叉車燃料電池集水箱系統(tǒng)設計

孫艷永

航天氫能（上海）科技有限公司 上海 200241

0 引言

燃料電池系統(tǒng)車輛具有零排放、長續(xù)航里程、短加注時間等特點，可以有效解決傳統(tǒng)燃油車輛帶來的環(huán)境問題，有利于社會減小大氣污染物SO2、NOx、PM排放，促進溫室氣體CO2減排[1]。叉車作為廣泛應用的工業(yè)車輛，其環(huán)保性也受到越來越多政府與企業(yè)的關注。在“碳達峰”、“碳中和”的政策影響下，氫燃料電池叉車逐漸走進人們的視野。

與內燃機叉車相比，以燃料電池為動力的叉車不受卡其循環(huán)的限制，燃料電池具有高效率優(yōu)點，而且不產生污染大氣的廢氣。與電動叉車相比，燃料電池叉車補給氫氣只需要數分鐘[2]，彌補了電動叉車充電時間長缺陷。

質子交換膜燃料電池工作過程中，氫氣和氧氣發(fā)生電化學反應，產生了電子流以及水蒸氣等。燃料電池陰極側產生大量水汽，水汽進入陰極流道。同時，陰極的水濃度較高，在膜兩側的水濃度梯度推動下，水由陰極向陽極傳遞，水的遷移量與水的濃度梯度和膜內水的擴散系數成正比，與膜的厚度成反比。陰極側部分水汽通過膜滲透到陽極側[3]，則在燃料電池陽極側也出現了水汽，水汽進入陽極流道。陰極流道和陽極流道內的水汽沿著各自流道流出燃料電池。質子交換膜燃料電池陰極流道排出的主要是空氣和水汽，陽極流道排出的主要是未反應完的氫氣和水汽。

通常情況下，燃料電池系統(tǒng)產生的水分沒有被收集，水分被直接排出到燃料電池系統(tǒng)外。應用在叉車的燃料電池系統(tǒng)由于場地要求需要對燃料電池系統(tǒng)產生的水分進行收集，定時排放水。為了解決這一問題，需要在燃料電池系統(tǒng)內配有進行水分收集的集水箱系統(tǒng)。

1 燃料電池集水箱系統(tǒng)設計

1.1 燃料電池集水箱系統(tǒng)需求分析

根據燃料電池系統(tǒng)應用在某叉車上的需要，按照燃料電池系統(tǒng)功率和叉車應用時長，計算出燃料電池系統(tǒng)產生4 L的水，考慮到集水箱內部上側需要留有氣體流通空間，集水箱體積要大于4 L。為了便于收集燃料電池排出的水分，集水箱布置在燃料電池系統(tǒng)下部。

為了提高氫氣利用率，燃料電池系統(tǒng)一般配有氫循環(huán)泵或引射器，其作用是把陽極流道排出的氣體中的氫氣導入陽極流道入口。從氫氣出口排出來的除反應完的氫氣外還摻雜有水，陰極流道側氮氣會滲透到陽極流道內，氫氣中液態(tài)水直接進入燃料電池陽極流道入口，大量的液態(tài)水進入電堆覆蓋氣體擴散層造成水淹，嚴重影響燃料電池堆的運行。為了避免陽極排出氣體中的水分不過多進入燃料電池，集水箱系統(tǒng)需要配有汽水分離器，陽極流道排出氣體經過汽水分離器，將陽極流道排出氣體中的水分分離出來，分離水分后的氫氣進入氫循環(huán)泵或引射器，從汽水分離器分離出的水分在汽水分離器下部聚集，汽水分離器下端需裝有電磁閥，電磁閥打開，水通過集水箱進氫口進入集水箱。由于陽極流道內的壓力，電磁閥打開時陽極流道排出氣體中的部分氫氣也會進入到集水箱內。燃料電池系統(tǒng)陰極流道排出氣體通過集水箱進空氣口，進入到集水箱。

集水箱中氣體需要排到水箱外，集水箱上需配氣體出口，集水箱中的氣體中夾帶水分，水平或向下的氣體出口布置會導致出口有很多水流出，所以氣體出口需要向上。氣體出口需要向上延伸一段高度，集水箱中夾帶水分的氣體沿著這段管路上升過程中，由于重力作用，使夾帶的水分掉落回集水箱內。

