燃料電池氫氣排氣管路堵水的研究

馮 軒,韓國鵬,高偉堯,汪星華,王艷琴,劉 楠,趙麗麗

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司,河北 唐山 063035)

氫能作為一種清潔高效的能源在未來擁有越來越廣闊的應(yīng)用前景[1]。氫燃料電池作為一種新的綠色能源技術(shù)正逐漸被應(yīng)用在有軌電車上,與現(xiàn)有接觸網(wǎng)式有軌電車相比,燃料電池有軌電車配備燃料電池發(fā)電系統(tǒng),不依賴接觸網(wǎng)牽引供電系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)全程無網(wǎng)運行,具有節(jié)能環(huán)保、載運量大、舒適便捷等特點,是一種新型的有軌電車模式[2]。2016年,中車唐山機(jī)車車輛有限公司研制的世界首列商用型氫燃料混合動力100%低地板現(xiàn)代有軌電車下線[3]。該車采用模塊化設(shè)計,解決了常規(guī)有軌電車需架設(shè)接觸網(wǎng)以及普通儲能式有軌電車?yán)m(xù)航里程短的“瓶頸”問題,充分發(fā)揮了氫燃料電池與現(xiàn)代有軌電車的優(yōu)點[4]。由于氫燃料有軌電車使用燃料電池作為動力源,燃料電池的工作性能將直接影響有軌電車的運行,因此在裝車之前需要對其進(jìn)行地面試驗,確保燃料電池能夠按照功率需求正常運行,滿足車輛的使用性能。

1 燃料電池系統(tǒng)工作原理

1.1 燃料電池發(fā)電原理

氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,通過使用氫氣作為燃料,產(chǎn)生電能和熱能,最后的生成物為水,清潔環(huán)保。

氫燃料電池堆主要由陽極、陰極和電解液等部分構(gòu)成[5],如圖1所示。

圖1 燃料電池工作原理

高壓氫氣經(jīng)過減壓閥調(diào)壓后進(jìn)入燃料電池陽極側(cè),在催化劑的作用下參加反應(yīng),電子通過外電路進(jìn)入到陰極,形成電流。空氣在陰極側(cè)與質(zhì)子在催化劑的作用下生成水[6]。大部分未反應(yīng)的氫氣通過氫氣循環(huán)泵返回燃料電池堆氫氣管道入口被重新利用,少部分氫氣和雜質(zhì)經(jīng)過氫氣排氣閥從空氣排氣口排出。

1.2 氫氣排氣閥原理

試驗用燃料電池氫氣側(cè)的排氣閥為DuPont公司生產(chǎn)的電磁閥,型號為S301-1/4″NPT,不通電時為關(guān)閉狀態(tài),如圖2所示。

圖2 氫氣排氣閥

氫氣排氣閥的工作原理類似于一種系統(tǒng)的“咳嗽”[7]。大部分未反應(yīng)的氫氣通過氫氣循環(huán)泵返回到電堆入口處,一小部分氫氣通過氫氣排氣閥周期性排放,氫氣排氣閥出口管路連接到空氣排氣管路,排出累積在電堆中的雜質(zhì)和空氣側(cè)生成的液態(tài)水,確保氫氣更有效地發(fā)生反應(yīng)。

未反應(yīng)的空氣從電堆出來后經(jīng)過一個單向閥進(jìn)入到空氣排氣管,在這里單向閥相當(dāng)于背壓閥,開啟壓力為0.3～0.5 MPa。本文研究的燃料電池的額定工況條件如表1所示。根據(jù)表1計算得出,當(dāng)燃料電池輸出電流最小時,氫氣側(cè)出口壓力約為3.3 kPa。

2 燃料電池啟動故障分析與處理

某公司生產(chǎn)的燃料電池工作電流范圍為0～175 A,電壓范圍為630～750 V,單體數(shù)目為110片。電堆采用6個模組電氣串聯(lián)結(jié)構(gòu),而空氣供給、氫氣供給和冷卻水循環(huán)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。燃料電池外形如圖3所示。

圖3 燃料電池外形

燃料電池應(yīng)用在軌道車輛上之前需要進(jìn)行試驗,確保其能夠穩(wěn)定運行。試驗室有供氫設(shè)備為燃料電池提供氫氣,燃料電池串聯(lián)一個單向DC/DC電源轉(zhuǎn)換裝置,與母線相連,用于對燃料電池進(jìn)行控制。電子負(fù)載也連接在母線上,模擬實車上的牽引工況,采用能量控制器(ECU)對燃料電池進(jìn)行控制。

2.1 故障現(xiàn)象

在進(jìn)行小功率試驗過程中,從控制軟件監(jiān)測的變量發(fā)現(xiàn)燃料電池的輸出電壓為360 V左右,無法達(dá)到設(shè)定值750 V,由于電壓較低,空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵也不能夠正常運行。

2.2 故障檢查

根據(jù)出現(xiàn)的問題進(jìn)行故障排查,初步判斷是燃料供應(yīng)不暢,發(fā)生了報警。檢查氫氣供應(yīng)電磁閥(SOV-H2)能否正常動作。氫氣供應(yīng)電磁閥拆卸后難復(fù)原會發(fā)生泄露的風(fēng)險,因此讓燃料電池處于上電待機(jī)狀態(tài),采用燃料電池自帶診斷軟件對該閥進(jìn)行開啟/關(guān)閉操作,經(jīng)測試該閥能夠正常動作,排除此處故障。

