大活性面積燃料電池多通道氣體在線采樣系統(tǒng)

方 川, 徐梁飛, 黃海燕, 李建秋, 洪 坡, 江宏亮, 趙興旺, 胡尊嚴(yán)

(清華大學(xué) 汽車工程系 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室, 北京 100084)

質(zhì)子交換膜燃料電池因其高效率、零污染、低噪音、起動快等優(yōu)勢,具有廣闊的發(fā)展前景,是下一代車用動力的發(fā)展方向之一。

在燃料電池發(fā)動機(jī)的技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)中,先進(jìn)測試技術(shù)是核心技術(shù)之一。目前商業(yè)化燃料電池測試平臺多以評價燃料電池基本性能為主,且大多面向?qū)嶒炇壹墑e的小活性面積單片(不超過50 cm2),且不具備氣體采樣功能。由于現(xiàn)有車用燃料電池單片有效活性面積約為250～300 cm2,因此國際上商業(yè)化的燃料電池單片測試平臺無法滿足研究實際車用大活性面積單片的性能和片內(nèi)一致性差異等功能,為此急需開發(fā)車用燃料電池(大活性面積)單片研發(fā)測試平臺[1]。

本成果基于多年來清華大學(xué)汽車工程系新能源汽車研發(fā)團(tuán)隊在燃料電池方面的研發(fā)成果,開發(fā)了用于深入研究車用燃料電池大活性面積單片特性的多通道多氣體組分在線采樣系統(tǒng)，為深入研究車用燃料電池單片性能提供有效測試手段。該成果不僅已成為了國家重大專項基礎(chǔ)研究平臺,也為本科生和研究生專業(yè)培養(yǎng)提供了有效的平臺,實現(xiàn)了科研成果向教學(xué)的轉(zhuǎn)化。

1 多通道氣體組分在線采樣系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計的車用燃料電池大活性面積單片多通道多氣體組分在線采樣系統(tǒng)包括單片測試試驗臺、燃料電池多通道氣體采樣單片、氣體采樣系統(tǒng)[2]，如圖1所示。

圖1 車用燃料電池大活性面積單片多通道氣體組分在線采樣系統(tǒng)

燃料電池單片測試臺由系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、單片電子負(fù)載、冷卻系統(tǒng)、單片電壓檢測等部分組成,以供給單片測試所需的給定流量和濕度的氫氣及空氣。為解決大活性面積單片散熱較差問題,設(shè)計開發(fā)了可控制的冷卻液流量和溫度的冷卻系統(tǒng)軟硬件,該系統(tǒng)能將單片溫度維持在合適的范圍內(nèi)。設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)控制程序在滿足上述要求的同時,還能夠采集傳感器信號,共享燃料電池測試臺供氣系統(tǒng)及增濕系統(tǒng)的數(shù)據(jù),與單片電子負(fù)載通信,控制負(fù)載電流，以用與單片電壓檢測模塊通信,并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效融合和網(wǎng)絡(luò)化控制[3]。

1.2 多通道氣體組分在線采樣功能

為了在燃料電池工作狀態(tài)下,實時測量單片內(nèi)物質(zhì)組分分布狀態(tài),設(shè)計開發(fā)了帶氣體采樣接口的燃料電池單片和多通道氣體采樣系統(tǒng),分別如圖2和圖3所示[4]。

圖2 帶氣體采樣口的燃料電池單片

圖3 多通道多氣體組分采樣系統(tǒng)

帶氣體采樣口的燃料電池單片為大活性面積車用級別,有效活性表面的尺寸長為300 mm,寬為87 mm。在單片的陰極流道(空氣流道)和陽極流道(氫氣流道)各插入9根毛細(xì)管,加上布置在陰極進(jìn)氣管、陰極排氣管、陽極進(jìn)氣管和陽極排氣管的采樣接口,一共有22個氣體采樣接口。采樣毛細(xì)管的直徑為1.6 mm,毛細(xì)管內(nèi)徑為0.1 mm,采樣接口的毛細(xì)管端面與流道采樣口接觸面采用O型密封圈壓緊密封,以保證采樣時被采樣氣體只來自于指定流道。此外,為測量單片內(nèi)部的溫度分布,在靠近氣體流道采樣點處設(shè)置了熱敏電阻[5]。

