發布時間：2019-12-30所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：為滿足車用燃料電池單片活性面積大于200cm2的測試研究需求，研制了面向大活性面積燃料電池單片的多通道氣體組分在線采樣系統。該系統能夠為大活性面積的燃料電池單片提供寬范圍的工作條件，快速地采集燃料電池工作過程中陰極和陽極流道內各個局部區域
摘 要：為滿足車用燃料電池單片活性面積大于200cm2的測試研究需求，研制了面向大活性面積燃料電池單片的多通道氣體組分在線采樣系統。該系統能夠為大活性面積的燃料電池單片提供寬范圍的工作條件，快速地采集燃料電池工作過程中陰極和陽極流道內各個局部區域的氣體，并在線分析其組分，為研究車用大活性面積燃料電池單片內的不一致性等問題提供了有效的測試手段。
關鍵詞：質子交換膜燃料電池;測試系統;多氣體組分;多通道在線采樣
質子交換膜燃料電池因其高效率、零污染、低噪音、起動快等優勢，具有廣闊的發展前景，是下一代車用動力的發展方向之一。
在燃料電池發動機的技術研發和工程應用等各個環節中，先進測試技術是核心技術之一。目前商業化燃料電池測試平臺多以評價燃料電池基本性能為主，且大多面向實驗室級別的小活性面積單片(不超過50cm2)，且不具備氣體采樣功能。由于現有車用燃料電池單片有效活性面積約為250～300cm2，因此國際上商業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一致性差異等功能，為此急需開發車用燃料電池(大活性面積)單片研發測試平臺[1]。
本成果基于多年來清華大學汽車工程系新能源汽車研發團隊在燃料電池方面的研發成果，開發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，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研究平臺，也為本科生和研究生專業培養提供了有效的平臺，實現了科研成果向教學的轉化。
1 多通道氣體組分在線采樣系統
1.1 系統結構
設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[2]，如圖1所示。
燃料電池單片測試臺由系統監控系統、供氣系統、增濕系統、單片電子負載、冷卻系統、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，設計開發了可控制的冷卻液流量和溫度的冷卻系統軟硬件，該系統能將單片溫度維持在合適的范圍內。設計的監控系統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及增濕系統的數據，與單片電子負載通信，控制負載電流，以用與單片電壓檢測模塊通信，并進行數據記錄，實現系統數據有效融合和網絡化控制[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下，實時測量單片內物質組分分布狀態，設計開發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，分別如圖2和圖3所示[4]。
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300mm，寬為87mm。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根毛細管，加上布置在陰極進氣管、陰極排氣管、陽極進氣管和陽極排氣管的采樣接口，一共有22個氣體采樣接口。采樣毛細管的直徑為1.6mm，毛細管內徑為0.1mm，采樣接口的毛細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，為測量單片內部的溫度分布，在靠近氣體流道采樣點處設置了熱敏電阻[5]。
多組 分 采 樣 系 統 采 用 英 格 海 德 公 司 提 供 的HPR20氣體質譜儀，對采樣氣體進行分析。該質譜儀采用三重過濾四級桿技術，靈敏度高，最低可檢測5× 10-9(體積分數)的氣體，檢測的質量數范圍為1～300amu，且抗污染能力強。為了使多通道多氣體采樣系統功能的有效實現，設計開發過程中解決了一系列的工程技術問題，主要措施包括：
(1)壓力緩沖腔設計：為保證氣體質譜儀測腔內壓力的穩定性，系統采用了獨立旁路設計，在氣體采樣口和四級桿檢測腔之間設計了絕對壓力為1Pa(0.01mbar)的壓力緩沖腔，該緩沖腔體允許進氣壓力在1× 104～2×105 Pa(0.1～2bar)的較寬范圍內變化。由于設計的壓力緩沖腔體能夠保持四級桿檢測腔內壓力的穩定，所以非常適合需要經常進行采樣口切換的實驗系統。
(2)伴熱帶保溫：為避免采樣氣體中的水蒸氣冷凝成液態水、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)陰陽極采樣毛細管電勢差：由于陰陽極不銹鋼毛細管直接與雙極板接觸，陰極采樣毛細管和陽極采樣毛細管之間存在電勢差。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一小段聚四氟乙烯毛細管，同時考慮到其在高溫下容易變形，進而導致此處密封性變差，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譜儀檢測管路內上一次采樣殘余氣體的影響，需要在兩次連續的采樣之間用氦氣對采樣管路及質譜儀檢測管路進行吹掃。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，構成采樣選通管路。2路選通閥和12路選通閥采用步進電機驅動轉子、實現選通動作，如圖4所示。
1.3 系統主要技術指標
燃料電池多通道氣體組分在線采樣系統的主要技術指標見表1[6]。
