氫燃料電堆運(yùn)行環(huán)境全時(shí)域服務(wù)及控制系統(tǒng)研究

吳洪亭, 趙子龍, 張忠東, 孟國(guó)慶, 邢化嶺, 王照亮

(中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000)

氫燃料電池的氫氣和氧氣的輸入壓力、流量、濃度及電堆工作溫度均會(huì)直接影響電堆的使用壽命及工作效率[1]。為實(shí)現(xiàn)燃料電池高性能及長(zhǎng)壽命,需要為燃料電池提供適宜的工作環(huán)境,氫氣和氧氣濃度過(guò)低會(huì)影響電堆壽命[2],供氣壓力過(guò)高會(huì)破壞電堆本體,供氣壓力過(guò)低會(huì)影響燃料電池反應(yīng)。氫燃料電池對(duì)冷卻液的離子濃度要求較高,電導(dǎo)率過(guò)高會(huì)降低燃料電池內(nèi)部離子反應(yīng)速率[3],低電導(dǎo)率能夠保持燃料電池內(nèi)部離子反應(yīng)持久、穩(wěn)定地運(yùn)行在高效區(qū)間。因此,本文提出一種氫燃料電堆運(yùn)行環(huán)境全時(shí)域服務(wù)及控制系統(tǒng)[1]。

1 技術(shù)架構(gòu)

本文提出的氫燃料電堆運(yùn)行環(huán)境全時(shí)域服務(wù)及控制系統(tǒng)包括電堆、冷卻循環(huán)子系統(tǒng)、空氣供給循環(huán)子系統(tǒng)、氫氣供給循環(huán)子系統(tǒng)。其中電堆與各系統(tǒng)分別連接,空氣供給循環(huán)子系統(tǒng)為電堆提供加濕的空氣,氫氣供給循環(huán)子系統(tǒng)為電堆提供氫氣;冷卻循環(huán)子系統(tǒng)包括與電堆連接的進(jìn)液管路、出液管路。典型技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。本文主要論述除電堆外的其余幾個(gè)子系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

1.1 冷卻循環(huán)子系統(tǒng)組成及作用

冷卻循環(huán)子系統(tǒng)的組成如圖2所示,其主要作用是為電堆提供適宜的溫度環(huán)境。

1-去離子器; 2-電加熱器; 3-機(jī)械三通閥; 4-電導(dǎo)率儀; 5-水泵; 6-壓力傳感器; 7-溫度傳感器; 8-過(guò)濾器; 9-溫度傳感器; 10-出液管路; 11-進(jìn)液管路圖2 冷卻循環(huán)子系統(tǒng)組成框圖

1) 進(jìn)液管路11上設(shè)置去離子器1、機(jī)械三通閥3、水泵5。去離子器用于吸附冷卻液中的導(dǎo)電離子,降低冷卻液電導(dǎo)率;水泵進(jìn)行冷卻液管路中冷卻液的輸送。去離子器位于冷卻液進(jìn)口后,通過(guò)機(jī)械三通閥與水泵連接。

2) 出液管路10上設(shè)置電導(dǎo)率儀4、過(guò)濾器8。電導(dǎo)率儀用于監(jiān)測(cè)冷卻液導(dǎo)電離子濃度,并將采集到的信息反饋至控制器;過(guò)濾器用于過(guò)濾冷卻液中的雜質(zhì);電導(dǎo)率儀與控制器連接?？刂破鞲鶕?jù)冷卻液離子濃度情況控制去離子器的工作狀態(tài)。

4) 進(jìn)液管路11設(shè)置壓力傳感器6、溫度傳感器7,出液管路10設(shè)置溫度傳感器9;壓力傳感器6監(jiān)測(cè)、采集進(jìn)堆側(cè)冷卻液壓力;溫度傳感器7監(jiān)測(cè)、采集進(jìn)堆側(cè)冷卻液溫度;溫度傳感器9監(jiān)測(cè)、采集出堆側(cè)冷卻液溫度。

5) 去離子器1、水泵5、壓力傳感器6、溫度傳感器7、溫度傳感器9均與控制器連接。壓力傳感器、溫度傳感器、電導(dǎo)率儀將信號(hào)實(shí)時(shí)反饋至控制器,控制器根據(jù)接收的信號(hào)控制去離子器、水泵、電加熱器的工作狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō),溫度傳感器監(jiān)測(cè)到進(jìn)液管路和出液管路的溫度值低于設(shè)定值時(shí),控制器控制電加熱器對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱[4];控制器控制水泵以一定供液壓力給電堆提供冷卻液,壓力傳感器監(jiān)測(cè)到進(jìn)液管路的壓力值低于設(shè)定值時(shí),增大水泵的壓力,高于設(shè)定值時(shí)減小水泵的壓力[5],以保證合理的流量及均勻的溫度分布[6]。

6) 實(shí)際方案中,進(jìn)液管路會(huì)設(shè)置散熱器對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫;出液管路與透氣口連通。

1.2 空氣供給循環(huán)子系統(tǒng)組成及作用

空氣供給循環(huán)子系統(tǒng)的組成如圖3所示,其主要作用是為電堆提供適宜流量和溫濕度的空氣。

圖3 空氣供給循環(huán)子系統(tǒng)組成框圖

1) 增濕器通過(guò)空氣進(jìn)氣管路、空氣出氣管路與電堆連接,形成循環(huán)回路;增濕器與空氣進(jìn)口、空氣出口連通。增濕器用于空氣進(jìn)氣的增濕;增濕器重新利用部分尾排氣體中的水,加濕進(jìn)堆空氣后輸送給電堆,并將剩余尾氣排出。