多組分采樣系統(tǒng)采用英格海德公司提供的HPR20氣體質(zhì)譜儀，對采樣氣體進(jìn)行分析。該質(zhì)譜儀采用三重過濾四級桿技術(shù),靈敏度高,最低可檢測5×10-9(體積分?jǐn)?shù))的氣體,檢測的質(zhì)量數(shù)范圍為1～300 amu,且抗污染能力強(qiáng)。為了使多通道多氣體采樣系統(tǒng)功能的有效實現(xiàn),設(shè)計開發(fā)過程中解決了一系列的工程技術(shù)問題,主要措施包括：

(1) 壓力緩沖腔設(shè)計：為保證氣體質(zhì)譜儀測腔內(nèi)壓力的穩(wěn)定性,系統(tǒng)采用了獨立旁路設(shè)計,在氣體采樣口和四級桿檢測腔之間設(shè)計了絕對壓力為1 Pa(0.01 mbar)的壓力緩沖腔,該緩沖腔體允許進(jìn)氣壓力在1×104～2×105Pa(0.1～2 bar)的較寬范圍內(nèi)變化。由于設(shè)計的壓力緩沖腔體能夠保持四級桿檢測腔內(nèi)壓力的穩(wěn)定,所以非常適合需要經(jīng)常進(jìn)行采樣口切換的實驗系統(tǒng)。

(2) 伴熱帶保溫：為避免采樣氣體中的水蒸氣冷凝成液態(tài)水、堵塞采樣管路,對所有采樣管路采取了保溫措施,即所有采樣管路均纏繞伴熱帶(即保溫帶),保證采樣管路溫度保溫在120 ℃攝氏度附近。

(3) 陰陽極采樣毛細(xì)管電勢差：由于陰陽極不銹鋼毛細(xì)管直接與雙極板接觸,陰極采樣毛細(xì)管和陽極采樣毛細(xì)管之間存在電勢差。為消除該電勢差,在陰陽極十二路選通閥門的出口分別串聯(lián)一小段聚四氟乙烯毛細(xì)管,同時考慮到其在高溫下容易變形,進(jìn)而導(dǎo)致此處密封性變差,通過增加固定管,以保證其密封性。

(4) 采樣管路設(shè)計：燃料電池單片一共有22個采樣口,陽極和陰極各11個,為保證每次采樣信號不受到采樣管路及質(zhì)譜儀檢測管路內(nèi)上一次采樣殘余氣體的影響,需要在兩次連續(xù)的采樣之間用氦氣對采樣管路及質(zhì)譜儀檢測管路進(jìn)行吹掃。因此在陰陽極采樣管路各連接一個吹掃入口,并采用2個12路選通閥分別控制陰陽極各采樣口的選通,采用1個2路選通閥控制陰陽極采樣管路的選通。3個選通閥相連,構(gòu)成采樣選通管路。2路選通閥和12路選通閥采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)子、實現(xiàn)選通動作,如圖4所示。

圖4 采樣口選通管路的3種狀態(tài)

1.3 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

燃料電池多通道氣體組分在線采樣系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1[6]。

表1 燃料電池多通道組分氣體采樣系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2 實驗驗證

2.1 穩(wěn)態(tài)氣體采樣實驗

為了減少實驗成本,且實驗?zāi)芨采w盡可能多的實驗工況,采用正交試驗設(shè)計的方法。思路是按照四因素三水平正交表進(jìn)行實驗,實驗條件如表2所示。其他實驗條件：陰極出口和陽極出口均為直排模式,背壓閥開度設(shè)置為最大開度,陽極不增濕,陽極氫氣供應(yīng)過量系數(shù)固定為1.05,冷卻液流量為1 L/min。由于實驗采用的是電子負(fù)載,當(dāng)輸入電壓低于0.4 V左右時最大電流將低于120 A,實驗過程中當(dāng)最大電流無法達(dá)到120 A時,按照電子負(fù)載在當(dāng)前輸入電壓下能夠加載的最大電流設(shè)置負(fù)載電流[7]。

