燃料電池不僅對進入電堆的氫氣品質提出了高標準，而且燃料電池車輛的氫氣排放濃度也必須符合高要求。在國家標準《燃料電池電動汽車安全要求》中，提出了瞬時氫氣排放濃度
不超過8%，
且任意3秒內平均氫氣體積濃度
不超過4%
的強制性要求。
電堆的效能維持需要間歇排氣以保證陽極氫氣分壓或濃度維持在較高水平，又需要標定燃料電池系統排氣策略以保證氫氣排放符合法規
。
為維持陽極水動態平衡和氫氣高濃度水平，燃料電池系統在啟停、怠速、變載和執行過程中通常進行排氣操作，即
當燃料電池系統預估或監測到陽極氣體雜質高、液態水積累到一定高度時，透過有序啟閉排水排氣閥(或排氮閥)實現排氣動作
。當排氫濃度高於預設限值時，系統輔之以降低排氫時間，並增加空氣的排氣量。因此，
燃料電池系統的排氣動作既要控制陽極氫氣濃度滿足電池效能和壽命要求，又要控制尾排氫氣濃度符合標準排放要求
。本文分享燃料電池陽極氫氣濃度管理技術及其檢測方法。
燃料電池汽車排氣排水
01
欠空“氫泵”
除了陰陽極氫氣濃度差引起的陽極氫分子向陰極擴散外，陰極欠空狀態下引發的“氫泵”現象是電堆陰極腔體中產生氫氣的主要來源。
陰極欠氣後，氧氣供應不足，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，介面電勢差接近氫還原電位，發生析氫反應生成氫氣
，如下圖所示。
陰極欠空條件下“氫泵”現象
“氫泵”現象在零度以下冷啟動過程中需要備受重點關注
，尤其在空氣計量比接近或小於1的條件下，陰極腔體中氫氣濃度易接近或超過爆炸極限。在冷啟動過程中，雖然限值空氣供給可以產生低電壓從而增加產熱功率，但”氫泵“現象隨之而來。下圖展示了陰極空氣計量比和氫氣體積濃度的關係，理論計算顯示當空氣計量比從1開始降低，陰極氫氣體積濃度從0逐漸線性增大。當空氣計量比為1時，單元電池和電堆陰極氫氣體積濃度實測值分別達到2%和3%左右。
空氣計量比和陰極氫氣體積濃度關係
雖然根據電流值和計量比可理論計算出陰極氫氣體積濃度值，但實際車用電堆由數百節單電池組成，區域性節及其平面區域性區域發生欠空的機率和輕重度難於估計
。因此，對電堆陰極出口進行氫氣體積濃度測量並針對性開發”稀氫“等操作（如旁通進堆空氣、提升空氣計量比）是策略開發的首選。
02
陽極氮氣積累
為
提高氫氣利用率和水平衡管理
，燃料電池系統中通常對電堆陽極出口混合氣體使用氫氣迴圈泵或引射器進行再迴圈。為提升執行效率併兼顧寬工作區間，氫氣迴圈泵和引射器的並聯方案已逐漸在大功率燃料電池系統中顯露頭角。
現代NEXO燃料電池系統氫迴圈架構
本田FCV Clarity燃料電池系統氫迴圈架構
豐田第一、二代Mirai燃料電池系統氫迴圈架構
在氫氣迴圈過程中，由於陰陽極氣體組分濃度差異，陰氣空氣中的氮氣和水蒸氣會擴散至陽極
。因此，電堆陽極腔體氣體為氫氣、水蒸氣和氮氣的混合氣體。長時間執行後將導致氫氣分壓降低，增加“欠氫”發生的可能性。區域性欠氫可在反相電流機制下促使陰極碳腐蝕，整體欠氫可導致陽極碳腐蝕和產生負電壓，產生不可逆損傷。
因此，執行過程中間歇性開啟排水排氣閥（或排氮閥）進行吹掃以排出積累在陽極的氮氣是燃料電池系統結構設計和策略標定的重要一環。
如果排水排氣閥開啟頻率偏高或開啟時間長，則造成氫氣資源浪費和系統效率低下；如果排水排氣閥開啟頻率偏低或開啟時間短，則陽極雜質多，可能導致單片電壓降低，甚至影響電堆壽命
。
目前，燃料電池系統陽極氫氣濃度監控和管理主要透過
模型計算
、
安裝車載氫氣濃度感測器
、
實驗標定
等方法。受制於感測器的可靠性、精度和成本，安裝車載氫氣濃度感測器的做法尚不成熟。模型估算的方法又存在計算誤差，且極端工況下氫氣濃度計算”失真“。因此，
