质子交换膜燃料电池阳极供氢总成特性分析

魏敬东

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 510000）

前言

氢气作为能量的储存介质，具有能量密度高，无污染零排放等特点，非常适宜作为汽车等可移动设施的动力源[1-3]。目前，我国已经将质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统应用到重卡、公交车等商用车领域。供氢总成作为氢气供应的重要零部件，其结构设计和控制方法对稳定阳极压力、提高氢气利用率等作用明显。

1 阳极回路结构

燃料电池系统中阳极回路通常由高压储氢装置、一级降压阀、供氢总成、水气分离器、排气阀、排水阀等部分构成。来自高压储氢装置的氢气在经过一级降压阀后压力由几十MPa降低到1 MPa～2 MPa，供氢总成将降压后的氢气喷射进入电堆，并起到稳定堆内阳极压力的作用。氢气在电堆中反应后出堆。出堆的氢气和水蒸气混合气在水气分离器中分离为氢气和水蒸气，氢气通过供氢总成的引射器[4]回流到供氢系统中，水蒸气和液态水则通过排气阀和排水阀排放到环境中。

阳极回路结构如下图1所示：

图1 阳极回路结构

2 供氢总成结构

供氢总成的主要结构分为开关阀和比例阀两种。

开关阀结构主要为一个只有开和关两种位置的电控阀配合氢气喷嘴，其阀板的开度不可控制在某一具体的位置，只允许全开和全关。阀全开，将高压氢气喷射到电堆内部，通过控制阀的开关频率达到控制电堆内部氢气压力的目的。

比例阀相比开关阀，通过控制电流可以将比例阀的阀芯稳定在开和关之间的任意开度，通过控制比例阀的开度大小达到控制电堆内部氢气压力的目的。

3 控制方法及结果对比

3.1 供氢总成控制方法

开关阀和比例阀因其结构不同，采用的控制方式也不同。两种阀的控制信号如下图2所示：

图2 控制信号

比例阀的控制信号为普通的PWM方波信号，具有频率和占空比两个信息，通常采用固定频率，占空比变化的信号来控制阀的开度。

开关阀的控制为了增加其阀板打开的速度，通常需要Peak-Hold信号。在开阀的过程中将控制电压升高，即Peak电压，待阀完全打开后将电压降低，保持阀板为开启状态，即Hold电压，需要关闭时控制信号的电平为0。

3.2 阳极压力控制方法

阳极压力控制采取基于目标阳极与阴极入堆压力差的闭环控制。以维持阳极和阴极之间的压力差稳定为控制目标，通过PID闭环控制将实际阳极压力控制到目标值。具体控制流程图如下图3所示：

图3 阳极压力控制流程图

通过当前入堆的实际阴极压力与目标的阳极与阴极的压力差求和得到目标阳极压力，根据阳极实际压力和目标压力的差值通过PID闭环控制得到供氢总成的控制信号，从而达到控制阳极实际压力的目的。

3.3 压力控制效果

将不同形式的供氢总成应用到系统功率70 kW的燃料电池系统台架进行测试。在相同的系统功率下，开关阀的压力控制效果如图4所示，比例阀的压力控制效果如图5所示：

图4 开关阀压力控制

图5 比例阀压力控制

在阳极与阴极目标压差20 kPa的情况下，开关阀控制的实际压差波动范围为15.8 kPa～22.7 kPa，比例阀控制的实际压差波动范围为17.2 kPa～21.8 kPa。在压力控制方面，比例阀能够更好地稳定阳极压力，从而控制阳极和阴极的压差维持在目标压差。

在测试过程中，开关阀因其全开全关的工作方式，在系统运行过程中具有明显的阀板冲击上下止点的机械撞击声，在系统低功率段尤其明显。比例阀则只有轻微的气流声，无任何机械撞击声。

开关阀密封性一般，在系统停机期间为了防止氢气泄露进电堆，在开关阀前增加了密封性能更好的截止阀，用于应对氢气密封问题。比例阀本身具有良好的密封性，可以兼具密封和喷氢的两个作用。

4 结论

通过将两种形式的供氢总成在燃料电池系统台架上测试，从控制方法、控制效果、NVH表现和密封性等方面对比了开关阀和比例阀的特性。开关阀在供氢总成领域的应用，需要Peak-Hold控制信号，控制电路复杂。阳极压力波动明显，且密封性能一般，需要配合截止阀一起应用。比例阀则控制简单且压力控制稳定，同时自身密封性能良好，在燃料电池供氢总成的应用上具有明显的优势。