接下來對氫氣減壓閥(PCV-H4)進(jìn)行檢查,將氫氣減壓閥拆下,外部通電,該閥能夠正常動作,排除此處發(fā)生故障的可能。

最后對氫氣管路上的氫氣排氣閥(SOC-H5)進(jìn)行檢查,拆下后,發(fā)現(xiàn)氫氣排氣管內(nèi)已經(jīng)積累了大量的水,將管道堵塞,如圖4所示。對應(yīng)的三維簡化模型如圖5所示。

圖4 氫氣排氣閥及連接處

圖5 氫氣排氣閥三維簡化模型圖

2.3 原因分析

氫氣排氣管路末端與空氣排氣管路連接在一起,從管路設(shè)計可以發(fā)現(xiàn),氫氣排氣管路位置要低于空氣排氣管路,陰極側(cè)產(chǎn)生的水會流到氫氣排氣閥處逐漸積累,隨著氫氣排氣閥間斷的開啟,水會通過閥進(jìn)入內(nèi)部管路,部分液態(tài)水會隨氫氣循環(huán)泵進(jìn)入電堆,影響反應(yīng)氫氣與催化劑接觸,造成單片電池電壓降低、不均衡,增大離均差,從而觸發(fā)報警,導(dǎo)致停機(jī)。

電堆輸出電流為Ist時,消耗的氫氣流量[8]為:

(1)

式中:WH2為單位時間氫氣的消耗量,Nfc為電堆電體個數(shù),F為法拉第常數(shù),MH2為氫氣的摩爾質(zhì)量。

由于氫氣摩爾質(zhì)量和法拉第常數(shù)可以視作定值,考慮到氣體供應(yīng)過程中的當(dāng)量比,可以得到電堆輸出電流為Ist時需要提供的氫氣流量[9]為:

WH2=1.05×10-5λqNfcIst

(2)

式中:λq為氫氣供應(yīng)的當(dāng)量比。

當(dāng)燃料電池剛啟動時,電堆輸出電流Ist最小14.5 A,可計算出此時氫氣的流量WH2為0.633 g/s。

在氫氣循環(huán)過程中,氫氣排氣閥的吹掃需要1%～2%的氫氣流量[10],可計算出氫氣吹掃的流量為:

WH吹=0.633×0.02=0.012 66 g/s

由此可見,當(dāng)燃料電池輸出電流很小時,用于氫氣吹掃的流量也很小。電堆中水的生成量隨電流增加,并且還取決于單電池的數(shù)量[11]。實際上,離開堆的水為液態(tài)和蒸汽,液態(tài)水的準(zhǔn)確量取決于陰極出口溫度[12]。

FWATER=0.005 6IstNfc

(3)

式中:FWATER為水生成量,mL/min。

因此當(dāng)燃料電池啟動時,水的生成量為:

FWATER=0.005 6×14.5×660=53.592 mL/min

由表1可知,當(dāng)燃料電池以小電流運行時氫氣側(cè)出口壓力約為3.3 kPa,將氫氣排氣閥出口至空氣管路之間的管路(圖5中藍(lán)色L形管路)抽取出來,進(jìn)行仿真計算,如圖6所示。

圖6 L形流道壓力計算云圖

邊界條件:氫氣排氣閥出口速度5.46 m/s,空氣管路出口壓力為大氣壓。

計算方法:模型為湍流模型,采用基于壓力法求解器。

分析圖6中壓力云圖可知,在拐彎處壓力損失最大,約為8.24 kPa,因此當(dāng)燃料電池在小電流工況下較長時間運行或頻繁啟停機(jī)時,陰極側(cè)生成的液態(tài)水會不斷在氫氣排氣管側(cè)積累,而氫氣排氣壓力無法將水排出,發(fā)生堵水現(xiàn)象,造成燃料電池停機(jī)。

2.4 故障處理

為了減少堵水現(xiàn)象的發(fā)生,燃料電池應(yīng)該避免長期在小電流工況下工作和頻繁地啟停機(jī)。

一旦發(fā)現(xiàn)燃料電池啟動時電壓始終無法達(dá)到正常輸出值,可以初步判斷氫氣排氣閥處發(fā)生了堵水,應(yīng)將氫氣排氣閥拆卸下來并把里面的水放出。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,盡量提高氫氣排氣閥的位置,使其與空氣排氣管路處于相同的水平高度,從而減少液態(tài)水的積累。優(yōu)化后的氫氣排氣閥結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的氫氣排氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

針對燃料電池在地面調(diào)試過程中出現(xiàn)的輸出電壓始終過低無法正常啟動的現(xiàn)象,通過故障排查,找出這種現(xiàn)象是由氫氣排氣管路堵水引起的,并得出以下結(jié)論:

(1) 燃料電池陽極側(cè)過多液態(tài)水的積累會嚴(yán)重影響電堆性能,因此要在結(jié)構(gòu)和功能方面充分考慮,將多余的水去除;

(2) 通過分析氫氣排氣閥的工作原理,結(jié)合理論計算和仿真計算分析了堵水產(chǎn)生的原因,并給出了現(xiàn)場處理措施,從后續(xù)的試驗狀況來看,堵水現(xiàn)象不再發(fā)生,處理效果很明顯;

(3) 堵水現(xiàn)象的發(fā)生主要是由于氫氣排氣閥設(shè)計位置不合理造成的,因此提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,對氫氣排氣閥的空間布局具有一定的指導(dǎo)意義。