一种氢燃料电池实验室工艺方案分析研究

黄忠辕 王竞汉

摘 要：随着新能源汽车保有量的提升，在市场的不断检验中，以锂聚合物电池为主导的动力系统的问题开始受到新能源车企的重视。为了寻求一种性能更好、更加环保的新能源汽车动力系统，以氢燃料电池为主导的车用动力系统研发工作已经展开，相应的氢燃料电池实验室建设随也在随之进行之中。文章主要介绍并分析一种车用氢燃料电池实验室的工艺布局及建筑方案，以备后续参考。

关键词：燃料电池;实验室;工艺方案

中图分类号：TM911.42  文献标识码：A  文章编号：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

燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的化学发电装置，具有排放无污染，无噪声，能量转化率高等的优点。目前的燃料电池汽车就是以氢燃料为主导，利用氢气与氧气的化学反应产生的电能和热作为驱动汽车的动力源或主动力源。

1 氢燃料电池优点

作为一种把化学能直接转化为电能的电化学发电机，与传统燃料相比，氢发电要比传统燃料发电要更加经济一些，内燃机它热功率效率一般在三十到四十之间，但是通过氢气的电化学反应，能使其效率达到七十甚至更多，除了在能量转化上有着极高的效率外，氢燃料电池的另外一个优势在于电池能量密度很高，能达到传统燃料的三倍，能达到锂电的十倍以上。由表1可见，其代表性分子式中，没有碳的参与，转化后的不存在CO2的排放，因此可看作是“零碳排放”的能源。

2 氢燃料电池的工作原理

相比其他燃料电池见表2，质子交换膜燃料电池PEMFC具有其在工作过程中不涉及氢氧燃烧，工作温度低、启动快、能量密度高、结构简单、寿命长等优势，因其特性与车用动力电池系统有着极高的契合度，故目前车用燃料电池均采用PEMFC技术。PEMFC的工作原理，见图1。

PEMFC中电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池，电池工作时，根据控制系统反馈的需求量，分别向氢电极和氧电极供应氢气和氧气，经催化剂作用，氢分子释放出电子，后经质子交换膜采集产生电流，其具体反映方程式如下：

阳极反应（负极）：

H2→2H++2e-

在电池的另一端，阴极表面的氧气经催化剂作用，与氢氧离子结合产生，后经流量控制系统，以水蒸气的形式排放至大气，实现了真正意义上的零排放。

阴极反应（正极）：

O2+4H++4e-→H2O

总反应为：

2H2+O2=H2O

由于质子交换膜对质子的“采集”特性，该系统可以将化学反应中的电子迁移转化为外电路中的直流电，故只要源源不断的供应氢气及氧气，燃料电池就能不断的提供电能。

3 氢燃料电池实验室规划

2017年国家工业和信息化部公布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》（工业和信息化部令第39号）中明确提出，对申请燃料电池汽车的生产企业，必须要满足以下要求：

3.1 设计开发能力

申请燃料电池汽车生产准入的，还应具有燃料电池系统、储氢系统及相应的控制系统的研发人员。申请燃料电池汽车生产准入的，还应理解和掌握燃料电池系统控制、储氢系统控制方面的技术;

申请燃料电池汽车的，还应具备燃料电池系统性能测试台架、车载氢系统泄漏及高压气体安全方面的测试仪器和设备。

3.2 产品生产一致性保证能力

新能源汽车生产企业应实施计算机信息化管理，至少应建立产品可追溯性信息管理系统。

应具备车载能源系统/燃料电池系统、驱动系统的电气性能与安全、温度、储氢系统安全等项目检验设备以及整车安全检测线。

对于发动机、车载能源系统/燃料电池系统、储氢系统、驱动电机、整车控制器等关键部件，应建立易见的、不可更换的、唯一性标识，并建立可以支持产品追溯的信息数据库。

3.3 新能源汽车产品专项检验项目及依据标准

GB/T 24549-2009燃料电池电动汽车 安全要求;GB/T 24554-2009燃料电池发动机性能试验方法;GB/T 26779-2011燃料电池电动汽车 加氢口;GB/T 26991-2011燃料电池电动汽车 最高车速试验方法;GB/T 26990-2011燃料电池电动汽车 车载氢系统 技术要求;GB/T 29126-2012燃料电池电动汽车 车载氢系统 试验方法;由此可知，《规定》針对车用氢燃料电池的实验室的要求，主要包含：燃料电池性能测试台架、车载氢系统泄漏及高压气体安全方面的测试仪器和设备，实验室整体规划，如图2所示：

3.4 供氢站和加氢站

根据《GB 50516-2010 加氢站技术规范》，《GB/T 29124- 2012 氢燃料电池电动汽车示范运行 配套设施规范》的要求进行建设：

实验室供氢，采用氢气集装格和汇流排形式，通过管道减压送入实验室，供氢站毗邻实验室建设（最大存放量为60瓶）;

