質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)陽(yáng)極排放技術(shù)研究

胡朝陽(yáng)，田紀(jì)云，張江源，趙麗曼，馮 波

（北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076）

0 引言

當(dāng)前環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為全球關(guān)注的兩大焦點(diǎn)，開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型新能源是必須面臨的重要課題[1]。燃料電池具有高效、清潔、發(fā)電連續(xù)等突出優(yōu)點(diǎn)，成為極具前景的新型能源技術(shù)。質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）系除具有燃料電池所共有的能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、噪聲低和可靠性高等特點(diǎn)外，還由于其工作溫度較低，不存在腐蝕問(wèn)題，電流密度高，響應(yīng)速度快，在軍事、航天和汽車(chē)工業(yè)等諸多領(lǐng)域備受青睞[2-4]。PEMFC 在過(guò)去的十幾年中取得了巨大的進(jìn)展，并占據(jù)了車(chē)用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主導(dǎo)地位[5-7]。

在燃料電池系統(tǒng)中，通常需要向燃料電池陽(yáng)極側(cè)通入計(jì)量比大于1 的氫氣量，因此反應(yīng)后的混合氣中仍然含有大量的氫氣。為了降低成本，提高氫氣利用率，通常在電堆前后并聯(lián)一臺(tái)氫氣循環(huán)泵/引射器，用于氫氣的循環(huán)。未反應(yīng)的氫氣在氫氣循環(huán)泵/引射器的作用下形成循環(huán)氣路。循環(huán)氣路中存在液態(tài)水，該液態(tài)水由燃料電池電堆產(chǎn)生，如果不能及時(shí)將產(chǎn)生的液態(tài)水排出，過(guò)量的液態(tài)水會(huì)隨之進(jìn)入電堆內(nèi)，造成陽(yáng)極水淹。另外循環(huán)氣路中累積的液態(tài)水也會(huì)加重氫循環(huán)泵/引射器的工作負(fù)荷，降低其性能甚至導(dǎo)致故障。因此，需要在燃料電池電堆出口與氫氣循環(huán)泵/引射器之間增設(shè)氣-水分離器，將混合氫氣中的液態(tài)水進(jìn)行分離，而后通過(guò)調(diào)節(jié)排水閥間歇性開(kāi)閉將其排出。

1 氣-水分離器原理

氣-水分離器主要利用流體轉(zhuǎn)向過(guò)程中氣液的比重不同，液體下沉與氣體分離。根據(jù)氣液分離原理，氣-水分離器可以分為旋風(fēng)式、擋板式與凝聚式。本文以氫氧燃料電池發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目用旋風(fēng)式氣-水分離器為例，闡述其利用自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使氣液混合物在分離段中高速旋轉(zhuǎn)，液態(tài)水在離心力的作用下被壁面捕集，借助外旋氣體的拖拽力以及自身的重力作用沿壁面運(yùn)動(dòng)到收集段，最后排出分離器實(shí)現(xiàn)氣水分離。

旋風(fēng)式氣-水分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，有利于更好實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)集成化，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于旋風(fēng)式氣-水分離器同時(shí)要作為分離器和儲(chǔ)存液體的容器，故大部分氣-水分離器采用圓筒形結(jié)構(gòu)而不是錐體結(jié)構(gòu)。從分離的觀點(diǎn)來(lái)看，分離器容器的容量應(yīng)保證漩渦的尾部不與其下部的液面接觸，因此，在分離段與收集段之間設(shè)計(jì)了一個(gè)隔離板，該隔離板的作用是提供一個(gè)接觸面，漩渦的末端在該接觸面上不停旋轉(zhuǎn)，從而避免漩渦與液面接觸。在旋風(fēng)式氣-水分離器工作過(guò)程中，一部分液體在分離器的分離段壁面形成液膜。該液膜不是固定不動(dòng)的，而是在氣流驅(qū)動(dòng)下先沿著分離段的壁面向上移動(dòng)，再沿著頂板徑向向內(nèi)緩緩移動(dòng)，最終沿著排氣管外表面向下流動(dòng)。若是不采取一定的導(dǎo)流措施，這部分液體就會(huì)形成短路流而隨氣體排出。這種現(xiàn)象稱(chēng)為液膜損失，會(huì)降低分離器的分離效率，為了減小液膜損失，在分離器結(jié)構(gòu)中加入撇液板。

