叉車燃料電池集水箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫艷永

航天氫能（上海）科技有限公司 上海 200241

0 引言

燃料電池系統(tǒng)車輛具有零排放、長(zhǎng)續(xù)航里程、短加注時(shí)間等特點(diǎn)，可以有效解決傳統(tǒng)燃油車輛帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，有利于社會(huì)減小大氣污染物SO2、NOx、PM排放，促進(jìn)溫室氣體CO2減排[1]。叉車作為廣泛應(yīng)用的工業(yè)車輛，其環(huán)保性也受到越來(lái)越多政府與企業(yè)的關(guān)注。在“碳達(dá)峰”、“碳中和”的政策影響下，氫燃料電池叉車逐漸走進(jìn)人們的視野。

與內(nèi)燃機(jī)叉車相比，以燃料電池為動(dòng)力的叉車不受卡其循環(huán)的限制，燃料電池具有高效率優(yōu)點(diǎn)，而且不產(chǎn)生污染大氣的廢氣。與電動(dòng)叉車相比，燃料電池叉車補(bǔ)給氫氣只需要數(shù)分鐘[2]，彌補(bǔ)了電動(dòng)叉車充電時(shí)間長(zhǎng)缺陷。

質(zhì)子交換膜燃料電池工作過(guò)程中，氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了電子流以及水蒸氣等。燃料電池陰極側(cè)產(chǎn)生大量水汽，水汽進(jìn)入陰極流道。同時(shí)，陰極的水濃度較高，在膜兩側(cè)的水濃度梯度推動(dòng)下，水由陰極向陽(yáng)極傳遞，水的遷移量與水的濃度梯度和膜內(nèi)水的擴(kuò)散系數(shù)成正比，與膜的厚度成反比。陰極側(cè)部分水汽通過(guò)膜滲透到陽(yáng)極側(cè)[3]，則在燃料電池陽(yáng)極側(cè)也出現(xiàn)了水汽，水汽進(jìn)入陽(yáng)極流道。陰極流道和陽(yáng)極流道內(nèi)的水汽沿著各自流道流出燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池陰極流道排出的主要是空氣和水汽，陽(yáng)極流道排出的主要是未反應(yīng)完的氫氣和水汽。

通常情況下，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的水分沒(méi)有被收集，水分被直接排出到燃料電池系統(tǒng)外。應(yīng)用在叉車的燃料電池系統(tǒng)由于場(chǎng)地要求需要對(duì)燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的水分進(jìn)行收集，定時(shí)排放水。為了解決這一問(wèn)題，需要在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)配有進(jìn)行水分收集的集水箱系統(tǒng)。

1 燃料電池集水箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 燃料電池集水箱系統(tǒng)需求分析

根據(jù)燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用在某叉車上的需要，按照燃料電池系統(tǒng)功率和叉車應(yīng)用時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算出燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生4 L的水，考慮到集水箱內(nèi)部上側(cè)需要留有氣體流通空間，集水箱體積要大于4 L。為了便于收集燃料電池排出的水分，集水箱布置在燃料電池系統(tǒng)下部。

為了提高氫氣利用率，燃料電池系統(tǒng)一般配有氫循環(huán)泵或引射器，其作用是把陽(yáng)極流道排出的氣體中的氫氣導(dǎo)入陽(yáng)極流道入口。從氫氣出口排出來(lái)的除反應(yīng)完的氫氣外還摻雜有水，陰極流道側(cè)氮?dú)鈺?huì)滲透到陽(yáng)極流道內(nèi)，氫氣中液態(tài)水直接進(jìn)入燃料電池陽(yáng)極流道入口，大量的液態(tài)水進(jìn)入電堆覆蓋氣體擴(kuò)散層造成水淹，嚴(yán)重影響燃料電池堆的運(yùn)行。為了避免陽(yáng)極排出氣體中的水分不過(guò)多進(jìn)入燃料電池，集水箱系統(tǒng)需要配有汽水分離器，陽(yáng)極流道排出氣體經(jīng)過(guò)汽水分離器，將陽(yáng)極流道排出氣體中的水分分離出來(lái)，分離水分后的氫氣進(jìn)入氫循環(huán)泵或引射器，從汽水分離器分離出的水分在汽水分離器下部聚集，汽水分離器下端需裝有電磁閥，電磁閥打開(kāi)，水通過(guò)集水箱進(jìn)氫口進(jìn)入集水箱。由于陽(yáng)極流道內(nèi)的壓力，電磁閥打開(kāi)時(shí)陽(yáng)極流道排出氣體中的部分氫氣也會(huì)進(jìn)入到集水箱內(nèi)。燃料電池系統(tǒng)陰極流道排出氣體通過(guò)集水箱進(jìn)空氣口，進(jìn)入到集水箱。

