氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)裝置

陳 愚

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

為了緩解能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題，國(guó)家正在大力推進(jìn)碳中和政策[1-3]。與其他燃料相比，氫能具有清潔無(wú)污染的特點(diǎn)，被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉碵1,4]。為了積極響應(yīng)碳中和政策，汽車(chē)行業(yè)正在大力研發(fā)新能源汽車(chē)技術(shù)，其中氫燃料電池汽車(chē)是研究熱點(diǎn)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(chē)商業(yè)化的重要影響因素[5]。通過(guò)氫燃料電池汽車(chē)的示范運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)車(chē)用氫燃料電池堆的關(guān)鍵部件膜電極的劣化模式主要有四種[6-7]：(1)頻繁的啟動(dòng)停止引起的質(zhì)子交換膜電極高電位造成催化劑碳載體的腐蝕；(2)反復(fù)加減速引起的質(zhì)子交換膜電極電位循環(huán)造成催化劑鉑顆粒粗大化；(3)低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致質(zhì)子交換膜分解；(4)低溫循環(huán)所伴隨的脹縮造成質(zhì)子交換膜電極機(jī)械損傷。

針對(duì)前兩種膜電極劣化模式，從氫燃料電池堆控制系統(tǒng)的角度出發(fā)，優(yōu)化氫燃料電池堆空氣流量供給調(diào)節(jié)控制是緩解膜電極高電位和電位循環(huán)問(wèn)題的手段之一[8-9]。本文設(shè)計(jì)了一種氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)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(shù)實(shí)時(shí)協(xié)同運(yùn)算的方法，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)節(jié)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(huán)問(wèn)題；從氫燃料電池堆空氣流量調(diào)節(jié)控制的角度，研究提升氫燃料電池堆實(shí)際工作壽命的技術(shù)方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)裝置的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

如圖1 所示，本文設(shè)計(jì)的氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)裝置主要由膜電極單體電壓檢測(cè)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(gè)膜電極單體E1～En串聯(lián)構(gòu)成，其中氫燃料電池堆中串聯(lián)的n個(gè)膜電極單體E1～En的正負(fù)電極C0～Cn依次接入膜電極單體電壓檢測(cè)單元，該電壓檢測(cè)單元負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集氫燃料電池堆中所有膜電極單體E1～En的工作電壓數(shù)據(jù)并通過(guò)控制器局域網(wǎng)(CAN)通訊總線上報(bào)給氫燃料電池堆主控單元，氫燃料電池堆主控單元通過(guò)CAN 總線接收膜電極單體的實(shí)時(shí)工作電壓數(shù)據(jù)，同時(shí)，氫燃料電池堆主控單元還通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)接口采集氫燃料電池堆的溫度壓力傳感器信號(hào)和輸出電流傳感器信號(hào)，并通過(guò)空氣泵控制接口實(shí)時(shí)控制氫燃料電池堆空氣泵的轉(zhuǎn)速值，在氫氣進(jìn)氣壓力供給穩(wěn)定的前提下，以達(dá)到在車(chē)用工況條件下，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)節(jié)氫燃料電池堆空氣供給流量設(shè)計(jì)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(gè)電池堆的性能和實(shí)際工作壽命[10]。影響膜電極單體電壓數(shù)值的參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)；R為通用氣體常數(shù)；T為氫燃料電池膜電極單體的工作溫度；F為法拉第常數(shù)[11]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中，普遍采用根據(jù)氫燃料電池堆進(jìn)氣口空氣流量傳感器的信號(hào)，實(shí)時(shí)控制氫燃料電池堆空氣泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法[9]，該方法沒(méi)有涉及氫燃料電池堆膜電極單體電壓檢測(cè)，無(wú)法對(duì)氫燃料電池堆關(guān)鍵部件膜電極劣化模式中的膜電極高電位和電位循環(huán)問(wèn)題實(shí)施監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)裝置采用了一種基于膜電極單體電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)方法，新方法能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)膜電極單體電壓運(yùn)行數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)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(shí)時(shí)數(shù)值與膜電極單體電壓上限閾值和下限閾值相比較的運(yùn)算結(jié)果，控制氫燃料電池堆空氣泵的轉(zhuǎn)速值，因此，本文提出的新方法能夠在車(chē)用工況條件下，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)節(jié)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(huán)問(wèn)題。

2 控制流程

本文所設(shè)計(jì)的氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)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?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)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(jù)式(1)和測(cè)試臺(tái)架的負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的，UH和UL的數(shù)值與氫燃料電池堆材料、氫燃料電池堆型號(hào)、溫度壓力數(shù)值、輸出電流數(shù)值等參數(shù)相關(guān)。氫燃料電池主控單元根據(jù)膜電極單體實(shí)時(shí)電壓U0～Un數(shù)據(jù)計(jì)算整個(gè)氫燃料電池堆全部n個(gè)膜電極單體電壓的平均值UAV，再通過(guò)判定UAV與UH、UL之間的數(shù)值大小邏輯關(guān)系，去調(diào)節(jié)空氣泵的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，基于膜電極單體電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 實(shí)測(cè)效果

測(cè)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(shù)量30，氫氣進(jìn)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(shù)據(jù)是判定氫燃料電池堆運(yùn)行性能的指標(biāo)之一[12]。實(shí)測(cè)中，采用同一臺(tái)氫燃料電池堆，對(duì)比是否采用本文設(shè)計(jì)的氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)方案，電池堆膜電極單體電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 電池堆膜電極單體電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在保持氫氣進(jìn)氣壓力和電池堆溫度設(shè)定值不變的測(cè)試條件下，表1 中的膜電極單體電壓數(shù)據(jù)A 組是采用傳統(tǒng)的空氣流量傳感器控制空氣泵轉(zhuǎn)速的方法得到的，膜電極單體電壓數(shù)據(jù)B 組是采用本文設(shè)計(jì)的空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)裝置的方法得到的。在不同的膜電極電流密度測(cè)試條件下，對(duì)比同一臺(tái)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(shù)據(jù)，可以看出B 組數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于A 組。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)裝置采用了基于膜電極單體電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的氫燃料電池堆空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)的新方法，能夠克服傳統(tǒng)方法采用空氣流量傳感器控制空氣泵轉(zhuǎn)速的不足。實(shí)測(cè)結(jié)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(biāo)上的表現(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)的空氣流量傳感器控制方法，新的空氣流量?jī)?yōu)化調(diào)節(jié)方法有助于緩解膜電極高電位和電位循環(huán)問(wèn)題，從空氣流量調(diào)節(jié)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(shù)方案。