2 實驗驗證
2.1 穩態氣體采樣實驗
為了減少實驗成本，且實驗能覆蓋盡可能多的實驗工況，采用正交試驗設計的方法。思路是按照四因素三水平正交表進行實驗，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，背壓閥開度設置為最大開度，陽極不增濕，陽極氫氣供應過量系數固定為1.05，冷卻液流量為1L/min。由于實驗采用的是電子負載，當輸入電壓低于0.4V 左右時最大電流將低于120A，實驗過程中當最大電流無法達到120A 時，按照電子負載在當前輸入電壓下能夠加載的最大電流設置負載電流[7]。
穩態氣體采樣實驗，正交試驗表如表3所示。
每組實驗前首先對燃料電池進行氮氣吹掃，隨后設定冷卻液溫度和流量，停止氮氣吹掃并供應空氣和氫氣，設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載，直至氣體流量和電流達到設定值;待增濕露點溫度和空氣干球溫度達到設定值并保持穩定后，持續運行1h;隨后打開質譜儀，使用氦氣吹掃采樣及檢測管路，待質譜儀信號達到穩定后，繼續氦氣吹掃3min;切換到陰極采樣口1采樣3min，待氣體信號達到穩定并持續至少2min后，切換到氦氣吹掃至少1min;之后切換到陰極采樣口2，如此重復直至所有陰極采樣口均完成采樣。陰極采樣口完成采樣后，對陰極采樣管路進行至少3min的吹掃，再切換到陽極采樣管路進行至少3min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行徹底的吹掃。完成所有22個采樣口的采樣后，再重復上述采樣過程2次，對比3次實驗結果的重復性以確保數據的可靠性[8]。
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圖5為1次實驗中陰極和陽極氣體采樣測試結果，圖5(a)為陰極采樣結果，圖5(b)為陽極采樣結果。可以看出每次切換采樣通道時，流道內氣體分壓信號會經歷一個短暫的動態過程，之后達到穩定狀態。當采樣結束切換到氦氣吹掃時，若氦氣壓力較高，將推動采樣管路內殘余氣體進入質譜儀，使得氣體分壓升高，采樣信號出現瞬時脈沖。另外，由于連接進出口管路的采樣管路比連接單片內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數的測量結果。
.圖6為同一組實驗中的3次采樣結果。陰極標出的是氧氣占氮氣和氧氣總和的體積分數，陽極標出的是氫氣占氫氣和氮氣總和的體積分數。數據顯示實驗結果重復性較好，陰極氧氣分壓占比與平均值之間的相對 誤 差 最 大 值 出 現 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氣，陰極7號采樣口對應的是陽極3號采樣口，陽極7號采樣口對應的是陰極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，此處的液態水聚集效應更加明顯。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。
2.2 動態氣體采樣實驗
采用電流階躍輸入下的動態實驗。首先使燃料電池在設定工作條件下穩定工作1h，此時負載電流設定在40A，隨后向電子負載發送命令將負載電流階躍增大到80A，并穩定工作30min，之后再將負載電流切換到40A 并穩定工作30 min，如此往復共進行4次負載電流階躍。在動態實驗過程中，采樣管路始終選通陰極7號采樣口，使用質譜儀對該采樣口進行連續采樣分析。
針對陰極進氣較濕或較干的實驗條件分別進行了動態實驗，陰極進氣較濕的實驗條件為陰極入口流量2.44L/min(標準狀態)，陰極增濕露點溫度41 ℃，陰極氣體干球溫度56 ℃;陽極入口流量0.6L/min(標準狀態)，陽極不增濕，入堆冷卻液溫度59℃。陰極進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響應以及陰極7號采樣口氧氣體積分數的變化[9]。
實驗結果顯示，雖然進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數差異較大。結果顯示陰極進氣較濕條件下在陰極7號采樣口處的氧氣體積分數低于陰極進氣較干條件下的氧氣體積分數。分析其主要原因是：在陰極進氣較濕條件下，流道下游容易發生水淹，電流密度傾向于靠近陰極入口分布[10];而陰極進氣較干條件下，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]。實驗結果還顯示在較低電流密度下，7號采樣口的氧氣體積分數較為穩定，但在較高電流密度下，該處的氧氣體積分數波動較為明顯，而且陰極進氣較濕條件下的氧氣體積分數波動幅度要大于陰極進氣較干條件[12]。
2.3 模型驗證
基于該實驗系統，對建立的燃料電池降維模型進行了標定和驗證，得到了可以描述大面積單片流道內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一步用于燃料電池的狀態估計和控制中。圖8 通過實驗對模型進行標定和驗證
3 結論
針對燃料電池單片內部多氣體組分難以測量、難以估計的特點，設計了燃料電池單片多通道多氣體組分在線采樣系統。通過對單體采樣口、冷卻系統、氫氣和空氣供應系統及多通道的有效設計，實現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，實驗驗證結果表明，該系統性能達到了預期目標。該系統的研發成功，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。
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