一種氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室工藝方案分析研究

黃忠轅 王競(jìng)漢

摘 要：隨著新能源汽車保有量的提升，在市場(chǎng)的不斷檢驗(yàn)中，以鋰聚合物電池為主導(dǎo)的動(dòng)力系統(tǒng)的問題開始受到新能源車企的重視。為了尋求一種性能更好、更加環(huán)保的新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)，以氫燃料電池為主導(dǎo)的車用動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)工作已經(jīng)展開，相應(yīng)的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室建設(shè)隨也在隨之進(jìn)行之中。文章主要介紹并分析一種車用氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室的工藝布局及建筑方案，以備后續(xù)參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池;實(shí)驗(yàn)室;工藝方案

中圖分類號(hào)：TM911.42? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）12-20-04

Abstract： As new energy auto parc increasing， with continuity market test， the problem of Li-polymer battery power components has appeared then focused by automobile manufacturers. To seek a completely different new energy auto power system with better performance and more environment friendly， the research and development of hydrogen-powered fuel cells had been started， meanwhile， the construction of hydrogen-powered fuel cells laboratory is in progress either. This article mainly introduces one process and construction plan for hydrogen-powered fuel cells of automobile， for future reference.

Keywords： Fuel cells; Laboratory; Process plan

前言

燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)發(fā)電裝置，具有排放無污染，無噪聲，能量轉(zhuǎn)化率高等的優(yōu)點(diǎn)。目前的燃料電池汽車就是以氫燃料為主導(dǎo)，利用氫氣與氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能和熱作為驅(qū)動(dòng)汽車的動(dòng)力源或主動(dòng)力源。

1 氫燃料電池優(yōu)點(diǎn)

作為一種把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電機(jī)，與傳統(tǒng)燃料相比，氫發(fā)電要比傳統(tǒng)燃料發(fā)電要更加經(jīng)濟(jì)一些，內(nèi)燃機(jī)它熱功率效率一般在三十到四十之間，但是通過氫氣的電化學(xué)反應(yīng)，能使其效率達(dá)到七十甚至更多，除了在能量轉(zhuǎn)化上有著極高的效率外，氫燃料電池的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于電池能量密度很高，能達(dá)到傳統(tǒng)燃料的三倍，能達(dá)到鋰電的十倍以上。由表1可見，其代表性分子式中，沒有碳的參與，轉(zhuǎn)化后的不存在CO2的排放，因此可看作是“零碳排放”的能源。

2 氫燃料電池的工作原理

相比其他燃料電池見表2，質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC具有其在工作過程中不涉及氫氧燃燒，工作溫度低、啟動(dòng)快、能量密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，因其特性與車用動(dòng)力電池系統(tǒng)有著極高的契合度，故目前車用燃料電池均采用PEMFC技術(shù)。PEMFC的工作原理，見圖1。

PEMFC中電極反應(yīng)類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池，電池工作時(shí)，根據(jù)控制系統(tǒng)反饋的需求量，分別向氫電極和氧電極供應(yīng)氫氣和氧氣，經(jīng)催化劑作用，氫分子釋放出電子，后經(jīng)質(zhì)子交換膜采集產(chǎn)生電流，其具體反映方程式如下：

陽極反應(yīng)（負(fù)極）：

H2→2H++2e-

在電池的另一端，陰極表面的氧氣經(jīng)催化劑作用，與氫氧離子結(jié)合產(chǎn)生，后經(jīng)流量控制系統(tǒng)，以水蒸氣的形式排放至大氣，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的零排放。

陰極反應(yīng)（正極）：

O2+4H++4e-→H2O

總反應(yīng)為：

2H2+O2=H2O

由于質(zhì)子交換膜對(duì)質(zhì)子的“采集”特性，該系統(tǒng)可以將化學(xué)反應(yīng)中的電子遷移轉(zhuǎn)化為外電路中的直流電，故只要源源不斷的供應(yīng)氫氣及氧氣，燃料電池就能不斷的提供電能。

3 氫燃料電池實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃

2017年國家工業(yè)和信息化部公布的《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)定》（工業(yè)和信息化部令第39號(hào)）中明確提出，對(duì)申請(qǐng)燃料電池汽車的生產(chǎn)企業(yè)，必須要滿足以下要求：