集水箱中氣體需要排到水箱外，集水箱上需配氣體出口，集水箱中的氣體中夾帶水分，水平或向下的氣體出口布置會(huì)導(dǎo)致出口有很多水流出，所以氣體出口需要向上。氣體出口需要向上延伸一段高度，集水箱中夾帶水分的氣體沿著這段管路上升過(guò)程中，由于重力作用，使夾帶的水分掉落回集水箱內(nèi)。

在燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，集水箱中的水不斷累積，集水箱內(nèi)液位漸漸升高，導(dǎo)致集水箱內(nèi)上部留給空氣流通的空間逐漸減少，減少到一定程度后氣體不能順利流動(dòng)，燃料電池排出氣體不能正常流出，燃料電池內(nèi)水分也不能排出，導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)陰極流道的反應(yīng)氣體不能到達(dá)催化劑表面[4]，燃料電池性能下降，嚴(yán)重時(shí)，燃料電池系統(tǒng)降功率運(yùn)行甚至停機(jī)。當(dāng)集水箱內(nèi)液位達(dá)到一定高度時(shí)，需要及時(shí)將集水箱內(nèi)的水排出，集水箱系統(tǒng)需配有排水電磁閥，集水箱系統(tǒng)也需配液位傳感器，當(dāng)集水箱內(nèi)液位達(dá)到一定高度時(shí)，液位傳感器感測(cè)到液體，傳遞信號(hào)到燃料電池系統(tǒng)控制器，在燃料電池系統(tǒng)顯示面板上顯示液位過(guò)高，液位報(bào)警。操作人員根據(jù)顯示面板提示，打開(kāi)排水開(kāi)關(guān)，排水電磁閥打開(kāi)，集水箱內(nèi)的水被排出。根據(jù)對(duì)集水箱系統(tǒng)的需求，建立了集水箱系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 集水箱系統(tǒng)原理圖

1.2 燃料電池集水箱設(shè)計(jì)

由于燃料電池系統(tǒng)排出水分具有一定腐蝕性，所以集水箱采用不銹鋼304材料，經(jīng)過(guò)鈑金折彎焊接加工制成。集水箱的固定支架被焊接在集水箱兩側(cè)面靠近底部部位，固定支架上有孔，用于螺栓固定集水箱。在集水箱頂面焊接有進(jìn)氫口接頭、進(jìn)空氣口接頭和出氣口接頭，進(jìn)氫口接頭通過(guò)硅膠管與汽水分離器排水出口連接，進(jìn)空氣口接頭通過(guò)硅膠管與燃料電池陰極流道出口連接。集水箱出氣口接頭上接有硅膠管，硅膠出口向上，并與大氣相通，用于排出集水箱內(nèi)的氣體，氣體中部分水分在硅膠管上升過(guò)程中掉落水箱中。

集水箱底部有集水箱排水孔和固定排水電磁閥螺紋孔，排水孔在底部的設(shè)計(jì)是為了使水箱內(nèi)的水可以全部被排空，保證有效體積更大。

叉車在行進(jìn)過(guò)程中，燃料電池集水箱內(nèi)液面會(huì)波動(dòng)，造成液面沒(méi)有達(dá)到設(shè)置的液面高度時(shí)，液位傳感器探測(cè)到液體，傳感器將信號(hào)上傳，進(jìn)而造成誤報(bào)液位的情況。為了防止這一情況發(fā)生，集水箱內(nèi)部增加了隔板，以免整個(gè)集水箱液體大波動(dòng)造成誤報(bào)。隔板上設(shè)計(jì)有一些孔，以便集水箱內(nèi)部液體正常流動(dòng)，從而保證隔板兩側(cè)液位高度一致。