圖1 旋風(fēng)式氣-水分離器Fig.1 Gas-water cyclone separator

2 陽(yáng)極排水

燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，陰極側(cè)反應(yīng)產(chǎn)物水通過(guò)擴(kuò)散作用向陽(yáng)極側(cè)擴(kuò)散，隨著反應(yīng)進(jìn)行，陽(yáng)極側(cè)液態(tài)水不斷聚集，如果不及時(shí)進(jìn)行排水會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極側(cè)水淹，氫氣分壓過(guò)低、氫氣與催化劑層的接觸面減小，造成電堆輸出性能下降，甚至出現(xiàn)局部氫饑餓和引起電化學(xué)腐蝕，對(duì)電堆造成不可逆的損傷。因此，需要通過(guò)排水閥間歇性開(kāi)閉，有效地排出陽(yáng)極氫回路累積的液態(tài)水。

陽(yáng)極排水過(guò)程主要面臨以下兩個(gè)問(wèn)題：陽(yáng)極壓力隨排水過(guò)程波動(dòng)，排水過(guò)程對(duì)燃料電池系統(tǒng)輸出性能穩(wěn)定性有影響。排放策略主要包括改變排水時(shí)長(zhǎng)、排水間隔和基于不同排水觸發(fā)條件實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極排水。其中，改變排水時(shí)長(zhǎng)和排水間隔是通過(guò)試驗(yàn)探索并驗(yàn)證系統(tǒng)在不同工作電流點(diǎn)下適宜的排水時(shí)長(zhǎng)和排水間隔。排水間隔設(shè)置過(guò)短會(huì)造成頻繁排水，降低氫氣利用率且不利于陽(yáng)極流道壓力穩(wěn)定；排水間隔設(shè)置過(guò)長(zhǎng)可能造成液態(tài)水的積累，不利于系統(tǒng)高效率運(yùn)行。排水時(shí)長(zhǎng)較短時(shí)，單次排水量減少，不利于清除流道內(nèi)的液態(tài)水；排水時(shí)長(zhǎng)太長(zhǎng)則可能造成氫氣利用率的下降，因此排水間隔和排水時(shí)長(zhǎng)的選擇十分重要。不同排水觸發(fā)條件為基于電堆電壓降進(jìn)行排水，單片電壓的變化與電堆實(shí)時(shí)性能緊密關(guān)聯(lián)，運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的水淹、膜干、氮濃度過(guò)高等情況都會(huì)明顯反映在單片電壓上。但運(yùn)行過(guò)程中溫度、濕度變化對(duì)單片電壓變化也有較大影響，動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中基于單片電壓降的排放策略需要排除溫度、濕度變化影響。

綜上分析，排水過(guò)程對(duì)陽(yáng)極流道壓力、單片電壓穩(wěn)定、氫氣利用率等方面都有明顯影響，不同排放策略的選擇對(duì)幫助排水和氫氣利用率的提高十分重要。因此，排水過(guò)程應(yīng)以最小化陽(yáng)極壓力波動(dòng)、最小化輸出性能波動(dòng)和氫氣利用率最高為目標(biāo)，制定適宜的排放策略。

鑒于氣-水分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，在燃料電池系統(tǒng)中常選擇基于對(duì)燃料電池堆產(chǎn)生的電流積分的排水策略。通過(guò)燃料電池堆的輸出電流與經(jīng)過(guò)時(shí)間積分獲得電流積分值，估算燃料電池堆中的燃料反應(yīng)量?；诠浪惴磻?yīng)量，控制排水閥允許或阻止分離器中存儲(chǔ)的液體排出。當(dāng)估算的反應(yīng)量等于或大于預(yù)定的反應(yīng)量時(shí)，排水閥打開(kāi)。通過(guò)從根據(jù)燃料電池要求工況點(diǎn)設(shè)定的目標(biāo)壓力，減去由壓力傳感器測(cè)量的燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的壓力而獲得的值等于或大于預(yù)定壓力差時(shí)，排水閥關(guān)閉。

由于燃料電池堆的運(yùn)行狀態(tài)不同，導(dǎo)致氣-水分離器中儲(chǔ)存的液態(tài)水的量不是恒定的，因而存在不能準(zhǔn)確判斷分離器的水位問(wèn)題，故該排水策略的控制精度較低、可靠性差。并且燃料電池電堆的輸出電流經(jīng)過(guò)時(shí)間積分獲得電流積分值需要編寫(xiě)算法程序，使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜。