3.1 設(shè)計(jì)開發(fā)能力

申請(qǐng)燃料電池汽車生產(chǎn)準(zhǔn)入的，還應(yīng)具有燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)的研發(fā)人員。申請(qǐng)燃料電池汽車生產(chǎn)準(zhǔn)入的，還應(yīng)理解和掌握燃料電池系統(tǒng)控制、儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制方面的技術(shù);

申請(qǐng)燃料電池汽車的，還應(yīng)具備燃料電池系統(tǒng)性能測(cè)試臺(tái)架、車載氫系統(tǒng)泄漏及高壓氣體安全方面的測(cè)試儀器和設(shè)備。

3.2 產(chǎn)品生產(chǎn)一致性保證能力

新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)實(shí)施計(jì)算機(jī)信息化管理，至少應(yīng)建立產(chǎn)品可追溯性信息管理系統(tǒng)。

應(yīng)具備車載能源系統(tǒng)/燃料電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣性能與安全、溫度、儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全等項(xiàng)目檢驗(yàn)設(shè)備以及整車安全檢測(cè)線。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)、車載能源系統(tǒng)/燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、整車控制器等關(guān)鍵部件，應(yīng)建立易見的、不可更換的、唯一性標(biāo)識(shí)，并建立可以支持產(chǎn)品追溯的信息數(shù)據(jù)庫。

3.3 新能源汽車產(chǎn)品專項(xiàng)檢驗(yàn)項(xiàng)目及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 24549-2009燃料電池電動(dòng)汽車 安全要求;GB/T 24554-2009燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法;GB/T 26779-2011燃料電池電動(dòng)汽車 加氫口;GB/T 26991-2011燃料電池電動(dòng)汽車 最高車速試驗(yàn)方法;GB/T 26990-2011燃料電池電動(dòng)汽車 車載氫系統(tǒng) 技術(shù)要求;GB/T 29126-2012燃料電池電動(dòng)汽車 車載氫系統(tǒng) 試驗(yàn)方法;由此可知，《規(guī)定》針對(duì)車用氫燃料電池的實(shí)驗(yàn)室的要求，主要包含：燃料電池性能測(cè)試臺(tái)架、車載氫系統(tǒng)泄漏及高壓氣體安全方面的測(cè)試儀器和設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室整體規(guī)劃，如圖2所示：

3.4 供氫站和加氫站

根據(jù)《GB 50516-2010 加氫站技術(shù)規(guī)范》，《GB/T 29124- 2012 氫燃料電池電動(dòng)汽車示范運(yùn)行 配套設(shè)施規(guī)范》的要求進(jìn)行建設(shè)：

實(shí)驗(yàn)室供氫，采用氫氣集裝格和匯流排形式，通過管道減壓送入實(shí)驗(yàn)室，供氫站毗鄰實(shí)驗(yàn)室建設(shè)（最大存放量為60瓶）;

汽車加氫必須要進(jìn)入加氫站加氫，需要預(yù)留加氫站發(fā)展區(qū)。

3.5 性能臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境：全室空調(diào)，吸音降噪防火材料，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，氫氣濃度監(jiān)測(cè)，防爆照明;

實(shí)驗(yàn)室接口：防爆電源接口，氫氣接入口，氮?dú)饨尤肟?，進(jìn)排水管接口，冷卻循環(huán)水接口，氫氣排氣口;

燃料電池測(cè)試狀態(tài)：不包括散熱器、風(fēng)扇、力電池;

臺(tái)架包含硬件：輔助動(dòng)力電源，電子負(fù)載，內(nèi)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，測(cè)控柜;

測(cè)試功能：滿足《GB/T 24554-2009 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》的要求;

測(cè)量?jī)?nèi)容：氫氣即時(shí)用量，輔助電源電壓和電流，冷卻水進(jìn)出口溫度及流量，外界電子負(fù)載電壓、電流和功率。

3.6 聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)室

包含硬件：模擬電源（代替燃料電池）、輔助動(dòng)力電池，電機(jī)，電力測(cè)功機(jī);

測(cè)控柜仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：臺(tái)架數(shù)據(jù)采集。整車聯(lián)調(diào)仿真，參數(shù)優(yōu)化。

3.7 零部件實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃

引射器：利用文丘里效應(yīng)將未參與反應(yīng)的氫氣吸入引射器與新鮮氫氣混合后進(jìn)度電堆，實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán);

實(shí)驗(yàn)室接口：氫氣接入口，氫氣排氣口;