由于氫氣密度低，沿汽水分離器下部電磁閥通過(guò)集水箱進(jìn)氫口進(jìn)入到集水箱內(nèi)的氫氣容易在集水箱上表面聚集。由于氫氣的爆炸極限為4%～75%，存在危險(xiǎn)，為了避免氫氣的聚集，集水箱頂面做傾斜設(shè)計(jì)。集水箱進(jìn)氫口比集水箱出氣口低，進(jìn)氫口在集水箱傾斜面靠近傾斜面下部，來(lái)自汽水分離器的氫氣進(jìn)入到集水箱進(jìn)氫口，沿著傾斜面上升到出氣口附近，避免了氫氣在集水箱內(nèi)的聚集。同時(shí)，因?yàn)榧溥M(jìn)氫口與出氣口有很大距離，由于水箱上部有很多空氣，氫氣由進(jìn)氫口到出氣口過(guò)程中，氫氣充分與集水箱頂部空氣中氧氣反應(yīng)生成水，保證盡量少的氫氣沿著出氣口排出到集水箱外，從而降低了燃料電池系統(tǒng)排出氫氣的濃度。不銹鋼集水箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 不銹鋼集水箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 汽水分離器設(shè)計(jì)

為了將陽(yáng)極流道排出氣體中的水分分離出來(lái)，集水箱系統(tǒng)需要配有汽水分離器，通常壓縮機(jī)等用的汽水分離器流阻過(guò)大，影響燃料電池陽(yáng)極流道內(nèi)氣體壓力，不能被使用。為此設(shè)計(jì)了汽水分離器，汽水分離器布置在燃料電池系統(tǒng)下方，汽水分離器入口與燃料電池陽(yáng)極氣體出口通過(guò)膠管相連。為了使水分從氣體中分離出來(lái)，汽水分離器內(nèi)部設(shè)計(jì)有遮擋的流道，帶有水分的氣體進(jìn)入汽水分離器，經(jīng)過(guò)彎折的流道，最后通過(guò)出口進(jìn)入引射器或者循環(huán)泵。在經(jīng)過(guò)彎折流道過(guò)程中，部分水分被分離出來(lái)，由于重力掉落到汽水分離器底部，水分在排水口上面聚集，當(dāng)排水口下電磁閥打開(kāi)時(shí)，水被排出汽水分離器。汽水分離器同樣采用不銹鋼304材料焊接而成，汽水分離器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 汽水分離器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 集水箱系統(tǒng)零部件選型

對(duì)于液位傳感器選型，選用一款電容式液位傳感器，此傳感器具有尺寸小、不易結(jié)膜、不受凝露影響的優(yōu)點(diǎn)。液位傳感器上有固定螺紋，傳感器上帶有O形圈，集水箱上設(shè)計(jì)螺紋孔及O形圈槽，液位傳感器直接被擰入集水箱內(nèi)。

為了節(jié)約集水箱排水的時(shí)間，集水箱的排水需要選用足夠大通徑的電磁閥，根據(jù)集水箱內(nèi)達(dá)到設(shè)置液位時(shí)水的體積4 L，一般排水操作在5 min內(nèi)為宜，查看現(xiàn)有的通用電磁閥通徑，選用通徑8 mm的電磁閥。由于燃料電池排出水分中具有腐蝕性，閥體材料選用不銹鋼。

2 集水箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 聚乙烯材料設(shè)計(jì)

不銹鋼材料集水箱質(zhì)量達(dá)到5 kg，考慮到叉車對(duì)燃料電池系統(tǒng)有配重要求，該質(zhì)量是適合的。但是，在加工焊接過(guò)程中，所需成本高，還要保證成品的密封性，不利于大批量生產(chǎn)。為了適應(yīng)批量生產(chǎn)，同時(shí)考慮成本因素，采用質(zhì)量較輕的聚乙烯材料滾塑成型的集水箱。

燃料電池運(yùn)行最高溫度達(dá)到70 ℃，燃料電池排出氣體中的水分進(jìn)入到聚乙烯材料集水箱，聚乙烯儲(chǔ)罐耐高溫值一般認(rèn)為是70 ℃，所以選用聚乙烯材料的集水箱有軟化變形的風(fēng)險(xiǎn)。為了檢驗(yàn)材料的耐溫性能，讓供應(yīng)商按選定的材料做成碗狀的零件，在零件內(nèi)加入水，在80 ℃高溫箱內(nèi)烘烤72 h，經(jīng)檢驗(yàn)碗狀零件無(wú)任何軟化變形，證明材料耐溫性適合。