3 氣-水分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)旋風(fēng)式氣-水分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的氣-水分離器如圖2所示。保留原氣-水分離器隔離板及其以上部分不變，在收集段集成液位傳感器，自收集段底部至液位計(jì)中心位置為分離器儲(chǔ)液容積，優(yōu)化后氣-水分離器儲(chǔ)液容積與原氣-水分離器保持一致。此時(shí)，在燃料電池系統(tǒng)中可使用基于液位開(kāi)關(guān)控制的排水策略。當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到氣-水分離器內(nèi)的水位等于或高于預(yù)定排水水位時(shí)，排水閥打開(kāi)以排出儲(chǔ)存的水。通過(guò)試驗(yàn)探索并驗(yàn)證系統(tǒng)在不同工作電流點(diǎn)下適宜的排水時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)排水時(shí)長(zhǎng)滿(mǎn)足設(shè)定值時(shí)，排水閥關(guān)閉，以防止氫氣泄漏，確保燃料電池系統(tǒng)的氫氣利用率保持在一個(gè)較高水平。氣-水分離器中儲(chǔ)存的液態(tài)水的量是恒定的，通過(guò)液位傳感器可準(zhǔn)確判斷分離器的水位是否到達(dá)預(yù)定排水水位，故該排水策略控制精度高、可靠性高。且燃料電池控制系統(tǒng)中不需要編寫(xiě)復(fù)雜的算法程序，而是通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制排水閥的開(kāi)閉，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制。從圖2可以看出，優(yōu)化后的氣-水分離器不僅能夠與加熱排水閥集成，而且其儲(chǔ)液容積可根據(jù)客戶(hù)需求定制。

圖2 優(yōu)化后的氣-水分離器Fig.2 Optimized gas-water separator

氣-水分離器集成液位傳感器后達(dá)到了精確控制燃料電池系統(tǒng)中排水閥開(kāi)啟的目的，但還需通過(guò)試驗(yàn)對(duì)不同工作電流點(diǎn)下適宜的排水時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)定。為避免較為繁瑣的標(biāo)定工作，可在收集段增設(shè)兩個(gè)液位傳感器，即在上/下準(zhǔn)位各安裝一只液位傳感器，如圖3所示，液位傳感器如圖4所示。被分離出的液態(tài)水使分離器分離段液面逐漸上升，直到完全浸濕上位液位傳感器后，排水閥打開(kāi)；當(dāng)液態(tài)水排出后液面逐漸下降，降至下位液位傳感器完全露出水面，排水閥關(guān)閉，使液面維持在上、下液位傳感器之間。

圖3 收集段雙液位傳感器布置Fig.3 Layout of dual liquid level sensors arranged in the collection section

圖4 液位傳感器Fig.4 Liquid level sensor

優(yōu)化后的氣-水分離器內(nèi)裝有液位傳感器，當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到分離器內(nèi)的水位等于或高于預(yù)定排水水位時(shí)，排水閥打開(kāi)以排出儲(chǔ)存的水；不再基于對(duì)燃料電池堆產(chǎn)生的電流積分得到電流積分值，當(dāng)電流積分值達(dá)到預(yù)定的恒定值時(shí)打開(kāi)排水閥。通過(guò)對(duì)氣-水分離器進(jìn)行優(yōu)化，將燃料電池系統(tǒng)排水閥復(fù)雜的算法控制轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，簡(jiǎn)化了燃料電池系統(tǒng)的控制程序，提高了系統(tǒng)的控制精度，在燃料電池系統(tǒng)各種工況下均可以穩(wěn)定運(yùn)行，可靠性高。該氣-水分離器適用于電堆功率120 kW 以下氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)氫氣循環(huán)回路的氣液分離，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、終身免維護(hù)、零功耗、分離效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)儲(chǔ)液容積可根據(jù)用戶(hù)需求調(diào)整，滿(mǎn)足低流阻的要求，能夠與加熱排水閥集成，可在低溫下運(yùn)行，防護(hù)等級(jí)為IP67。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將優(yōu)化后的氣-水分離器集成到氫氧燃料電池發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目試驗(yàn)臺(tái)架，首先進(jìn)行基于對(duì)燃料電池堆產(chǎn)生的電流積分排水策略試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后通過(guò)改寫(xiě)程序進(jìn)行基于液位開(kāi)關(guān)控制的排水策略試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試方法和步驟同上。