2) 空氣進(jìn)氣管路上設(shè)置濕度傳感器,并與控制器連接。濕度傳感器用于采集空氣進(jìn)氣側(cè)的濕度,并將采集到的信號(hào)實(shí)時(shí)反饋至控制器?？刂破鞲鶕?jù)空氣濕度情況控制增濕器的工作狀態(tài),將空氣濕度控制在合理閾值范圍內(nèi)[7]。

3) 增濕器的出氣管路上設(shè)置尾排截止閥,用于尾氣排放,同時(shí)實(shí)現(xiàn)排空側(cè)與外部環(huán)境的隔離。

1.3 氫氣供給循環(huán)子系統(tǒng)組成及作用

氫氣供給循環(huán)子系統(tǒng)的組成如圖4所示,其主要作用是為電堆提供適宜流量和溫濕度的氫氣。

12-壓力傳感器; 13-氫氣出氣管路; 14-水汽分離器; 15-單向閥; 16-電磁閥; 17-比例閥; 18-氫氣過(guò)濾器; 19-引射器; 20-氫氣進(jìn)氣管路; 21-壓力傳感器圖4 氫氣供給循環(huán)子系統(tǒng)組成框圖

1) 氫氣進(jìn)氣管路20、氫氣出氣管路13均與電堆連接,氫氣進(jìn)氣管路設(shè)置氫氣過(guò)濾器18、比例閥17、電磁閥16,電磁閥與氫氣進(jìn)口連通,控制氫氣供給的通斷,同時(shí)控制氫氣管路的壓力與流量;比例閥控制氫氣流量;氫氣過(guò)濾器過(guò)濾氫氣中的雜質(zhì)[8]。

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2) 氫氣出氣管路13上設(shè)置水汽分離器14、單向閥15,水汽分離器用于分離電堆排氫側(cè)的水和氫氣;單向閥控制氫氣的走向,防止氫氣逆流。

3) 氫氣進(jìn)氣管路20上設(shè)置壓力傳感器21,氫氣出氣管路13上設(shè)置壓力傳感器12,壓力傳感器21對(duì)氫氣進(jìn)堆側(cè)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè),用于采集電堆進(jìn)氫側(cè)的壓力;壓力傳感器12對(duì)氫氣出堆側(cè)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè),用于采集電堆排氫側(cè)的壓力。

4) 電磁閥16、比例閥17、壓力傳感器12、壓力傳感器21均與控制器連接,控制器根據(jù)電堆進(jìn)氫側(cè)、排氫側(cè)的壓力大小調(diào)整電磁閥、比例閥的開閉及開合程度[9]。

5) 氫氣進(jìn)氣管路20和水汽分離器14之間連接引射器19,引射器用于將水汽分離器中分離出來(lái)的氫氣進(jìn)行再次循環(huán)利用[10]。

6) 電堆通過(guò)控制/電源線路與控制器連接,連接線路用于電力傳輸與信號(hào)輸送。

2 效果對(duì)比

本文提出的氫燃料電堆運(yùn)行環(huán)境全時(shí)域服務(wù)及控制系統(tǒng)的改善效果明顯,為電堆的高效及長(zhǎng)壽命提供保障。

1) 控制器根據(jù)傳感器采集信息,控制電加熱器及水泵的運(yùn)行程度,保證電堆在適宜的溫度區(qū)間工作,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)熱管理?？蓪?shí)際溫度有效控制在設(shè)定溫度的±1 ℃偏差范圍內(nèi),較常規(guī)冷卻循環(huán)±3 ℃的溫控精度大幅提升。

2) 通過(guò)對(duì)冷卻液進(jìn)行離子監(jiān)測(cè),控制去離子器進(jìn)行離子吸附及雜質(zhì)過(guò)濾,保證冷卻液的離子濃度,實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率≤3 μS/cm,較常規(guī)≤5 μS/cm電導(dǎo)率控制大幅提升。

3) 通過(guò)對(duì)氫氣減壓、過(guò)濾及循環(huán),實(shí)現(xiàn)氫氣管路的壓力精密控制與調(diào)節(jié),保證進(jìn)堆氫氣壓力穩(wěn)定且適宜的同時(shí),氫氣使用效率較常規(guī)系統(tǒng)提高5%。

4) 通過(guò)濕度控制,能夠?qū)⑦M(jìn)堆空氣的濕度根據(jù)電堆所需的最優(yōu)濕度作出快速調(diào)整,保證進(jìn)入電堆空氣的濕度在適宜范圍內(nèi),同時(shí)使提供給電堆的進(jìn)氣能夠滿足不同工況和環(huán)境的要求?？蓪?shí)際溫度有效控制在設(shè)定溫度的±1 ℃偏差范圍內(nèi),較常規(guī)冷卻循環(huán)±3 ℃的控制精度大幅提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的氫燃料電堆運(yùn)行環(huán)境全時(shí)域服務(wù)及控制系統(tǒng),為電堆提供了全時(shí)域適宜的工作環(huán)境,提升電堆在低溫、高海拔等極限條件下的可靠性能;能夠監(jiān)測(cè)與降低冷卻液的電導(dǎo)率,進(jìn)一步提升燃料電池反應(yīng)速率;提供適宜流量、壓力、濕度的氫氣與空氣,提高了電堆工作效率,延長(zhǎng)了電堆使用壽命。