汽车加氢必须要进入加氢站加氢，需要预留加氢站发展区。

3.5 性能台架

实验室环境：全室空调，吸音降噪防火材料，视频监控系统，氢气浓度监测，防爆照明;

实验室接口：防爆电源接口，氢气接入口，氮气接入口，进排水管接口，冷却循环水接口，氢气排气口;

燃料电池测试状态：不包括散热器、风扇、力电池;

台架包含硬件：辅助动力电源，电子负载，内冷却水循环系统，测控柜;

测试功能：满足《GB/T 24554-2009 燃料电池发动机性能试验方法》的要求;

测量内容：氢气即时用量，辅助电源电压和电流，冷却水进出口温度及流量，外界电子负载电压、电流和功率。

3.6 联调实验室

包含硬件：模拟电源（代替燃料电池）、辅助动力电池，电机，电力测功机;

测控柜仿真实验数据：台架数据采集。整车联调仿真，参数优化。

3.7 零部件实验室规划

引射器：利用文丘里效应将未参与反应的氢气吸入引射器与新鲜氢气混合后进度电堆，实现氢气的循环;

实验室接口：氢气接入口，氢气排气口;

引射器台架：入口端减压阀，流量阀，引压端减压阀，流量阀，出口端被压调节阀，主控电脑;

实验实验数据：入口端压力流量，引射端压力流量，出口端压力。

增压器：控制空气进气流量和压力;

实验室接口：外部冷却循环水，辅助电源;

增压器台架：入口端流量阀，出口端背压调节阀，主控电脑;

实验实验数据：入口端压力，出口端压力流量，增压器转速。

增湿器：满足燃料电池侄子交换膜对空气温度，湿度，指标需求;

实验室接口：外部循环水接口，压缩空气接口;

增湿器台架：空气减压阀，流量阀，内部循环水减压阀，温控阀，流量阀;

实验数据：空气压力流量，空气湿度，循环水温度，压力，流量。

4 氢燃料汽车未来的发展

根据2016年国家发改委和国家能源局下发的《能源技术革命创新行动计划2016-2030》中把氢能源与燃料电池技术创新研究列为15项重点任务之一。关于氢能与燃料电池技术创新行动包括：大规模制氢技术，分布式制氢技术，氢气储运技术，氢气/空气聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）技术等。而在配套方面，我国燃料电池研发体系在围绕燃料电池发动机、动力电池、驱动电机、供氢系统等关键零部件已初步形成。总体来看，我国的燃料电池汽车还处于性能改进和小规模示范阶段。市场上主要还是以客车和专用车产品为主，轿车车型产品相对较少。但是传统能源和氢能的储备以及开采问题，都将为氢能的大规模利用带来不确定性，如何提高核心技术水平，实现关键零部件的国产化，降低生产成本以及加强基础设施的建设将是未来国家在氢燃料电池发展的重点。

5 国家政策

2018年12月15日，全国政协副主席万钢在人民日报提出：“我国仍把氢作为危化品管理，管理理念不同制约了我国氢能的利用。”我国也出台相应政策支持燃料电池汽车的发展，在2019年3月26日，国家财政部官网发布了《财政部工业和信息化部科技部发展改革委关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，其中政策中特别提到“给予加氢基础设施‘短板建设和配套运营服务等方面的补贴”，燃料电池产业发展与普及的前提就是加氢站基础设施的建设，这次政府工作报告提出推动加氢设施发展，2019补贴政策倾斜推动加氢设施建设，国家政策、地方政府和产业界均应高度重视燃料电池产业的大力发展。通过政策技术双驱动消除瓶颈，规模效应降成本，推动燃料电池汽车最终实现商业化，成为我国未来新能源汽车战略中的重要组成。

6 结语

目前，氢的制取、储存和携带成本高、基建设施投资大等问题困扰着氢燃料汽车的前进之路;在政策的推动下，我国在纯电动汽车和插电式混合动力汽车方面发展迅速，但氢燃料电池汽车发展与全球氢燃料电池汽车发展相比，相对缓慢且不均衡。

第十三届全国人大二次会议上。人大代表们，针对我国氢燃料电池汽车发展相对缓慢且不均衡的问题，呼吁加强氢能源基础设施尤其是加氢站的建设发展，理顺整个氢燃料电池汽车产业的生态链，以此推动我国氢燃料电池汽车产业的健康、快速发展。在未来希望中国企业发展氢燃料汽车步子更加稳健，不能过于“盲目”，避免造成资源浪费。在技术尚未取得明显突破前，切勿大规模的行动，氢燃料汽车还有很长的路要走。

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