浅谈燃料电池测试所需压缩空气的设计方案

浅谈 燃料电池测试所需压缩空气的 设计 方案

高朋 沙磊

中汽研汽车工业工程（天津）有限公司 天津 300300

摘要：针对燃料电池的性能和耐久试验，考虑到燃料电池试验工艺对压缩空气的特殊需求，故通过总结和探讨，了解燃料电池堆试验的情况，并提出燃料电池堆的压缩空气供应方案，为此类型的国内的工业设计提供相关依据。

关键词：燃料电池堆试验简介；压缩空气耗量、品质和压力、压缩空气纯化方案；压缩空气管道设计方案。

引言：

随着国家对于燃料电池汽车的大力推广、相关技术的不断完善进步，以及未来燃料电池汽车的应用前景，相关汽车测试机构及汽车研发机构，需依据燃料电池汽车即将规模化、市场化的情况，在满足传统汽车测试和研发业务的前提下，根据相应的国家和行业的法律法规，提前布局燃料电池汽车的相关核心部件和整车的测试、研发业务。

燃料汽车的核心部件为燃料电池，主要由电极、电解质隔膜、集电器组成。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，其具备能量转换高效能、环境亲和性、负荷相应快、运行质量高。针对燃料电池汽车的测试和研发中的众多项目，我们此次主要讨论电堆性能和电堆耐久试验下，试验所需的压缩空气的供应设计。

1. 燃料电池堆试验简介

利用燃料电池堆的测试系统（一般为进口设备），对不同功率的燃料电池进行测试，以此来研究和验证电池堆的性能、耐久性、稳定性。

现阶段，燃料电池堆的待测产品一般不超过1m，且耐久试验工况下，试验时间约为3~4天。待测试的燃料电池堆，试验时需要通入氢气、压缩空气和纯水进行电化学反应。试验准备和试验过程中，需排出电化学反应过程中产生的凝结水，并注意设置各种措施，保证可燃气体浓度在安全界限以内。

2. 燃料电池堆试验所需压缩空气耗量、压力和品质

燃料电池堆试验所需压缩空气主要用于电池内部的电化学反应。其中，压缩空气的设计过程中，主要考虑压缩空气的耗量、压缩空气的品质和压缩空气的压力。

压缩空气的耗量主要与燃料电池堆功率、电化学反应所需氢气耗量等有关。考虑到燃料电池堆测试的工艺情况，并结合已建成试验的实际数据，压缩空气耗量与氢气的耗量一般按照4.5：1进行设计。其中，已建成的燃料电池堆的实测压缩空气耗量，经数据统计，可以按照以下数据进行预估：30KW的燃料电池堆测试台，压缩空气耗量为250m³/h；60KW的燃料电池堆测试台，压缩空气耗量为400m³/h；120KW的燃料电池堆测试台，压缩空气耗量为700m³/h；200KW的燃料电池堆测试台，压缩空气耗量为900m³/h。

燃料电池堆的测试过程中，根据工艺需求，通入电池堆的压缩空气压力一般按照0.60~0.80Mpa进行设计。

压缩空气的品质需求，暂虽然没有明确的规范条文规定，但考虑到燃料电池堆测试过程中的电化学试验，通入的氢气和压缩空气直接参与反应，故可以考虑按照氢气的标准，严格要求压缩空气品质。根据国家规范《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》（GB/T 37244-2018）中的对燃料氢气的要求，压缩空气也需满足此规范的品质要求。压缩空气的具体品质要求标准如下：水（H₂0）≤5μmol/mol；总烃（按照甲烷计）≤2μmol/mol；氧气（O₂）≤5μmol/mol；氦气（He）≤300μmol/mol；氮气（N₂）和氩气（Ar）≤100μmol/mol；二氧化碳（CO₂）≤2μmol/mol；一氧化碳（CO）≤0.2μmol/mol；总硫（按照H₂S计）≤0.004μmol/mol；甲醛（HCHO）≤0.01μmol/mol；甲酸（HCOOH）≤0.2μmol/mol；氨气（NH₃）≤0.1μmol/mol；总卤化物（按照卤离子计）≤0.05μmol/mol；最大颗粒物浓度≤1mg/kg；当甲烷浓度超过2μmol/mol时，甲烷、氮气和氩气的总浓度不准许超过100mol/mol。

