燃料電池不僅對(duì)進(jìn)入電堆的氫氣品質(zhì)提出了高標(biāo)準(zhǔn)，而且燃料電池車輛的氫氣排放濃度也必須符合高要求。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動(dòng)汽車安全要求》中，提出了瞬時(shí)氫氣排放濃度不超過(guò)8%，且任意3秒內(nèi)平均氫氣體積濃度不超過(guò)4%的強(qiáng)制性要求。電堆的性能維持需要間歇排氣以保證陽(yáng)極氫氣分壓或濃度維持在較高水平，又需要標(biāo)定燃料電池系統(tǒng)排氣策略以保證氫氣排放符合法規(guī)。

為維持陽(yáng)極水動(dòng)態(tài)平衡和氫氣高濃度水平，燃料電池系統(tǒng)在啟停、怠速、變載和運(yùn)行過(guò)程中通常進(jìn)行排氣操作，即當(dāng)燃料電池系統(tǒng)預(yù)估或監(jiān)測(cè)到陽(yáng)極氣體雜質(zhì)高、液態(tài)水積累到一定高度時(shí)，通過(guò)有序啟閉排水排氣閥(或排氮閥)實(shí)現(xiàn)排氣動(dòng)作。當(dāng)排氫濃度高于預(yù)設(shè)限值時(shí)，系統(tǒng)輔之以降低排氫時(shí)間，并增加空氣的排氣量。因此，燃料電池系統(tǒng)的排氣動(dòng)作既要控制陽(yáng)極氫氣濃度滿足電池性能和壽命要求，又要控制尾排氫氣濃度符合標(biāo)準(zhǔn)排放要求。本文分享燃料電池陽(yáng)極氫氣濃度管理技術(shù)及其檢測(cè)方法。

01 欠空“氫泵”

除了陰陽(yáng)極氫氣濃度差引起的陽(yáng)極氫分子向陰極擴(kuò)散外，陰極欠空狀態(tài)下引發(fā)的“氫泵”現(xiàn)象是電堆陰極腔體中產(chǎn)生氫氣的主要來(lái)源。陰極欠氣后，氧氣供應(yīng)不足，陰極電位降低，整體欠空下可形成輕微反極。隨著陰極氫離子活度提高，界面電勢(shì)差接近氫還原電位，發(fā)生析氫反應(yīng)生成氫氣，如下圖所示。

“氫泵”現(xiàn)象在零度以下冷啟動(dòng)過(guò)程中需要備受重點(diǎn)關(guān)注，尤其在空氣計(jì)量比接近或小于1的條件下，陰極腔體中氫氣濃度易接近或超過(guò)爆炸極限。在冷啟動(dòng)過(guò)程中，雖然限值空氣供給可以產(chǎn)生低電壓從而增加產(chǎn)熱功率，但”氫泵“現(xiàn)象隨之而來(lái)。下圖展示了陰極空氣計(jì)量比和氫氣體積濃度的關(guān)系，理論計(jì)算顯示當(dāng)空氣計(jì)量比從1開(kāi)始降低，陰極氫氣體積濃度從0逐漸線性增大。當(dāng)空氣計(jì)量比為1時(shí)，單元電池和電堆陰極氫氣體積濃度實(shí)測(cè)值分別達(dá)到2%和3%左右。

雖然根據(jù)電流值和計(jì)量比可理論計(jì)算出陰極氫氣體積濃度值，但實(shí)際車用電堆由數(shù)百節(jié)單電池組成，局部節(jié)及其平面局部區(qū)域發(fā)生欠空的概率和輕重度難于估計(jì)。因此，對(duì)電堆陰極出口進(jìn)行氫氣體積濃度測(cè)量并針對(duì)性開(kāi)發(fā)”稀氫“等操作(如旁通進(jìn)堆空氣、提升空氣計(jì)量比)是策略開(kāi)發(fā)的首選。

02 陽(yáng)極氮?dú)夥e累

為提高氫氣利用率和水平衡管理，燃料電池系統(tǒng)中通常對(duì)電堆陽(yáng)極出口混合氣體使用氫氣循環(huán)泵或引射器進(jìn)行再循環(huán)。為提升運(yùn)行效率并兼顧寬工作區(qū)間，氫氣循環(huán)泵和引射器的并聯(lián)方案已逐漸在大功率燃料電池系統(tǒng)中顯露頭角。

在氫氣循環(huán)過(guò)程中，由于陰陽(yáng)極氣體組分濃度差異，陰氣空氣中的氮?dú)夂退魵鈺?huì)擴(kuò)散至陽(yáng)極。因此，電堆陽(yáng)極腔體氣體為氫氣、水蒸氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后將導(dǎo)致氫氣分壓降低，增加“欠氫”發(fā)生的可能性。局部欠氫可在反相電流機(jī)制下促使陰極碳腐蝕，整體欠氫可導(dǎo)致陽(yáng)極碳腐蝕和產(chǎn)生負(fù)電壓，產(chǎn)生不可逆損傷。

因此，運(yùn)行過(guò)程中間歇性打開(kāi)排水排氣閥（或排氮閥）進(jìn)行吹掃以排出積累在陽(yáng)極的氮?dú)馐侨剂想姵叵到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和策略標(biāo)定的重要一環(huán)。如果排水排氣閥開(kāi)啟頻率偏高或開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)，則造成氫氣資源浪費(fèi)和系統(tǒng)效率低下；如果排水排氣閥開(kāi)啟頻率偏低或開(kāi)啟時(shí)間短，則陽(yáng)極雜質(zhì)多，可能導(dǎo)致單片電壓降低，甚至影響電堆壽命。