穩(wěn)態(tài)氣體采樣實驗,正交試驗表如表3所示。

每組實驗前首先對燃料電池進(jìn)行氮氣吹掃,隨后設(shè)定冷卻液溫度和流量,停止氮氣吹掃并供應(yīng)空氣和氫氣,設(shè)定陰極增濕露點溫度和空氣干球溫度,逐步增大空氣流量和氫氣流量,同時逐步增大電流負(fù)載,直至氣體流量和電流達(dá)到設(shè)定值；待增濕露點溫度和空氣干球溫度達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定后,持續(xù)運行1 h；隨后打開質(zhì)譜儀,使用氦氣吹掃采樣及檢測管路,待質(zhì)譜儀信號達(dá)到穩(wěn)定后,繼續(xù)氦氣吹掃3 min；切換到陰極采樣口1采樣3 min,待氣體信號達(dá)到穩(wěn)定并持續(xù)至少2 min后,切換到氦氣吹掃至少1 min；之后切換到陰極采樣口2,如此重復(fù)直至所有陰極采樣口均完成采樣。陰極采樣口完成采樣后,對陰極采樣管路進(jìn)行至少3 min的吹掃,再切換到陽極采樣管路進(jìn)行至少3 min的吹掃,以避免采樣管路中殘留的氧氣與氫氣接觸。陽極采樣步驟與陰極類似,同樣在完成所有陽極采樣口的采樣后需要用氦氣對陽極和陰極的采樣管路進(jìn)行徹底的吹掃。完成所有22個采樣口的采樣后,再重復(fù)上述采樣過程2次,對比3次實驗結(jié)果的重復(fù)性以確保數(shù)據(jù)的可靠性[8]。

表2 穩(wěn)態(tài)氣體采樣實驗條件表

表3 穩(wěn)態(tài)氣體采樣實驗正交試驗表

圖5為1次實驗中陰極和陽極氣體采樣測試結(jié)果,圖5(a)為陰極采樣結(jié)果,圖5(b)為陽極采樣結(jié)果?？梢钥闯雒看吻袚Q采樣通道時,流道內(nèi)氣體分壓信號會經(jīng)歷一個短暫的動態(tài)過程,之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)采樣結(jié)束切換到氦氣吹掃時,若氦氣壓力較高,將推動采樣管路內(nèi)殘余氣體進(jìn)入質(zhì)譜儀,使得氣體分壓升高,采樣信號出現(xiàn)瞬時脈沖。另外,由于連接進(jìn)出口管路的采樣管路比連接單片內(nèi)氣體采樣口的采樣管路短,因此采樣氣體的總壓力較高,但不影響各組分體積分?jǐn)?shù)的測量結(jié)果。

圖5 氣體采樣測試結(jié)果

圖6為同一組實驗中的3次采樣結(jié)果。陰極標(biāo)出的是氧氣占氮氣和氧氣總和的體積分?jǐn)?shù),陽極標(biāo)出的是氫氣占?xì)錃夂偷獨饪偤偷捏w積分?jǐn)?shù)。數(shù)據(jù)顯示實驗結(jié)果重復(fù)性較好,陰極氧氣分壓占比與平均值之間的相對誤差最大值出現(xiàn)在7號采樣口,相對誤差為3.2%。陽極氫氣分壓占比與平均值之間的相對誤差最大值同樣出現(xiàn)在7號采樣口,相對誤差為1.7%。

值得注意的是,陰極的7號采樣口和陽極的7號采樣口在空間位置上并不相鄰,由于陽極和陰極氣體為逆流進(jìn)氣,陰極7號采樣口對應(yīng)的是陽極3號采樣口,陽極7號采樣口對應(yīng)的是陰極3號采樣口。造成此處氣體采樣誤差較大的原因可能是此處位于流道末端,且位于較低位置,此處的液態(tài)水聚集效應(yīng)更加明顯。在采樣口7附近有可能形成了段塞流,造成氣體濃度的分布不連續(xù)。