3. 燃料电池堆试验所需压缩空气的纯化方案

考虑到燃料电池堆测试所需的压缩空气的品质标准很高，实际设计时需要经过相应的非标纯化设备的处理后，方能够达到此压缩空气品质要求。此非标设备，一般占地面积较大，且设备高度较高，故需要室外设置，请注意规划此纯化设备的设置地点。

考虑到各种压缩空气品质指标对纯化方案投资的不同程度影响，建议试验工艺许可的情况下，适当放宽惰性气体等的指标要求，将设备初投资、日常运行维护、试验需求等各方面要求充分考虑，将各种需求达到平衡后选取设计方案。而且，为了降低纯化方案的投资，应充分考虑利用一般的压缩空气后处理设备，将压缩空气的品质先行处理到国家标准《压缩空气 第1部分：污染物净化等级》（GB/T 13277.1-2008）中的1，2，1的标准要求后，再将干燥净化压缩空气进行纯化处理。这样，可以降低纯化设备的相应处理负荷，达到减少更换填料，节省投资的目的。

空气纯化是利用吸附剂的平衡吸附量随温度升高而降低的特性，采用常温吸附、升温脱附的操作方法，吸附与再生过程称为变温吸附。变温吸附（Temperature Swing Adsorption缩写为TSA）就是在较低温度（常温或更低）下进行吸附，除去空气中的杂质组分；在较高温度下解析吸附的组分，使吸附剂再生，循环使用。简而言之，变温吸附是在两条不同的等温吸附线之间上下移动进行着吸附和解吸过程。变温吸附通常适用于原料气中杂质组分含量低、产品回收率要求较高或难解吸杂质组分的分离过程。除吸附和脱附外，整个变温吸附操作中还包括对脱附后的吸附剂进行再生、冷却等辅助环节。

4. 燃料电池堆试验所需压缩空气管道的设计方案

燃料电池堆的测试，考虑到压缩空气的品质很高，故需要参考《压缩空气站设计规范》（GB 50029-2014）、《洁净厂房设计规范》（GB 50073-2013）等规范要求进行设计。试验室的压缩空气管道应采用环状管网架空敷设方式，管道应选用不锈钢无缝钢管，材质应至少采用内壁电抛光的不锈钢钢管022Crl7Ni12Mo2（316L），管道连接采用氩弧焊焊接连接。阀门宜选用球阀、隔膜阀、波纹管阀。压缩空气管道的布置过程中，应充分考虑各种管道的相关间距要求和施工操作的要求。尤其注意的是，由于压缩空气的品质很高，为避免影响压缩空气品质的各种影响，故管道的强度试验、严密性试验应采用干燥净化压缩空气或高纯惰性气体进行气压试验，不应采用水压试验。

5. 结束语

随着燃料电池汽车的推广和普及，以及燃料电池堆试验工艺的不断调整，相关配套专业也需要不断进步完善。依据不断增加的工程实际，设计单位总结经验教训，提高技术水平，以此促进燃料电池试验的设计方案的优化，满足行业技术、经济等的相关需求。

参考文献：

[1]动力管道设计手册.北京：机械工业出版社，2006.1

[2]压缩空气站设计规范.(GB 50029-2014)

[3]工业金属管道设计规范.(GB50316-2000（2008版）)

[4]洁净厂房设计规范.(GB 50073-2013)

[5]压缩空气 第1部分：污染物净化等级.(GB/T 13277.1-2008)

[6]质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气.(GB/T 37244-2018)

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