氫燃料電堆運行環境全時域服務及控制系統研究

吳洪亭, 趙子龍, 張忠東, 孟國慶, 邢化嶺, 王照亮

(中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000)

氫燃料電池的氫氣和氧氣的輸入壓力、流量、濃度及電堆工作溫度均會直接影響電堆的使用壽命及工作效率[1]。為實現燃料電池高性能及長壽命,需要為燃料電池提供適宜的工作環境,氫氣和氧氣濃度過低會影響電堆壽命[2],供氣壓力過高會破壞電堆本體,供氣壓力過低會影響燃料電池反應。氫燃料電池對冷卻液的離子濃度要求較高,電導率過高會降低燃料電池內部離子反應速率[3],低電導率能夠保持燃料電池內部離子反應持久、穩定地運行在高效區間。因此,本文提出一種氫燃料電堆運行環境全時域服務及控制系統[1]。

1 技術架構

本文提出的氫燃料電堆運行環境全時域服務及控制系統包括電堆、冷卻循環子系統、空氣供給循環子系統、氫氣供給循環子系統。其中電堆與各系統分別連接,空氣供給循環子系統為電堆提供加濕的空氣,氫氣供給循環子系統為電堆提供氫氣;冷卻循環子系統包括與電堆連接的進液管路、出液管路。典型技術架構如圖1所示。本文主要論述除電堆外的其余幾個子系統。

圖1 系統架構框圖

1.1 冷卻循環子系統組成及作用

冷卻循環子系統的組成如圖2所示,其主要作用是為電堆提供適宜的溫度環境。

1-去離子器; 2-電加熱器; 3-機械三通閥; 4-電導率儀; 5-水泵; 6-壓力傳感器; 7-溫度傳感器; 8-過濾器; 9-溫度傳感器; 10-出液管路; 11-進液管路圖2 冷卻循環子系統組成框圖

1) 進液管路11上設置去離子器1、機械三通閥3、水泵5。去離子器用于吸附冷卻液中的導電離子,降低冷卻液電導率;水泵進行冷卻液管路中冷卻液的輸送。去離子器位于冷卻液進口后,通過機械三通閥與水泵連接。

2) 出液管路10上設置電導率儀4、過濾器8。電導率儀用于監測冷卻液導電離子濃度,并將采集到的信息反饋至控制器;過濾器用于過濾冷卻液中的雜質;電導率儀與控制器連接?？刂破鞲鶕鋮s液離子濃度情況控制去離子器的工作狀態。

4) 進液管路11設置壓力傳感器6、溫度傳感器7,出液管路10設置溫度傳感器9;壓力傳感器6監測、采集進堆側冷卻液壓力;溫度傳感器7監測、采集進堆側冷卻液溫度;溫度傳感器9監測、采集出堆側冷卻液溫度。

5) 去離子器1、水泵5、壓力傳感器6、溫度傳感器7、溫度傳感器9均與控制器連接。壓力傳感器、溫度傳感器、電導率儀將信號實時反饋至控制器,控制器根據接收的信號控制去離子器、水泵、電加熱器的工作狀態。具體來說,溫度傳感器監測到進液管路和出液管路的溫度值低于設定值時,控制器控制電加熱器對冷卻液進行加熱[4];控制器控制水泵以一定供液壓力給電堆提供冷卻液,壓力傳感器監測到進液管路的壓力值低于設定值時,增大水泵的壓力,高于設定值時減小水泵的壓力[5],以保證合理的流量及均勻的溫度分布[6]。

6) 實際方案中,進液管路會設置散熱器對冷卻液進行降溫;出液管路與透氣口連通。

1.2 空氣供給循環子系統組成及作用

空氣供給循環子系統的組成如圖3所示,其主要作用是為電堆提供適宜流量和溫濕度的空氣。

圖3 空氣供給循環子系統組成框圖

1) 增濕器通過空氣進氣管路、空氣出氣管路與電堆連接,形成循環回路;增濕器與空氣進口、空氣出口連通。增濕器用于空氣進氣的增濕;增濕器重新利用部分尾排氣體中的水,加濕進堆空氣后輸送給電堆,并將剩余尾氣排出。

