氫燃料電池發電系統排放水的測量與應用探討

文 醉，馬繼成，陳向陽

應用研究

氫燃料電池發電系統排放水的測量與應用探討

文 醉，馬繼成，陳向陽

（中汽研新能源汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

本文介紹了典型的氣水分離器的類型，設計了一套適用于氫燃料電池發電系統排放水收集的氣水分離裝置。同時，測量并分析了排水量受系統功率變化的影響，將搜集的排放水與自來水、礦泉水、蒸餾水在PH值、電導率、溶解氧含量上進行了對比測試，得出排放水屬于弱酸性水，水中含氧量較低，純度高，至少達到三級超純水的等級，對燃料電池排放水的應用進行了展望。

氫燃料電池發電系統 氣水分離器 排放水特性

0 引言

發展綠色發電、儲能技術是碳達峰碳中和國家發展戰略的重要方向。2022年08月，工信部聯合五部委印發《加快電力裝備綠色低碳創新發展行動計劃的通知》[1]，明確氫能裝備是綠色低碳發展重點方向之一。與傳統發電裝置相比，氫燃料電池發電系統具有更高的發電效率，在節能，環保等方面有更大的優勢，可能實現更多的應用場景。2023年8月24日，日本政府不顧國際社會反對，執意啟動核污水排海，將會對海洋資源造成嚴重的危害，同時也讓淡水資源顯得愈發重要。

在PEMFC中，水會伴隨著燃料電池的運行而產生，而這些產生的水部分會通過氣流、脈沖、特殊的流場設計等方式排出燃料電池電堆，以避免發生"水淹"現象[2]。大部分水氣由陰極尾排排出，還有一部分會進入到陽極的循環中。由尾排排出的水被認為非常純凈，甚至可以飲用。但是，目前無論是燃料電池汽車或者固定式燃料電池發電系統，其排放的水都是直接排掉，很少得到利用。那么，氫燃料電池發電系統的排放水是否可以作為淡水資源具有收集和利用的價值呢？為此，本文首先研究了氫燃料電池發電系統排放水測量時氣水分離的方法以及分析排水量受功率大小的影響，并結合對排放水的水質分析探討了其可能應用的如汽車、船舶、固定式發電等領域。

1 氫燃料電池發電系統排放水的測量

1.1 氣水分離器的類型介紹

目前多數的氫燃料電池發電系統尾排采用混排模式，既排出的廢氣與產生的水氣是一起排出的。為了測量實際氫燃料電池發電系統在運行時的排水量，需要將尾排管連接一個氣水分離器，實現氣液分離。

氣水分離器通常會做成一個容器，氣體進入以后，通過內部結構的過濾、截留、冷凝等方法使得氣液分離，在油氣和化工行業中使用油氣分離器和蒸汽氣液分離器的情況是非常常見的。液態水收集于容器底部，而氣體則從排氣出口排出。結合不同的氣液分離原理，使用比較的氣水分離器有旋風式或離心式，擋板式或葉片式氣水分離器以及凝聚型氣水分離器等。

旋風式氣水分離器是使用一系列翅片產生高速旋流。蒸汽的速度使其繞著分離器主體旋轉，將較重的懸浮水甩到壁上，然后通過下方的排水閥排出。

擋板式或葉片式氣液分離器則是由若干塊擋板和容器壁組成，當水汽通過分離器本體時，會使氣液混合流多次改變方向。使大部分的水滴從懸浮液中掉落，凝結水聚集在分離器的底部，通過排水閥排出。

凝聚型氣液分離器在蒸汽路徑中提供了一個障礙物。該障礙物通常是一個鐵絲網墊，水分子被夾在上面。這些水分子往往會聚集在一起，產生的水滴逐漸變大變重，最終落入分離器的底部。常見的氣液分離器，可將凝聚和旋流式的操作結合起來應用，從而達到事半功倍的效果。

圖1 氣水分離器示意圖

1.2 排放水收集系統的開發

由于氫燃料電池發電系統運行的功率越大，進氣流量增大，因此排氣的流量和氣流速度則越大，上述的氣水分離器雖然種類不同，但是實際上都是在阻礙氣流運動的過程中實現水氣分離的。因此，當這類氣水分離器應用在氫燃料電池發電系統排放水收集上時很容易導致排氣背壓過大，排氣不暢，嚴重地會影響氫燃料電池發電系統的正常運行。

為此，設計了一套適用于氫燃料電池發電系統排放水收集的氣水分離裝置。該裝置主要是利用內部的葉片的旋轉產生離心力將排氣中的液態水和附著在葉片表面的液態水甩到壁上，而排氣也受葉片旋轉的影響產生湍流，排氣筒中間區域的氣量減少，呈現螺旋前進，進一步加大了氣體與內壁的接觸，又起到了冷凝的作用，因此達到了很好的氣水分離的效果。如圖2所示。