引射器臺(tái)架：入口端減壓閥，流量閥，引壓端減壓閥，流量閥，出口端被壓調(diào)節(jié)閥，主控電腦;

實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：入口端壓力流量，引射端壓力流量，出口端壓力。

增壓器：控制空氣進(jìn)氣流量和壓力;

實(shí)驗(yàn)室接口：外部冷卻循環(huán)水，輔助電源;

增壓器臺(tái)架：入口端流量閥，出口端背壓調(diào)節(jié)閥，主控電腦;

實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：入口端壓力，出口端壓力流量，增壓器轉(zhuǎn)速。

增濕器：滿足燃料電池侄子交換膜對(duì)空氣溫度，濕度，指標(biāo)需求;

實(shí)驗(yàn)室接口：外部循環(huán)水接口，壓縮空氣接口;

增濕器臺(tái)架：空氣減壓閥，流量閥，內(nèi)部循環(huán)水減壓閥，溫控閥，流量閥;

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：空氣壓力流量，空氣濕度，循環(huán)水溫度，壓力，流量。

4 氫燃料汽車未來的發(fā)展

根據(jù)2016年國家發(fā)改委和國家能源局下發(fā)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃2016-2030》中把氫能源與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新研究列為15項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。關(guān)于氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新行動(dòng)包括：大規(guī)模制氫技術(shù)，分布式制氫技術(shù)，氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，氫氣/空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)等。而在配套方面，我國燃料電池研發(fā)體系在圍繞燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、供氫系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件已初步形成。總體來看，我國的燃料電池汽車還處于性能改進(jìn)和小規(guī)模示范階段。市場(chǎng)上主要還是以客車和專用車產(chǎn)品為主，轎車車型產(chǎn)品相對(duì)較少。但是傳統(tǒng)能源和氫能的儲(chǔ)備以及開采問題，都將為氫能的大規(guī)模利用帶來不確定性，如何提高核心技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化，降低生產(chǎn)成本以及加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)將是未來國家在氫燃料電池發(fā)展的重點(diǎn)。

5 國家政策

2018年12月15日，全國政協(xié)副主席萬鋼在人民日?qǐng)?bào)提出：“我國仍把氫作為?；饭芾恚芾砝砟畈煌萍s了我國氫能的利用。”我國也出臺(tái)相應(yīng)政策支持燃料電池汽車的發(fā)展，在2019年3月26日，國家財(cái)政部官網(wǎng)發(fā)布了《財(cái)政部工業(yè)和信息化部科技部發(fā)展改革委關(guān)于進(jìn)一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，其中政策中特別提到“給予加氫基礎(chǔ)設(shè)施‘短板建設(shè)和配套運(yùn)營服務(wù)等方面的補(bǔ)貼”，燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展與普及的前提就是加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，這次政府工作報(bào)告提出推動(dòng)加氫設(shè)施發(fā)展，2019補(bǔ)貼政策傾斜推動(dòng)加氫設(shè)施建設(shè)，國家政策、地方政府和產(chǎn)業(yè)界均應(yīng)高度重視燃料電池產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展。通過政策技術(shù)雙驅(qū)動(dòng)消除瓶頸，規(guī)模效應(yīng)降成本，推動(dòng)燃料電池汽車最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，成為我國未來新能源汽車戰(zhàn)略中的重要組成。

6 結(jié)語

目前，氫的制取、儲(chǔ)存和攜帶成本高、基建設(shè)施投資大等問題困擾著氫燃料汽車的前進(jìn)之路;在政策的推動(dòng)下，我國在純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車方面發(fā)展迅速，但氫燃料電池汽車發(fā)展與全球氫燃料電池汽車發(fā)展相比，相對(duì)緩慢且不均衡。

第十三屆全國人大二次會(huì)議上。人大代表們，針對(duì)我國氫燃料電池汽車發(fā)展相對(duì)緩慢且不均衡的問題，呼吁加強(qiáng)氫能源基礎(chǔ)設(shè)施尤其是加氫站的建設(shè)發(fā)展，理順整個(gè)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的生態(tài)鏈，以此推動(dòng)我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展。在未來希望中國企業(yè)發(fā)展氫燃料汽車步子更加穩(wěn)健，不能過于“盲目”，避免造成資源浪費(fèi)。在技術(shù)尚未取得明顯突破前，切勿大規(guī)模的行動(dòng)，氫燃料汽車還有很長(zhǎng)的路要走。

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