目前，燃料電池系統(tǒng)陽(yáng)極氫氣濃度監(jiān)控和管理主要通過(guò)模型計(jì)算、安裝車載氫氣濃度傳感器、實(shí)驗(yàn)標(biāo)定等方法。受制于傳感器的可靠性、精度和成本，安裝車載氫氣濃度傳感器的做法尚不成熟。模型估算的方法又存在計(jì)算誤差，且極端工況下氫氣濃度計(jì)算”失真“。因此，氫氣濃度檢測(cè)裝置輔之以實(shí)驗(yàn)標(biāo)定正成為燃料電池排氣策略制定的重要手段。

03 氣體雜質(zhì)

燃料和氧化劑的品質(zhì)對(duì)車用質(zhì)子交換膜燃料電池的性能和壽命至關(guān)重要。顆粒物和有害氣體對(duì)車用燃料電池的影響有：1.瞬時(shí)性能下降；2.傳感器、管路和空壓機(jī)等空氣系統(tǒng)零部件表面積聚的粉塵顆粒影響部件功能和效率；3.顆粒物一旦進(jìn)入燃料電池堆，造成氣流通道堵塞，造成壓力損失增加和永久性能量損失；4.鹽和有害氣體引起陰陽(yáng)極催化劑中毒，降低催化劑活性，導(dǎo)致燃料電池效率降低；5.含硫等氣體導(dǎo)致燃料電池衰減。

氫氣的來(lái)源較為廣泛，包括化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫等。當(dāng)前，車用燃料電池氫氣的來(lái)源主要為工業(yè)副廠氫，其中天然氣制氫的氣體雜質(zhì)有CO2、CO和CH4，甲醇重整制氫的氣體雜質(zhì)有CO2、CO。在燃料電池產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中對(duì)氫氣進(jìn)行檢測(cè)和品質(zhì)分析，關(guān)系到產(chǎn)品能否得到實(shí)際有效驗(yàn)證；在燃料電池產(chǎn)品使用過(guò)程中對(duì)氫氣進(jìn)行雜質(zhì)分析，關(guān)系到氫氣產(chǎn)品的遴選和燃料電池系統(tǒng)的耐久性。因此，作為燃料電池陽(yáng)極氫氣濃度管理的首要任務(wù)，氫氣品質(zhì)的分析和評(píng)價(jià)首當(dāng)其沖。

04 檢測(cè)方法

目前，維恩科儀提供的基于AspecMs便攜式電子轟擊質(zhì)譜儀的燃料電池汽車尾氣排放多氣體在線分析系統(tǒng)已經(jīng)得到長(zhǎng)城汽車和上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心的認(rèn)可和引入。

該系統(tǒng)能夠以5 Hz頻率檢測(cè)排放氫氣濃度，實(shí)現(xiàn)0.1 ppm最低檢出限的測(cè)量，十毫秒每一組分的快速檢測(cè)，實(shí)時(shí)測(cè)量燃料電池系統(tǒng)和整車真實(shí)排放情況。除此之外，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料電池出口N2、CO、CO2及其他雜質(zhì)的濃度變化情況，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷電池工作狀態(tài)變化，從而進(jìn)行燃料電池性能優(yōu)化。與此同時(shí)，AspecMS便攜式電子轟擊質(zhì)譜儀擁有非常優(yōu)越的便攜性，可以在整車排放實(shí)驗(yàn)間和燃料電池臺(tái)架實(shí)驗(yàn)間進(jìn)行方便移動(dòng)，讓跨部門、跨實(shí)驗(yàn)室的不同測(cè)試項(xiàng)目都得以高效完成。

維恩科儀還提供以離子分子反應(yīng)質(zhì)譜儀為核心設(shè)備的一系列燃料電池開(kāi)發(fā)相關(guān)解決方案，并在國(guó)內(nèi)多家知名主機(jī)廠及第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)都有成熟應(yīng)用。

基于CombiSense的氫氣雜質(zhì)快速分析系統(tǒng)，可完成對(duì)總碳?xì)?，O2，He，N2，氬氣，CO2，CO，甲酸，甲醛，氨氣以及硫化物和鹵化物的瞬態(tài)檢測(cè)，對(duì)單一組分的測(cè)量時(shí)間達(dá)到秒級(jí)，對(duì)國(guó)標(biāo)要求中所有氣態(tài)組分的測(cè)量總時(shí)長(zhǎng)小于50min，精度<±2%，重復(fù)性<±3%。這套快速、準(zhǔn)確、有效評(píng)價(jià)車用氫氣品質(zhì)的整體解決方案，是提升燃料電池開(kāi)發(fā)效率、優(yōu)化燃料電池性能和壽命的重要工具。

PEMSense則專用于燃料電池開(kāi)發(fā)和測(cè)試相關(guān)的組分氣體分析，能快速測(cè)量燃料電池的H2，N2，O2，水，氬氣，甲烷和CO2。分析儀配置雙進(jìn)樣口，一個(gè)用于陽(yáng)極的低流量入口（<60 ml / min），另一個(gè)用于陰極和排氣的標(biāo)準(zhǔn)流量入口，分析質(zhì)量范圍為1–100 amu（200 amu可選），測(cè)量范圍從100 ppm到100 Vol％。

Hsense則能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料電池內(nèi)H2和He的濃度，質(zhì)量范圍2-4 amu，總響應(yīng)時(shí)間小于1秒，且不會(huì)受到其他組分的交叉干擾，充分確保測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性。針對(duì)燃料電池應(yīng)用，維恩科儀可提供采樣流量< 15 ml/min的專用型號(hào)。

了解FCV尾氣排放在線分析系統(tǒng)和氫氣雜質(zhì)快速檢測(cè)系統(tǒng)，敬請(qǐng)聯(lián)系維恩科儀010-63290757。

文章轉(zhuǎn)載自：燃料電池干貨

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