2) 空氣進氣管路上設置濕度傳感器,并與控制器連接。濕度傳感器用于采集空氣進氣側的濕度,并將采集到的信號實時反饋至控制器。控制器根據空氣濕度情況控制增濕器的工作狀態,將空氣濕度控制在合理閾值范圍內[7]。

3) 增濕器的出氣管路上設置尾排截止閥,用于尾氣排放,同時實現排空側與外部環境的隔離。

1.3 氫氣供給循環子系統組成及作用

氫氣供給循環子系統的組成如圖4所示,其主要作用是為電堆提供適宜流量和溫濕度的氫氣。

12-壓力傳感器; 13-氫氣出氣管路; 14-水汽分離器; 15-單向閥; 16-電磁閥; 17-比例閥; 18-氫氣過濾器; 19-引射器; 20-氫氣進氣管路; 21-壓力傳感器圖4 氫氣供給循環子系統組成框圖

1) 氫氣進氣管路20、氫氣出氣管路13均與電堆連接,氫氣進氣管路設置氫氣過濾器18、比例閥17、電磁閥16,電磁閥與氫氣進口連通,控制氫氣供給的通斷,同時控制氫氣管路的壓力與流量;比例閥控制氫氣流量;氫氣過濾器過濾氫氣中的雜質[8]。

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2) 氫氣出氣管路13上設置水汽分離器14、單向閥15,水汽分離器用于分離電堆排氫側的水和氫氣;單向閥控制氫氣的走向,防止氫氣逆流。

3) 氫氣進氣管路20上設置壓力傳感器21,氫氣出氣管路13上設置壓力傳感器12,壓力傳感器21對氫氣進堆側進行壓力監測,用于采集電堆進氫側的壓力;壓力傳感器12對氫氣出堆側進行壓力監測,用于采集電堆排氫側的壓力。

4) 電磁閥16、比例閥17、壓力傳感器12、壓力傳感器21均與控制器連接,控制器根據電堆進氫側、排氫側的壓力大小調整電磁閥、比例閥的開閉及開合程度[9]。

5) 氫氣進氣管路20和水汽分離器14之間連接引射器19,引射器用于將水汽分離器中分離出來的氫氣進行再次循環利用[10]。

6) 電堆通過控制/電源線路與控制器連接,連接線路用于電力傳輸與信號輸送。

2 效果對比

本文提出的氫燃料電堆運行環境全時域服務及控制系統的改善效果明顯,為電堆的高效及長壽命提供保障。

1) 控制器根據傳感器采集信息,控制電加熱器及水泵的運行程度,保證電堆在適宜的溫度區間工作,實現精準的動態熱管理?？蓪嶋H溫度有效控制在設定溫度的±1 ℃偏差范圍內,較常規冷卻循環±3 ℃的溫控精度大幅提升。

2) 通過對冷卻液進行離子監測,控制去離子器進行離子吸附及雜質過濾,保證冷卻液的離子濃度,實現電導率≤3 μS/cm,較常規≤5 μS/cm電導率控制大幅提升。

3) 通過對氫氣減壓、過濾及循環,實現氫氣管路的壓力精密控制與調節,保證進堆氫氣壓力穩定且適宜的同時,氫氣使用效率較常規系統提高5%。

4) 通過濕度控制,能夠將進堆空氣的濕度根據電堆所需的最優濕度作出快速調整,保證進入電堆空氣的濕度在適宜范圍內,同時使提供給電堆的進氣能夠滿足不同工況和環境的要求?？蓪嶋H溫度有效控制在設定溫度的±1 ℃偏差范圍內,較常規冷卻循環±3 ℃的控制精度大幅提升。

3 結束語

本文提出的氫燃料電堆運行環境全時域服務及控制系統,為電堆提供了全時域適宜的工作環境,提升電堆在低溫、高海拔等極限條件下的可靠性能;能夠監測與降低冷卻液的電導率,進一步提升燃料電池反應速率;提供適宜流量、壓力、濕度的氫氣與空氣,提高了電堆工作效率,延長了電堆使用壽命。