控制將實(shí)際陽(yáng)極壓力控制到目標(biāo)值。具體控制流程圖如下圖3所示：

圖3 陽(yáng)極壓力控制流程圖

通過(guò)當(dāng)前入堆的實(shí)際陰極壓力與目標(biāo)的陽(yáng)極與陰極的壓力差求和得到目標(biāo)陽(yáng)極壓力，根據(jù)陽(yáng)極實(shí)際壓力和目標(biāo)壓力的差值通過(guò)PID閉環(huán)控制得到供氫總成的控制信號(hào)，從而達(dá)到控制陽(yáng)極實(shí)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(yīng)用到系統(tǒng)功率70 kW的燃料電池系統(tǒng)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試。在相同的系統(tǒng)功率下，開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)閥壓力控制

圖5 比例閥壓力控制

在陽(yáng)極與陰極目標(biāo)壓差20 kPa的情況下，開(kāi)關(guān)閥控制的實(shí)際壓差波動(dòng)范圍為15.8 kPa～22.7 kPa，比例閥控制的實(shí)際壓差波動(dòng)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(wěn)定陽(yáng)極壓力，從而控制陽(yáng)極和陰極的壓差維持在目標(biāo)壓差。

在測(cè)試過(guò)程中，開(kāi)關(guān)閥因其全開(kāi)全關(guān)的工作方式，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中具有明顯的閥板沖擊上下止點(diǎn)的機(jī)械撞擊聲，在系統(tǒng)低功率段尤其明顯。比例閥則只有輕微的氣流聲，無(wú)任何機(jī)械撞擊聲。

開(kāi)關(guān)閥密封性一般，在系統(tǒng)停機(jī)期間為了防止氫氣泄露進(jìn)電堆，在開(kāi)關(guān)閥前增加了密封性能更好的截止閥，用于應(yīng)對(duì)氫氣密封問(wèn)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(gè)作用。

4 結(jié)論

通過(guò)將兩種形式的供氫總成在燃料電池系統(tǒng)臺(tái)架上測(cè)試，從控制方法、控制效果、NVH表現(xiàn)和密封性等方面對(duì)比了開(kāi)關(guān)閥和比例閥的特性。開(kāi)關(guān)閥在供氫總成領(lǐng)域的應(yīng)用，需要Peak-Hold控制信號(hào)，控制電路復(fù)雜。陽(yáng)極壓力波動(dòng)明顯，且密封性能一般，需要配合截止閥一起應(yīng)用。比例閥則控制簡(jiǎn)單且壓力控制穩(wěn)定，同時(shí)自身密封性能良好，在燃料電池供氫總成的應(yīng)用上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。