燃料电池氢气排气管路堵水的研究

冯 轩,韩国鹏,高伟尧,汪星华,王艳琴,刘 楠,赵丽丽

(中车唐山机车车辆有限公司,河北 唐山 063035)

氢能作为一种清洁高效的能源在未来拥有越来越广阔的应用前景[1]。氢燃料电池作为一种新的绿色能源技术正逐渐被应用在有轨电车上,与现有接触网式有轨电车相比,燃料电池有轨电车配备燃料电池发电系统,不依赖接触网牵引供电系统,能够实现全程无网运行,具有节能环保、载运量大、舒适便捷等特点,是一种新型的有轨电车模式[2]。2016年,中车唐山机车车辆有限公司研制的世界首列商用型氢燃料混合动力100%低地板现代有轨电车下线[3]。该车采用模块化设计,解决了常规有轨电车需架设接触网以及普通储能式有轨电车续航里程短的“瓶颈”问题,充分发挥了氢燃料电池与现代有轨电车的优点[4]。由于氢燃料有轨电车使用燃料电池作为动力源,燃料电池的工作性能将直接影响有轨电车的运行,因此在装车之前需要对其进行地面试验,确保燃料电池能够按照功率需求正常运行,满足车辆的使用性能。

1 燃料电池系统工作原理

1.1 燃料电池发电原理

氢燃料电池是一种将氢气和氧气中的化学能转化为电能的装置,通过使用氢气作为燃料,产生电能和热能,最后的生成物为水,清洁环保。

氢燃料电池堆主要由阳极、阴极和电解液等部分构成[5],如图1所示。

图1 燃料电池工作原理

高压氢气经过减压阀调压后进入燃料电池阳极侧,在催化剂的作用下参加反应,电子通过外电路进入到阴极,形成电流。空气在阴极侧与质子在催化剂的作用下生成水[6]。大部分未反应的氢气通过氢气循环泵返回燃料电池堆氢气管道入口被重新利用,少部分氢气和杂质经过氢气排气阀从空气排气口排出。

1.2 氢气排气阀原理

试验用燃料电池氢气侧的排气阀为DuPont公司生产的电磁阀,型号为S301-1/4″NPT,不通电时为关闭状态,如图2所示。

图2 氢气排气阀

氢气排气阀的工作原理类似于一种系统的“咳嗽”[7]。大部分未反应的氢气通过氢气循环泵返回到电堆入口处,一小部分氢气通过氢气排气阀周期性排放,氢气排气阀出口管路连接到空气排气管路,排出累积在电堆中的杂质和空气侧生成的液态水,确保氢气更有效地发生反应。

未反应的空气从电堆出来后经过一个单向阀进入到空气排气管,在这里单向阀相当于背压阀,开启压力为0.3～0.5 MPa。本文研究的燃料电池的额定工况条件如表1所示。根据表1计算得出,当燃料电池输出电流最小时,氢气侧出口压力约为3.3 kPa。

2 燃料电池启动故障分析与处理

某公司生产的燃料电池工作电流范围为0～175 A,电压范围为630～750 V,单体数目为110片。电堆采用6个模组电气串联结构,而空气供给、氢气供给和冷却水循环采用并联结构。燃料电池外形如图3所示。

图3 燃料电池外形

燃料电池应用在轨道车辆上之前需要进行试验,确保其能够稳定运行。试验室有供氢设备为燃料电池提供氢气,燃料电池串联一个单向DC/DC电源转换装置,与母线相连,用于对燃料电池进行控制。电子负载也连接在母线上,模拟实车上的牵引工况,采用能量控制器(ECU)对燃料电池进行控制。

2.1 故障现象

在进行小功率试验过程中,从控制软件监测的变量发现燃料电池的输出电压为360 V左右,无法达到设定值750 V,由于电压较低,空压机、氢气循环泵也不能够正常运行。

2.2 故障检查

根据出现的问题进行故障排查,初步判断是燃料供应不畅,发生了报警。检查氢气供应电磁阀(SOV-H2)能否正常动作。氢气供应电磁阀拆卸后难复原会发生泄露的风险,因此让燃料电池处于上电待机状态,采用燃料电池自带诊断软件对该阀进行开启/关闭操作,经测试该阀能够正常动作,排除此处故障。