圖6 同一組實驗中的3次氣體組分采樣結(jié)果

2.2 動態(tài)氣體采樣實驗

采用電流階躍輸入下的動態(tài)實驗。首先使燃料電池在設(shè)定工作條件下穩(wěn)定工作1 h,此時負(fù)載電流設(shè)定在40 A,隨后向電子負(fù)載發(fā)送命令將負(fù)載電流階躍增大到80 A,并穩(wěn)定工作30 min,之后再將負(fù)載電流切換到40 A并穩(wěn)定工作30 min,如此往復(fù)共進(jìn)行4次負(fù)載電流階躍。在動態(tài)實驗過程中,采樣管路始終選通陰極7號采樣口,使用質(zhì)譜儀對該采樣口進(jìn)行連續(xù)采樣分析。

針對陰極進(jìn)氣較濕或較干的實驗條件分別進(jìn)行了動態(tài)實驗,陰極進(jìn)氣較濕的實驗條件為陰極入口流量2.44 L/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),陰極增濕露點溫度41 ℃,陰極氣體干球溫度56 ℃；陽極入口流量0.6 L/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),陽極不增濕,入堆冷卻液溫度59 ℃。陰極進(jìn)氣較干的實驗條件為陰極增濕露點溫度30 ℃,其他項目與陰極進(jìn)氣較濕的實驗條件相同。

圖7所示為兩種增濕條件下,電流階躍變化引起的電壓動態(tài)響應(yīng)以及陰極7號采樣口氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化[9]。

圖7 陰極兩種條件下的動態(tài)電壓響應(yīng)和氣體采樣結(jié)果

實驗結(jié)果顯示,雖然進(jìn)氣濕度不同引起的電壓差異不明顯,但陰極7號采樣口處氧氣體積分?jǐn)?shù)差異較大。結(jié)果顯示陰極進(jìn)氣較濕條件下在陰極7號采樣口處的氧氣體積分?jǐn)?shù)低于陰極進(jìn)氣較干條件下的氧氣體積分?jǐn)?shù)。分析其主要原因是：在陰極進(jìn)氣較濕條件下,流道下游容易發(fā)生水淹,電流密度傾向于靠近陰極入口分布[10]；而陰極進(jìn)氣較干條件下,流道下游濕度更高,膜水含量更高,歐姆阻抗更小,電流密度傾向于靠近陰極出口分布[11]。實驗結(jié)果還顯示在較低電流密度下,7號采樣口的氧氣體積分?jǐn)?shù)較為穩(wěn)定,但在較高電流密度下,該處的氧氣體積分?jǐn)?shù)波動較為明顯,而且陰極進(jìn)氣較濕條件下的氧氣體積分?jǐn)?shù)波動幅度要大于陰極進(jìn)氣較干條件[12]。

2.3 模型驗證

基于該實驗系統(tǒng),對建立的燃料電池降維模型進(jìn)行了標(biāo)定和驗證,得到了可以描述大面積單片流道內(nèi)和流道間差異的模型,如圖8所示。

該平臺基于上述功能可進(jìn)一步用于燃料電池的狀態(tài)估計和控制中。

圖8 通過實驗對模型進(jìn)行標(biāo)定和驗證

3 結(jié)論

針對燃料電池單片內(nèi)部多氣體組分難以測量、難以估計的特點,設(shè)計了燃料電池單片多通道多氣體組分在線采樣系統(tǒng)。通過對單體采樣口、冷卻系統(tǒng)、氫氣和空氣供應(yīng)系統(tǒng)及多通道的有效設(shè)計,實現(xiàn)了車用燃料電池大活性面積單片多個流道中氮氣、氧氣、氫氣等氣體組分秒級別的在線采樣和分析,實驗驗證結(jié)果表明,該系統(tǒng)性能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該系統(tǒng)的研發(fā)成功,為深入研究車用燃料電池電堆、單片特性及影響其壽命因素提供了有效測試和研究平臺。