氢燃料电池汽车排氢阀工作特性研究

云天灯

摘 要：氢燃料电池汽车排氢阀，直接关系着氢燃料电池汽车电堆的性能及其安全。氢燃料电池汽车行驶时，排氢阀处于打开或是关闭状态。打开时，把阳极侧少部分的水和混合气体排到大气中，使得氢气浓度保持较高水平，电堆转化效率不至于降低过多;关闭时，使得阳极能够保持足够的工作压力，使得电堆保持较好的转化效率。文章说明了氢燃料电池汽车的排氢阀的在燃料电池系统中的作用、工作原理、开启时间。

关键词：氢燃料电池汽车;排氢阀;阳极;阴极;响应时间;外泄漏;内泄漏

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）14-08-03

Abstract： The hydrogen valve of hydrogen fuel cell vehicle is directly related to the performance and safety of hydrogen fuel cell vehicle stack. When the hydrogen fuel cell vehicle is running， the purge valve is open or closed. When it is opened， a small part of the water and mixed gas at the anode side are discharged into the atmosphere， so that the hydrogen concentration is kept at a high level， and the conversion efficiency of stack is not reduced too much; when it is closed， it can maintain sufficient working pressure， so that the stack can maintain a good conversion efficiency. This paper describes the function， working principle and opening time of the purge valve in the fuel cell system of the hydrogen fuel cell vehicle.

Keywords： Hydrogen fuel cell vehicle; Purge valve; Anode; Cathode; Response time; External leakage; Internal leakage

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）14-08-03

引言

燃油车[1]的巨大保有量给化石资源和大气环境带来了很大压力。随着排放标准的日益严苛，绿色清洁、零排放的燃料电池汽车越来越引起大家的重视。氢燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置產生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气。与通常的电动汽车比较， 其动力方面的不同在于氢燃料电池汽车用的电力来自车载燃料电池装置，电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此，氢燃料电池汽车的关键是氢燃料电池。

文献说明了氢燃料电池汽车排氢阀在燃料电池系统中的位置，并解释了排氢阀的工作原理，以及实际应用中的工作特性。

近几年来，氢燃料电池汽车应用开始有了一定的发展，年产量也有几千辆，但是鲜见于文献。本文主要介绍了氢燃料电池汽车的工作原理、排气阀的工作原理、排氢阀的应用研究。

1 氢燃料电池汽车

燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置，而氢燃料电池实质是一种质子交换膜燃料电池（PEMFC）[2]，发电的基本原理是：电池的阳极（燃料极）输入氢气（燃料），氢分子（H2）在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子（H+）和电子（e-），H+穿过燃料电池的电解质层向阴极（氧化极）方向运动，e-因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴在电池阴极输入氧气（O2），氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子（O），与通过外部电路流向阴极的e-和燃料穿过电解质的H+ 结合生成稳定结构的水（H2O），完成电化学反应放出热量。这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的，只要阳极不断输入氢气，阴极不断输入氧气，电化学反应就会连续不断地进行下去，e-就会不断通过外部电路流动形成电流，从而连续不断地向汽车提供动力。

2 排氢阀

2.1 排氢阀的作用

排氢阀位于氢燃料电池系统氢气回路中，阳极侧电堆未反应的氢气及阴极侧渗透过来的氮气、水，会流经水分（气水分离器），水分把大部分液态水分离出去，剩余少部分的水和混合气体经过排氢阀而排到大气中[3]。

排氢阀打开时把阳极侧少部分的水和混合气体排到大气中，使得电堆反应的氢气浓度高，转化效率不至于降低过多;关闭时，使得阳极能够保持足够的工作压力，使得电堆保持较好的转化效率。

2.2 排氢阀工作原理

阀打开或关闭时，通过动铁芯[4]的上下运动来实现[5]，原理图见图2。

阀通电时，在线圈磁场作用下，静铁芯把动铁芯吸起，弹簧受压缩，此时动铁芯和静铁芯吸合，动铁芯和阀座分离，流体可以从入口流动至出口。

阀断电时，线圈磁场消失，动铁芯和静铁芯分离，在弹簧回复和动铁芯自重的作用下，动铁芯压紧在阀座上，从而切断了流体从入口流至出口。

2.3 排氢阀开启、关闭时间

排氢阀开启、关闭时间[6]，主要随着燃料电池系统功率的变化而变化。随着系统功率的提升，进入排氢阀的混合气（氮气、氢气等）和水越来越多，因此为了更多地排走混合气和水，其关闭时间（两次开启的间隔时间）越短，而开启时间（开启维持时间）越长。由于排氢阀开启时，部分氢气会排放到大气中，所以氢气利用率会下降且引起阳极侧的压力波动;而如果排氢阀不开启，则阳极侧的氮气会越来越多，影响电堆氧气/氢气的过量系数，从而会影响电堆的转化效率。

图3是燃料电池系统的关闭时间随着系统功率的变化情况，共有4组数据。

图4是燃料电池系统的开启维持时间随着系统功率的变化情况，也共有4组数据。

为了使电堆达到较高的转化效率、较小的阳极侧压力波动，需要分别组合测试关闭时间A＼B＼C＼D和开启维持时间a＼b＼c＼d，即表1的16组数据分别测试。测试后，选择满足转化效率最高、压力波动最小的最优组合。

2.4 排氢阀通径和开启维持时间的关系

3 结论

随着氢燃料电池汽车的发展，安全性要求的越来越高，燃料电池系统的响应性越来越高，因此对排氢阀的泄漏性、响应时间也越来越高，所以排氢阀的优化设计、试验验证将越来越重要，本文献可起到一定的指导作用。

参考文献

[1] 黎帅.电动汽车热管理系统设计及应用进展[J].汽车实用技术， 2019年第13期， 8-10.

[2] 王洪建，程健，张瑞云等.质子交换膜燃料电池应用现状及分析[J].热力发电， 2016年第3期，1-7.

[3] 小山贵志，小牧克哉，若月一稔，等.燃料电池系统.日本[P].

[4] 谈家彬，孟溢，魏源送，等.一种常开型直动式电磁阀.中国[P].

[5] 孙艳永，吴炎花，谢萍，等.一种燃料电池氢气系统的排氢电磁阀.中国[P].

[6] 仝玉华，吕宪勇，宋国梁等.燃料电池排氢阀控制方法.中国[P].