圖2 排放水收集系統示意圖

從圖2可以看到，該裝置設計成L型筒形結構，內部水平段和豎直段都可以安裝葉片。排氣氣流可以帶動葉片軸旋轉，水氣撞擊到葉片上后，受離心力的作用較重的懸浮水會被甩到壁上，最后沿著容器壁流入底部。葉片受排氣氣流而旋轉，這樣減小了裝置整體對氣流運動的阻礙，更適用于氫燃料電池發電系統運行時排放水的收集。還可以在葉片上打一些孔，形成網狀結構，可以進一步提升凝聚效果。同時，該裝置又充分利用排氣的動能，葉片的旋轉通過轉軸將氣流的動能傳遞到水泵，水泵旋轉氣流從而可以實現將產生的排放水通過水管泵入水箱中存儲起來以作他用。由于以機械轉軸的方式實現能量的轉換，在泵水的過程中也不需要外接電源。此外，當不需要泵水時，還可將水泵的旋轉動力轉為電能，充入到電池中，進一步提升了燃料電池系統的發電效率。

1.3 排水量的測量與分析

將氫燃料電池發電系統安裝于測試平臺并連接好氣路和管路，通氫后運行氫燃料電池發電系統運行，將排氣管與排放水收集裝置連接好后可以測量在指定運行工況下的排放水量。IEC 62282-3-200《固定式燃料電池發電系統性能試驗方法》中提出測量排水，應測量體積、水溫、pH值、生物需氧量（BOD）等參數[3]，但是并未規定具體的測量方法。本文利用排水收集裝置測量了一臺額定功率為60 kW的氫燃料電池系統在不同運行功率下的排水量，如圖3所示。

圖3 排水量的測量曲線

由圖3可以看出，隨著功率的增加，氫燃料電池系統的排水量呈現近似線性的增大，當系統在額定功率60 kW下運行時，其排水量達到17.60 L/h。由此可推斷，若是一臺兆瓦級的固定式燃料電池發電系統，當其在額定功率下運行時，每小時的排水量可達300 L，假使每月每天該系統在額定功率下運行1 h，則每月的產水量可達9 t，由此可見氫燃料電池系統運行時的產水量是可觀的。

2 氫燃料電池排放水特性的測量

從上述分析可知，如果氫燃料電池系統排放的水直接排掉，從全行業的總量上看，對于水資源的浪費是巨大的。理論上講，排放的水是由氫氣和氧氣的化學反應直接生成的，其水的純凈度應該是很高的，幾乎不含任何雜質。為了解氫燃料電池排放水的具體的水質情況，本文從PH值、溶解氧含量、電導率等方面進行對三款氫燃料電池發電系統排氣管出口處收集的排放水以及自來水、礦泉水、蒸餾水多種水質進行了對比評價。

2.1 pH值

pH 作為水質評價的重要指標，可以通過比色法、指示劑滴定法和電極法來測定，前者測量精度不高，滴定法較繁瑣，準確定量時一般用電極法測定。當pH電極計中的玻璃膜接觸到酸性或堿性溶液時，玻璃膜內外的離子濃度會發生變化，造成內部電位的改變，從而能夠產生一個微小的電流，進而通過電壓計可測量出pH值來。目前市場上購買的多為復合電極，進一步簡化了實驗流程，減少實驗結果影響因素[4]。表1為不同樣品的在室溫下pH值的測量結果。

表1 不同樣品pH值測量結果

從表1的結果可以看出，氫燃料電池發電系統的排放水的pH值介于6～7之間，呈弱酸性；而自來水和礦泉水都呈弱堿性，自來水的PH值相對最高；蒸餾水pH值接近于7。

2.2 溶解氧（DO）含量

溶解氧濃度是評價水質的重要指標之一，單位為mg/L。在水環境保護的各種標準中，都規定有溶解氧的指標。一般清潔水的溶解氧濃度大于7.5 mg/L，當溶解氧濃度大于5 mg/L時，才能適宜大多數魚類生存。

目前常用的檢測溶解氧濃度的方法有碘量法、電極極譜法，熒光法等。目前市場上使用較多的產品是電極極譜法溶解氧測量儀。電極極譜法的測量原理為在儀器的兩極間加一個恒定電壓，電子由陰極流向陽極，產生擴散電流；一定溫度下，擴散電流與溶解氧濃度成正比；建立電流與溶解氧濃度的定量關系；儀器將電流計讀數自動轉換為溶解氧濃度，并在屏幕上顯示溶解氧值。

表2 不同樣品溶解氧含量測量結果(mg/L)

從表2的結果可以看出，氫燃料電池發電系統的排放水的溶解氧濃度值都在7 mg/L以下，而自來水、礦泉水、蒸餾水的溶解氧濃度值都大于7，礦泉水的溶解氧濃度值最高，達到8.69 mg/L。