接下来对氢气减压阀(PCV-H4)进行检查,将氢气减压阀拆下,外部通电,该阀能够正常动作,排除此处发生故障的可能。

最后对氢气管路上的氢气排气阀(SOC-H5)进行检查,拆下后,发现氢气排气管内已经积累了大量的水,将管道堵塞,如图4所示。对应的三维简化模型如图5所示。

图4 氢气排气阀及连接处

图5 氢气排气阀三维简化模型图

2.3 原因分析

氢气排气管路末端与空气排气管路连接在一起,从管路设计可以发现,氢气排气管路位置要低于空气排气管路,阴极侧产生的水会流到氢气排气阀处逐渐积累,随着氢气排气阀间断的开启,水会通过阀进入内部管路,部分液态水会随氢气循环泵进入电堆,影响反应氢气与催化剂接触,造成单片电池电压降低、不均衡,增大离均差,从而触发报警,导致停机。

电堆输出电流为Ist时,消耗的氢气流量[8]为:

(1)

式中:WH2为单位时间氢气的消耗量,Nfc为电堆电体个数,F为法拉第常数,MH2为氢气的摩尔质量。

由于氢气摩尔质量和法拉第常数可以视作定值,考虑到气体供应过程中的当量比,可以得到电堆输出电流为Ist时需要提供的氢气流量[9]为:

WH2=1.05×10-5λqNfcIst

(2)

式中:λq为氢气供应的当量比。

当燃料电池刚启动时,电堆输出电流Ist最小14.5 A,可计算出此时氢气的流量WH2为0.633 g/s。

在氢气循环过程中,氢气排气阀的吹扫需要1%～2%的氢气流量[10],可计算出氢气吹扫的流量为:

WH吹=0.633×0.02=0.012 66 g/s

由此可见,当燃料电池输出电流很小时,用于氢气吹扫的流量也很小。电堆中水的生成量随电流增加,并且还取决于单电池的数量[11]。实际上,离开堆的水为液态和蒸汽,液态水的准确量取决于阴极出口温度[12]。

FWATER=0.005 6IstNfc

(3)

式中:FWATER为水生成量,mL/min。

因此当燃料电池启动时,水的生成量为:

FWATER=0.005 6×14.5×660=53.592 mL/min

由表1可知,当燃料电池以小电流运行时氢气侧出口压力约为3.3 kPa,将氢气排气阀出口至空气管路之间的管路(图5中蓝色L形管路)抽取出来,进行仿真计算,如图6所示。

图6 L形流道压力计算云图

边界条件:氢气排气阀出口速度5.46 m/s,空气管路出口压力为大气压。

计算方法:模型为湍流模型,采用基于压力法求解器。

分析图6中压力云图可知,在拐弯处压力损失最大,约为8.24 kPa,因此当燃料电池在小电流工况下较长时间运行或频繁启停机时,阴极侧生成的液态水会不断在氢气排气管侧积累,而氢气排气压力无法将水排出,发生堵水现象,造成燃料电池停机。

2.4 故障处理

为了减少堵水现象的发生,燃料电池应该避免长期在小电流工况下工作和频繁地启停机。

一旦发现燃料电池启动时电压始终无法达到正常输出值,可以初步判断氢气排气阀处发生了堵水,应将氢气排气阀拆卸下来并把里面的水放出。在进行结构设计时,尽量提高氢气排气阀的位置,使其与空气排气管路处于相同的水平高度,从而减少液态水的积累。优化后的氢气排气阀结构如图7所示。

图7 优化后的氢气排气阀结构示意图

3 结论

针对燃料电池在地面调试过程中出现的输出电压始终过低无法正常启动的现象,通过故障排查,找出这种现象是由氢气排气管路堵水引起的,并得出以下结论:

(1) 燃料电池阳极侧过多液态水的积累会严重影响电堆性能,因此要在结构和功能方面充分考虑,将多余的水去除;

(2) 通过分析氢气排气阀的工作原理,结合理论计算和仿真计算分析了堵水产生的原因,并给出了现场处理措施,从后续的试验状况来看,堵水现象不再发生,处理效果很明显;

(3) 堵水现象的发生主要是由于氢气排气阀设计位置不合理造成的,因此提出了一种结构优化方案,对氢气排气阀的空间布局具有一定的指导意义。