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用前景[1]。氫燃料電池作為一種新的綠色能源技術正逐漸被應用在有軌電車上,與現有接觸網式有軌電車相比,燃料電池有軌電車配備燃料電池發電系統,不依賴接觸網牽引供電系統,能夠實現全程無網運行,具有節能環保、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%低地板現代有軌電車下線[3]。該車采用模塊化設計,解決了常規有軌電車需架設接觸網以及普通儲能式有軌電車續航里程短的“瓶頸”問題,充分發揮了氫燃料電池與現代有軌電車的優點[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 燃料電池系統工作原理

1.1 燃料電池發電原理

氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣中的化學能轉化為電能的裝置,通過使用氫氣作為燃料,產生電能和熱能,最后的生成物為水,清潔環保。

氫燃料電池堆主要由陽極、陰極和電解液等部分構成[5],如圖1所示。

圖1 燃料電池工作原理

高壓氫氣經過減壓閥調壓后進入燃料電池陽極側,在催化劑的作用下參加反應,電子通過外電路進入到陰極,形成電流?？諝庠陉帢O側與質子在催化劑的作用下生成水[6]。大部分未反應的氫氣通過氫氣循環泵返回燃料電池堆氫氣管道入口被重新利用,少部分氫氣和雜質經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的排氣閥為DuPont公司生產的電磁閥,型號為S301-1/4″NPT,不通電時為關閉狀態,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的“咳嗽”[7]。大部分未反應的氫氣通過氫氣循環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和空氣側生成的液態水,確保氫氣更有效地發生反應。

未反應的空氣從電堆出來后經過一個單向閥進入到空氣排氣管,在這里單向閥相當于背壓閥,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。根據表1計算得出,當燃料電池輸出電流最小時,氫氣側出口壓力約為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,單體數目為110片。電堆采用6個模組電氣串聯結構,而空氣供給、氫氣供給和冷卻水循環采用并聯結構。燃料電池外形如圖3所示。

圖3 燃料電池外形

燃料電池應用在軌道車輛上之前需要進行試驗,確保其能夠穩定運行。試驗室有供氫設備為燃料電池提供氫氣,燃料電池串聯一個單向DC/DC電源轉換裝置,與母線相連,用于對燃料電池進行控制。電子負載也連接在母線上,模擬實車上的牽引工況,采用能量控制器(ECU)對燃料電池進行控制。

2.1 故障現象

在進行小功率試驗過程中,從控制軟件監測的變量發現燃料電池的輸出電壓為360 V左右,無法達到設定值750 V,由于電壓較低,空壓機、氫氣循環泵也不能夠正常運行。

2.2 故障檢查

根據出現的問題進行故障排查,初步判斷是燃料供應不暢,發生了報警。檢查氫氣供應電磁閥(SOV-H2)能否正常動作。氫氣供應電磁閥拆卸后難復原會發生泄露的風險,因此讓燃料電池處于上電待機狀態,采用燃料電池自帶診斷軟件對該閥進行開啟/關閉操作,經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,排除此處發生故障的可能。

最后對氫氣管路上的氫氣排氣閥(SOC-H5)進行檢查,拆下后,發現氫氣排氣管內已經積累了大量的水,將管道堵塞,如圖4所示。對應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,從管路設計可以發現,氫氣排氣管路位置要低于空氣排氣管路,陰極側產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,水會通過閥進入內部管路,部分液態水會隨氫氣循環泵進入電堆,影響反應氫氣與催化劑接觸,造成單片電池電壓降低、不均衡,增大離均差,從而觸發報警,導致停機。

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,F為法拉第常數,MH2為氫氣的摩爾質量。

由于氫氣摩爾質量和法拉第常數可以視作定值,考慮到氣體供應過程中的當量比,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為氫氣供應的當量比。

當燃料電池剛啟動時,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量[11]。實際上,離開堆的水為液態和蒸汽,液態水的準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,當燃料電池以小電流運行時氫氣側出口壓力約為3.3 kPa,將氫氣排氣閥出口至空氣管路之間的管路(圖5中藍色L形管路)抽取出來,進行仿真計算,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,因此當燃料電池在小電流工況下較長時間運行或頻繁啟停機時,陰極側生成的液態水會不斷在氫氣排氣管側積累,而氫氣排氣壓力無法將水排出,發生堵水現象,造成燃料電池停機。

2.4 故障處理

為了減少堵水現象的發生,燃料電池應該避免長期在小電流工況下工作和頻繁地啟停機。

一旦發現燃料電池啟動時電壓始終無法達到正常輸出值,可以初步判斷氫氣排氣閥處發生了堵水,應將氫氣排氣閥拆卸下來并把里面的水放出。在進行結構設計時,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,從而減少液態水的積累。優化后的氫氣排氣閥結構如圖7所示。

圖7 優化后的氫氣排氣閥結構示意圖

3 結論

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

(1) 燃料電池陽極側過多液態水的積累會嚴重影響電堆性能,因此要在結構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,結合理論計算和仿真計算分析了堵水產生的原因,并給出了現場處理措施,從后續的試驗狀況來看,堵水現象不再發生,處理效果很明顯;

(3) 堵水現象的發生主要是由于氫氣排氣閥設計位置不合理造成的,因此提出了一種結構優化方案,對氫氣排氣閥的空間布局具有一定的指導意義。