為了保證滾塑成型的集水箱強(qiáng)度，同時(shí)避免成型過(guò)程中出現(xiàn)翹曲，底部增加2條加強(qiáng)肋設(shè)計(jì)?？紤]聚乙烯材料，對(duì)集水箱固定點(diǎn)進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，固定點(diǎn)局部增厚。因?yàn)楹笃谘b配中鑲件內(nèi)會(huì)擰入接頭，鑲件會(huì)受到裝配力作用，鑲件周圍比箱體壁加厚設(shè)計(jì)。為了避免出現(xiàn)滾塑成型充模不滿的情況，鑲件徑向要有足夠大的聚乙烯材料面積[5]，故需對(duì)鑲件周圍比較小的徑向面積進(jìn)行增大設(shè)計(jì)。

為利于滾塑成型，隔板上的孔去掉，隔板和集水箱外壁之間留空隙，代替孔起到使隔板兩側(cè)液位一致的作用。為了保證隔板的強(qiáng)度，隔板設(shè)計(jì)成中空型。

由于滾塑成型，聚乙烯集水箱采用內(nèi)螺紋鑲件，選用不銹鋼接頭擰入內(nèi)螺紋鑲件中代替不銹鋼水箱焊接的進(jìn)出口接頭。聚乙烯集水箱如圖4所示。

圖4 聚乙烯集水箱剖面圖

2.2 聚乙烯材料集水箱系統(tǒng)零部件選型及布置

1）液位傳感器更改為浮球液位開(kāi)關(guān) 為了降低成本，采用浮球液位開(kāi)關(guān)代替電容式液位傳感器?，F(xiàn)有的浮球液位開(kāi)關(guān)一般是浮球直徑很大，而固定浮球液位開(kāi)關(guān)的固定螺桿直徑比浮球直徑小，導(dǎo)致集水箱上的固定浮球開(kāi)關(guān)的開(kāi)口若按浮球液位開(kāi)關(guān)的螺紋設(shè)計(jì)，浮球液位開(kāi)關(guān)無(wú)法裝入集水箱內(nèi)。為此設(shè)計(jì)定制了浮球液位開(kāi)關(guān)，新浮球液位開(kāi)關(guān)固定螺紋采用G1''螺紋，大于浮球直徑28 mm，集成水箱也采用G1''螺紋孔，這樣浮球液位開(kāi)關(guān)在集成水箱外面就可以被裝入集水箱上。為了防止集水箱內(nèi)氫氣從浮球液位開(kāi)關(guān)連接處泄漏，在浮球液位開(kāi)關(guān)固定螺紋底部裝有O形圈，集水箱上有相應(yīng)的O形圈槽。浮球液位開(kāi)關(guān)如圖5所示。

圖5 浮球液位開(kāi)關(guān)示意圖

2）集水箱系統(tǒng)排水電磁閥位置改變 不銹鋼集水箱系統(tǒng)的排水電磁閥布置在集水箱底部，可以排空集水箱內(nèi)的水。燃料電池系統(tǒng)被安裝后，排水電池閥在燃料電池系統(tǒng)底部，導(dǎo)致不便于維修拆裝，聚乙烯材料集水箱系統(tǒng)的排水電磁閥布置在集水箱側(cè)面靠近底部位置。集水箱底部向下擴(kuò)大，增加了水箱高度，能夠滿足容納4 L水體積的要求。在排水電磁閥后裝有出口向下的彎頭，采用出口向下的排水彎頭，避免了排水時(shí)水噴濺到燃料電池系統(tǒng)上。聚乙烯集水箱系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 聚乙烯集水箱系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

不銹鋼材料集水箱和聚乙烯材料集水箱通過(guò)了氣密、耐壓和高低溫試驗(yàn)，搭載2種集水箱系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試，達(dá)到燃料電池系統(tǒng)使用要求。截至當(dāng)前已有1套不銹鋼材料的集水箱系統(tǒng)在叉車上運(yùn)行6 m，8套聚乙烯材料集水箱系統(tǒng)在叉車上遠(yuǎn)行2 m，目前運(yùn)行正常。

2種材料集水箱的燃料電池集水箱系統(tǒng)能夠?qū)θ剂想姵叵到y(tǒng)水分進(jìn)行收集，滿足了叉車對(duì)燃料電池系統(tǒng)集水和定時(shí)排水的要求。