2.3 電導率

電導率是反映水的純度的重要指標。通常來說，電導率（EC）高的水會導致流體與雜質之間的化學反應增多，這可能會導致設備腐蝕或者是產品出現質量問題?？側芙夤腆w（TDS）表示水中溶解的固體總量，包括鹽類、金屬離子和有機物。高TDS值的水可能會影響設備的操作效率，并增加維護和清洗設備的成本。電阻率（RO）是一種測量電阻的單位，通常用于衡量液體電導率的倒數。

表3 不同樣品電導率測量結果（μs/cm）

依據GB/T 6882-2008《分析實驗室用水規格和試驗方法》的規定，當電導率小于5 μs/cm時為三級純水，當電導率小于1 μs/cm時為二級純水，當電導率小于0.1 μs/cm時為一級純水[5]。

從表3的結果可以看出，氫燃料電池發電系統的排放水的電導率值小于5 μs/cm，達到二級水的純度水平，由于測量的排放水的電導率是經過裝瓶后測量的，可能受空氣影響，空氣中的雜質，如二氧化碳溶解的影響，導致電導率升高，因此若是剛從排氣管路排出的排放水，其電導率可能會更低。此外，可以看出自來水、礦泉水、蒸餾水的電導率明顯大于氫燃料電池發電系統的排放水的電導率，自來水電導率最大，說明自來水的純度最差。

3 氫燃料電池排放水的應用探討

通過以上對氫燃料電池排放水特性的測量和分析可知，氫燃料電池排放水屬于偏弱酸性的超純水，如果通過合理利用，可以將其變廢為寶。

1）作為醫療機構及試驗室用水。氫燃料電池系統的排放水至少可達到三級純水的等級。典型的應用包括玻璃器皿的清洗、高壓滅菌器、恒溫恒濕實驗箱和清洗機用水。若在醫院或科研機構廠區內配備固定式發電系統時，可將排放水收集起來使用；

2）作為廠區或住宅區生活用水。在廠區或住宅區安裝固定式燃料電池發電系統時，可將排放水收集起來，經過簡單處理后，作為廚房、洗漱等生活用水也是完全可行的。

3）作為耐弱酸性的植物澆灌用水。很多養花的土壤要求肥沃，透氣，微酸性，否則的話，花根容易發生腐爛，花根長不好，很難枝繁葉茂。而很多花卉植物更是喜歡用偏酸性水澆灌的，如藍莓、茉莉花、梔子花、海棠花等。

4）作為船舶航行、房車旅行時生活用水。在遠洋航行時，氫燃料電池不僅可以作為船舶的動力源，也可以為船上用電設備提供電力來源，在發電的同時收集其排放水完全可以作為船員生活、清潔冷卻用水，可減少對海水淡化的依賴；當一輛燃料電池房車在旅行途中時，如果將排放水搜集起來，存儲到儲水箱中，則可保障旅途尤其是當離營地或服務區較遠時的用水需求。

4 總結

1）開發了一套燃料電池發電系統排放水收集系統，可以用來測量和收集排放水。試驗表明，排放水量隨著發電系統功率的增大而增大。

2）通過測量燃料電池排放水的pH、DO、電導率等表明，排放水屬于弱酸性水，水中含氧量處于偏低的水平，純度很高，屬于三級超純水。

3）燃料電池排放水可用作試驗用水、工業去離子水，廠區或住宅區、船舶航行生活用水等等。隨著燃料電池產業的壯大，燃料電池排放水的應用未來可期。

[1] 邱燕超, 王若曦. 五部門印發《加快電力裝備綠色低碳創新發展行動計劃》[J]. 農村電工, 2022, 30(10): 1.

[2] 周浩然, 張永林等. 質子交換膜燃料電池排水技術現狀研究[J]. 電源技術, 2020, 44(05): 774-777.

[3] IEC 62282-3-200-2019《固定式燃料電池發電系統性能試驗方法》[S].

[4] 岳曼等. 水的 pH 值盲樣檢測方法及影響因素淺析[J]. 廣州化工, 2022年第20卷第15期: 146-148.

[5] GB/T 6882-2008 《分析實驗室用水規格和試驗方法》[S].

Measurement and application of water discharge in hydrogen fuel cell power generation system

Wen Zui，Ma Jicheng，Cheng Xiangyang

（CATARC New Energy Vehicle Test Center (Tianjin) Co.，Ltd, Tianjin 300300, China）

TM911.4

A

1003-4862（2023）12-0038-04

2023-09-03

文醉（1985-），男，高級工程師。研究方向：燃料電池汽車及燃料電池關鍵部件測試。E-mail: wenzui@catarc.ac.cn