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)架狀態(tài)檢查、測(cè)控狀態(tài)檢查、供電設(shè)備和電子負(fù)載狀態(tài)檢查等準(zhǔn)備工作。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行程序，開(kāi)機(jī)完成后現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出變工況指令，各個(gè)工況運(yùn)行5 min左右，關(guān)注變工況過(guò)程中的壓力變化，各個(gè)穩(wěn)定工況下收集排氣排水量；觀察單片電壓的均勻性和變化情況；關(guān)注冷卻液路三通閥和散熱風(fēng)扇開(kāi)啟情況，關(guān)注燃料電池入口冷卻液溫度是否穩(wěn)定；關(guān)注氫排水閥打開(kāi)時(shí)的穩(wěn)壓情況，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整排水間隔。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，重點(diǎn)分析運(yùn)行過(guò)程中氫排水閥對(duì)前端壓力以及對(duì)單片電壓的影響，判斷是否實(shí)現(xiàn)排雜氣、脈排吹水等功能；分析變工況條件下單片電壓的變化情況，以及燃料電池的極化曲線(xiàn)；根據(jù)氫氧流量和發(fā)電量計(jì)算氫氣利用率。優(yōu)化后穩(wěn)定運(yùn)行程序流程圖如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后穩(wěn)定運(yùn)行程序流程圖Fig.5 Optimized stable operational program flow chart

圖6為基于燃料電池堆產(chǎn)生的電流積分排水策略的氫排水閥開(kāi)啟關(guān)閉對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架燃料電池氫氣路進(jìn)口壓力P21、出口壓力P22 的影響。其中，1 為氫排水閥開(kāi)啟，0 為氫排水閥關(guān)閉。從圖6 可以看出，氫排水閥開(kāi)啟瞬間，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突降，但壓力降不超過(guò)8 kPa，氫排水閥關(guān)閉后P21、P22 會(huì)上升，但壓升均值不超過(guò)4 kPa，因此氫排水閥對(duì)氫氣路壓力影響較小。

圖6 基于電流積分排水策略的氫排水對(duì)氫壓力的影響Fig.6 Effect of hydrogen drainage on hydrogen pressure based on current integral drainage strategy

圖7 為優(yōu)化后氫排水閥開(kāi)啟關(guān)閉對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架燃料電池氫氣路進(jìn)口壓力P21、出口壓力P22 的影響。其中，1 為氫排水閥開(kāi)啟，0 為氫排水閥關(guān)閉。從圖7可以看出，氫排水閥開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)，P21、P22的壓差波動(dòng)在3 kPa 以?xún)?nèi)，因此氫排水閥對(duì)氫氣路壓力幾乎不造成影響。

圖7 優(yōu)化后氫排水對(duì)氫壓力的影響Fig.7 Effect of hydrogen drainage on hydrogen pressure after optimization

通過(guò)將該氣-水分離器集成到30 kW 氫氧燃料電池發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目試驗(yàn)臺(tái)架，完成了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)排水閥間歇性排放策略?xún)?yōu)化，系統(tǒng)在排水過(guò)程中陽(yáng)極壓力波動(dòng)范圍較小、電堆輸出性能穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算氫氣利用率在95%以上（包含排氣閥間歇性排放），保障了30 kW氫氧燃料電池發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收。

5 應(yīng)用前景

隨著我國(guó)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的逐步臨近，國(guó)內(nèi)節(jié)能減排政策和措施會(huì)愈加嚴(yán)格。在《中國(guó)制造2025》路線(xiàn)圖中，關(guān)于新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，未來(lái)十年發(fā)展路線(xiàn)圖已經(jīng)繪就。國(guó)家及地方各級(jí)政府也已出臺(tái)了一系列的法規(guī)和政策來(lái)鼓勵(lì)氫燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，預(yù)計(jì)在2025年生產(chǎn)5000輛氫燃料電池汽車(chē)，在2030年達(dá)到數(shù)十萬(wàn)量的規(guī)模，市場(chǎng)容量可達(dá)千億級(jí)，氣-水分離器作為燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，市場(chǎng)前景巨大[8-10]。后續(xù)將優(yōu)化后的氣-水分離器集成到80 kW 商業(yè)化應(yīng)用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)上繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)研究，為燃料電池汽車(chē)的進(jìn)一步推廣使用奠定基礎(chǔ)。