氫氧燃料電池能源自動供應裝置的研制

鄭寅 陳強 康淑婷

北京航天試驗技術研究所，北京 100074

0 前言

氫能被視為未來能源革命的顛覆性技術方向。世界各國高度重視氫燃料電池技術，以實現低碳、清潔發展模式[1]。氫氧燃料電池是以氫氣為燃料，通過電化學反應將燃料中的化學能轉變為電能的發電裝置。為了維持電堆的正常工作，燃料電池系統需要氫氧供應系統等輔助系統的協同配合，為其提供壓力穩定、流量匹配、溫度適宜的氫氣和氧氣。本課題目的在于研制出可以為燃料電池定壓、定流量提供氫氣、氧氣的集成裝置，便于能源裝置整體撬裝。為了滿足電機按照工作時間要求的氫氧氣供應量，選擇能量密度更高的液氫、液氧汽化后進行介質供應。

1 氫氧供應系統工藝原理設計

氫氧供應工藝系統主要包括氫供應系統、氧供應系統、氮氣系統。系統配備的電氣、閥門都采用Ⅱ級防爆。液態氫/氧從槽車經由汽化器后成為系統的供氣氣源。根據設計目標，氣源壓力：氫0.5 MPa，氧0.6 MPa。氣源管道從耐壓艙通過穿艙接口進入燃料電池艙，與燃料電池艙的供氣模塊相連，供氣模塊原理圖如圖1所示，虛線框內為燃料電池艙內設備。

氫供應系統包含液氫容器、汽化器、緩沖罐、減壓器、閥門、過濾器、壓力表、管道附件等[2]。液氫容器考慮使用液氫槽車，增壓采用槽車自增壓的系統，液氫槽車最高自增壓能力0.5 MPa。槽車需滿足3 m3液氫的供應能力。供氫管道設置汽化器、過濾器、緩沖罐、電磁閥、減壓器。其中，過濾器、減壓器、緩沖罐、電磁閥及相應管路均置于艙內[3]。

氧供應系統的組成及原理與氫系統相似，包含液氧容器、汽化器、減壓器、緩沖罐、閥門、過濾器、壓力表、管道附件等。液氧容器考慮使用液氧槽車，增壓采用槽車自增壓的系統，液氧槽車最高自增壓能力0.6 MPa。槽車需滿足2 m3液氧的供應能力。根據氣源供氣壓力及用氣需求，對供氣管路的流量、流速、流阻進行了分析計算，根據計算結果，綜合考慮管路可靠性、經濟性、安全性，氫、氧管道擬選取管道通徑DN8，其他部分DN12。

氮氣系統用于液氫/液氧槽車后端管路的吹除。在試驗準備階段，需要對管路進行潔凈度檢查、氣密性檢查，以及管道吹除置換等。氮氣管路選用DN6不銹鋼管，使用壓力0.6 MPa。

2 燃料電池艙內供應裝置布局

供氫、供氧裝置安裝于燃料電池內，供氫部分包括氫氣緩沖罐、氫氣減壓器、氫用過濾器、防爆電磁閥、壓力傳感器、溫度傳感器、單向閥以及管路等；供氧部分包含氧氣緩沖罐、氧氣減壓器、氧用過濾器、防爆電磁閥、壓力傳感器、溫度傳感器、單向閥以及管路等[4]。各部分安裝情況如圖2所示。

3 氫氧供應控制系統設計

3.1 功能要求

測控系統結構如圖3所示，其中供氫、供氧兩套工藝系統共用一套測控系統。控制器完成工藝管路壓力、溫度各處信號采集和數據存儲，進行系統運行狀態監控，并將數據通過CAN總線發送給燃料電池艙內控制器，同時接收燃料電池控制器發來的開始供氫、開始供氧、停止供氫、停止供氧、濃度報警信號，控制前端電磁閥開閉，進行供氫、供氧控制。當控制器檢測到超壓、氫濃度報警等危險狀態時，通過控制前端電磁閥進行應急狀態處理。技術指標如下：

（1）額定電壓：24 V；

（2）CAN通信接口：2路；

（3）RS485通信接口：2路；

（4）4～20 mA模擬量輸入：16路；單通道最大采樣率：200 kS/s；模擬分辨率：13位；

（5）數字輸出端口：16路；

（6）數字輸入端口：16路；負載電壓：24 V；

（7）工作溫度：-40～85 ℃。

3.2 監控與通訊

燃料電池艙內部均為遠程控制閥門[5]，正式供應介質階段，當檢測到氫氧系統緩沖罐壓力到達0.5 MPa，調節減壓閥，打開電磁閥進入介質正常供應階段，根據情況，調節減壓閥壓力出口穩定于0.3±0.02 MPa。

對工藝參數狀態進行監控，當供氫氧出口壓力、緩沖罐壓力、氫濃度探頭參數超出報警限時，控制器控制相應電磁閥打開和閉合，以確保系統安全。

通過CAN總線與燃料電池艙控制器系統通信，完成指令接收，并上傳工藝狀態參數。當工藝狀態發生異常時，給出相應報警信號，CAN總線傳輸參數如表1所示。

表1 CAN總線傳輸參數列表

4 試驗數據分析

地面試驗累計運行100小時。過程中，燃料電池變工況運行的輸出功率變化如圖4所示，經過長達100小時的變工況運行試驗，圖5為氫供應溫度、氫供應壓力試驗數據，圖6為氧供應溫度、氧供應壓力試驗數據。分析試驗數據，液氫、液氧經過槽車自增壓方式實現了氣體供應，且液氫壓力穩定在0.37～0.42 MPa之間，液氧壓力穩定在0.47～0.56 MPa之間；液氫、液氧經過汽化后，壓力增高，通過加溫處理，氫氣、氧氣供應溫度符合燃料電池進氣需求，均不低于0度；減壓器工作正常，可以及時根據工況變化調整，按照燃料電池的進氣壓力要求，氫氣供應壓力維持在3.15～3.35之間，氧氣供應壓力維持在3.05～3.25之間，供氫、供氧裝置滿足燃料電池介質供應要求。

5 結束語

燃料電池能源自動供氫、供氧裝備為燃料電池運行提供安全和高效的介質保障，是動力系統的重要組成部分。液氫、液氧與氫氧燃料電池的匹配使用在國內尚屬首次，通過長達100小時的試驗，供氫、供氧裝備始終表現良好，狀態穩定，滿足了能源系統高可靠性的要求，通過試驗得出以下結論：

（1）液態儲氫（儲氧）、汽化供應的方案滿足燃料電池介質要求；

（2）密閉環境下，供氫、供氧裝備與燃料電池系統匹配性較高，且采用的安全控制措施有效；

（3）供氫、供氧裝備按照燃料電池供應需求，滿足響應時間要求，實現了氫氣、氧氣的遠程自動控制。