氫氣濃度檢測裝置輔之以實驗標定正成為燃料電池排氣策略制定的重要手段
。
03
氣體雜質
燃料和氧化劑的品質對車用質子交換膜燃料電池的效能和壽命至關重要。顆粒物和有害氣體對車用燃料電池的影響有：1。
瞬時效能下降
；2。感測器、管路和空壓機等空氣系統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效能量損失
；4。鹽和有害氣體引起
陰陽極催化劑中毒，降低催化劑活性，導致燃料電池效率降低
；5。含硫等氣體導致
燃料電池衰減
。
不同標準對氫燃料的雜質要求（來源於網路）
氫氣的來源較為廣泛，包括化石燃料制氫、工業副產氫和電解水制氫等。當前，車用燃料電池氫氣的來源主要為工業副廠氫，其中天然氣制氫的氣體雜質有CO2、CO和CH4，甲醇重整制氫的氣體雜質有CO2、CO。在燃料電池產品開發中對氫氣進行檢測和品質分析，關係到產品能否得到實際有效驗證；在燃料電池產品使用過程中對氫氣進行雜質分析，關係到氫氣產品的遴選和燃料電池系統的耐久性。因此，作為燃料電池陽極氫氣濃度管理的首要任務，氫氣品質的分析和評價首當其衝。
04
檢測方法
AspecMs行動式電子轟擊質譜儀
目前，維恩科儀（北京）機械自動化裝置有限公司（以下簡稱維恩科儀）提供的基於AspecMs行動式電子轟擊質譜儀的燃料電池汽車尾氣排放多氣體線上分析系統已經得到
長城汽車
和
上海機動車檢測中心
的認可和引入。
該系統能夠以
5
Hz頻率檢測排放氫氣濃度，實現
0.1
ppm最低檢出限的測量，
十毫秒每一組分
的快速檢測，實時測量燃料電池系統和整車真實排放情況。除此之外，還可以實時監測燃料電池出口N2、CO、CO2及其他雜質的濃度變化情況，根據測試結果判斷電池工作狀態變化，從而進行燃料電池效能最佳化。與此同時，AspecMS行動式電子轟擊質譜儀擁有非常優越的便攜性，可以在整車排放實驗間和燃料電池臺架實驗間進行方便移動，讓跨部門、跨實驗室的不同測試專案都得以高效完成。
AspecMs行動式電子轟擊質譜儀使用現場
維恩科儀還提供以
離子分子反應質譜儀
為核心裝置的一系列燃料電池開發相關解決方案，並在國內多家知名主機廠及第三方測試機構都有成熟應用。
基於CombiSense的氫氣雜質快速分析系統
，可完成對總碳氫，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檢測，對單一組分的測量時間達到秒級，對國標要求中所有氣態組分的測量總時長小於50min，精度<±2%，重複性<±3%。這套快速、準確、有效評價車用氫氣品質的整體解決方案，是提升燃料電池開發效率、最佳化燃料電池效能和壽命的重要工具。
氫氣雜質快速分析系統CombiSense
PEMSense則專用於燃料電池開發和測試相關的組分氣體分析
，能快速測量燃料電池的H2，N2，O2，水，氬氣，甲烷和CO2。分析儀配置雙進樣口，一個用於陽極的低流量入口（<60 ml / min），另一個用於陰極和排氣的標準流量入口，分析質量範圍為1–100 amu（200 amu可選），測量範圍從100 ppm到100 Vol％。
PEM燃料電池測試分析儀PEMSense
Hsense則能實時監測燃料電池內H2和He的濃度
，質量範圍2-4 amu，總響應時間小於1秒，且不會受到其他組分的交叉干擾，充分確保測量結果的精準性。針對燃料電池應用，維恩科儀可提供取樣流量< 15 ml/min的專用型號。
高動態氫和氦分析裝置Hsense
瞭解FCV尾氣排放線上分析系統和氫氣雜質快速檢測系統，敬請聯絡維恩科儀010-63290757。
文章轉載自：燃料電池乾貨
部分圖片來源網路
