如何通过控制尾排氢浓度提高燃料电池汽车的安全性

燃料电池汽车运行排出水的同时也会排出少量的氢气。当尾气中氢气含量超过4%时，一旦遇到明火就有发生爆炸危险。作为燃料电池领域的终端产品，使用时的涉氢安全是用户最关心的话题，控制车辆的尾排氢浓度就显得至关重要，通过多重手段降低尾排氢浓度可提高车辆的安全性，并且有助于提高氢气利用率进而减少氢气的消耗。

GB/T 24549-2020 中要求，按照 GB/T 37154-2018 中6.1 怠速热机状态氢气排放章节规定的试验方法进行测试，在进行正常操作(包括启动和停机)时，任意连续3s内的平均氢气体积浓度应不超过 4%，且瞬时氢气体积浓度不超过 8%。常温环境下（23±5℃） M车型在此项测试中连续3s平均最大值和瞬时浓度最大值均为0.03%VOL，结果远低于标准参考值，表现优异。

图1 M车型怠速热机状态氢气排放测试

控制尾排氢浓度的方法大致可分为结构、选型和策略 。通常做法是将燃料电池系统中安装与电堆功率相匹配的氢气循环泵或引射器，将燃料电池堆出口未反应的氢气再循环至燃料电池堆入口，搭配策略的优化来实现尾排氢浓度的控制，从而提高氢气利用率、涉氢安全性。在结构布置上，M车型采用氢气循环泵、气液分离器、排水排氮阀集成化设计（图2），有集成化程度高、重量轻、小型化、成本低的优点。

图2 M车型氢气循环原理图及结构设计

与第一代相同，第二代M车型继续沿用罗茨式氢气循环泵，使用两叶罗茨转子（图3）。通过使用H形密封并设置突起部位，提高了气密性和耐腐蚀性。并进行了轻量化优化，将 转子和壳体材料从不锈钢改为铝材，实现氢气循环泵重量减轻41%。

图3 M车型氢气循环泵及内部构造（铝制两叶罗茨转子）

了解了M车型的控制尾排氢浓度的能力，以及M车型的氢气循环原理和结构，有利于我们对其尾排控制策略的理解。下文将通过对M车型在常温怠速工况下运行的测试及数据分析，对其尾排控制策略进行的研究。车辆怠速时为静置状态，场景一般为等红灯、临时停靠、地下停车场，其中地下停车场为半密闭环境，不利于气体扩散，气体泄漏后易聚集在车底和地库天花板，如图4， 分析怠速尾排氢浓度更具代表性。

图4 车辆在地库中泄漏氢气的扩散过程

本文分析的数据为M车型常温怠速1小时工况，选取中间平稳阶段进行分析。

分析概述：M车型在常温怠速工况下，动力电池SOC的变化决定FC是否发电，动力电池SOC与FC状态周期性变化，当FC发电时，系统会对尾排氢浓度进行控制。

如图5，当动力电池SOC高于50%时，整车高、低压用电由动力电池提供，FC处于热待机状态， 氢气循环泵保持低转速工作，阳极侧压力保持一定压力，电堆无电流输出为热待机状态特征。

图5 动力电池SOC高于50%时运行状态

当动力电池SOC降至50%时，约20s后空气路和氢气路部件开始动作，FC切换至发电状态，在开始的0.1s内，各执行机构设定了高于目标值的尖峰值，目的是 为了使各执行机构快速达到目标工作状态，缩短运行时长，节省能耗，实现快速响应， 见图6。

图6 FC切换至发电状态各执行机构设定值状态

在一个FC状态切换周期中，Purge阀间歇性开启调节阳极侧压力，在4s内开启了3次，每次间隔1.3s，开启总时长为1.4s。 常温怠速工况下Purge时长仅占每个FC状态切换周期（约7min13s）的0.32% 。如图7， 每个FC状态切换周期中发电状态仅持续38s ，即可将动力电池SOC由50%充至55%，DCDC转换效率最高可达98%。而 动力电池（容量为1.24kWh）仅用5%的电量（0.062kWh）便可以维持1个FC状态切换周期的91%时间 （主要用于氢气循环泵低功率运行，空压机低功率脉冲式工作）。

图7 1个FC状态切换周期FC仅发电38s

如图8，在Purge过程中，空气路调压阀旁通阀同时开启一定角度，并在Purge停止之后 延迟2s 再关闭，目的是 降低尾排氢浓度，并将气液混合物顺利带入尾排管路 。当动力电池SOC达到55%时，FC停止发电进入热待机状态后，空气路调压阀和旁通阀开度同时改变，调压阀大角度调整，提高内部压力，旁通阀全开，使更多空气从旁路通过，利用压差进行了 16s的吹扫，进一步降低尾排管路中的氢浓度，并将气液混合物排出车外 。此过程不需要氢泵和空压机等参与， 不需要过多的能量消耗以及执行机构的快速响应 ，因此 没有对执行机构设置高于目标值的尖峰值。

图8 空气路动作降低尾排氢浓度

根据上述分析由此可知，维持合理的动力电池SOC，减少Purge时间和次数；匹配高效的DCDC，实现动力电池快速补能；选用轻量化小型化的BOP，降低附件功耗；执行机构的快速响应，结合Purge周期适时调节空气路的调压阀和旁通阀状态等都是降低氢耗提高涉氢安全的重要手段。

图9  M车型控制尾排氢浓度的方法

本篇内容仅分享了M车型在常温怠速工况下如何控制尾排氢浓度的研究。更多基于CLTC-P循环、启停、持续大功率输出、快速加降载、自动唤醒等工况的分析，积累了更为丰富的M车型如何提高涉氢安全性及氢气利用率，降低氢气消耗量的研究成果。如果对您有帮助，欢迎与我们联系。

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