在燃料電池系統(tǒng)運行過程中，集水箱中的水不斷累積，集水箱內液位漸漸升高，導致集水箱內上部留給空氣流通的空間逐漸減少，減少到一定程度后氣體不能順利流動，燃料電池排出氣體不能正常流出，燃料電池內水分也不能排出，導致燃料電池系統(tǒng)陰極流道的反應氣體不能到達催化劑表面[4]，燃料電池性能下降，嚴重時，燃料電池系統(tǒng)降功率運行甚至停機。當集水箱內液位達到一定高度時，需要及時將集水箱內的水排出，集水箱系統(tǒng)需配有排水電磁閥，集水箱系統(tǒng)也需配液位傳感器，當集水箱內液位達到一定高度時，液位傳感器感測到液體，傳遞信號到燃料電池系統(tǒng)控制器，在燃料電池系統(tǒng)顯示面板上顯示液位過高，液位報警。操作人員根據顯示面板提示，打開排水開關，排水電磁閥打開，集水箱內的水被排出。根據對集水箱系統(tǒng)的需求，建立了集水箱系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 集水箱系統(tǒng)原理圖

1.2 燃料電池集水箱設計

由于燃料電池系統(tǒng)排出水分具有一定腐蝕性，所以集水箱采用不銹鋼304材料，經過鈑金折彎焊接加工制成。集水箱的固定支架被焊接在集水箱兩側面靠近底部部位，固定支架上有孔，用于螺栓固定集水箱。在集水箱頂面焊接有進氫口接頭、進空氣口接頭和出氣口接頭，進氫口接頭通過硅膠管與汽水分離器排水出口連接，進空氣口接頭通過硅膠管與燃料電池陰極流道出口連接。集水箱出氣口接頭上接有硅膠管，硅膠出口向上，并與大氣相通，用于排出集水箱內的氣體，氣體中部分水分在硅膠管上升過程中掉落水箱中。

集水箱底部有集水箱排水孔和固定排水電磁閥螺紋孔，排水孔在底部的設計是為了使水箱內的水可以全部被排空，保證有效體積更大。

叉車在行進過程中，燃料電池集水箱內液面會波動，造成液面沒有達到設置的液面高度時，液位傳感器探測到液體，傳感器將信號上傳，進而造成誤報液位的情況。為了防止這一情況發(fā)生，集水箱內部增加了隔板，以免整個集水箱液體大波動造成誤報。隔板上設計有一些孔，以便集水箱內部液體正常流動，從而保證隔板兩側液位高度一致。

由于氫氣密度低，沿汽水分離器下部電磁閥通過集水箱進氫口進入到集水箱內的氫氣容易在集水箱上表面聚集。由于氫氣的爆炸極限為4%～75%，存在危險，為了避免氫氣的聚集，集水箱頂面做傾斜設計。集水箱進氫口比集水箱出氣口低，進氫口在集水箱傾斜面靠近傾斜面下部，來自汽水分離器的氫氣進入到集水箱進氫口，沿著傾斜面上升到出氣口附近，避免了氫氣在集水箱內的聚集。同時，因為集水箱進氫口與出氣口有很大距離，由于水箱上部有很多空氣，氫氣由進氫口到出氣口過程中，氫氣充分與集水箱頂部空氣中氧氣反應生成水，保證盡量少的氫氣沿著出氣口排出到集水箱外，從而降低了燃料電池系統(tǒng)排出氫氣的濃度。不銹鋼集水箱結構如圖2所示。

圖2 不銹鋼集水箱結構示意圖

1.3 汽水分離器設計

為了將陽極流道排出氣體中的水分分離出來，集水箱系統(tǒng)需要配有汽水分離器，通常壓縮機等用的汽水分離器流阻過大，影響燃料電池陽極流道內氣體壓力，不能被使用。為此設計了汽水分離器，汽水分離器布置在燃料電池系統(tǒng)下方，汽水分離器入口與燃料電池陽極氣體出口通過膠管相連。為了使水分從氣體中分離出來，汽水分離器內部設計有遮擋的流道，帶有水分的氣體進入汽水分離器，經過彎折的流道，最后通過出口進入引射器或者循環(huán)泵。在經過彎折流道過程中，部分水分被分離出來，由于重力掉落到汽水分離器底部，水分在排水口上面聚集，當排水口下電磁閥打開時，水被排出汽水分離器。汽水分離器同樣采用不銹鋼304材料焊接而成，汽水分離器結構如圖3所示。

圖3 汽水分離器結構示意圖

1.4 集水箱系統(tǒng)零部件選型

對于液位傳感器選型，選用一款電容式液位傳感器，此傳感器具有尺寸小、不易結膜、不受凝露影響的優(yōu)點。液位傳感器上有固定螺紋，傳感器上帶有O形圈，集水箱上設計螺紋孔及O形圈槽，液位傳感器直接被擰入集水箱內。

為了節(jié)約集水箱排水的時間，集水箱的排水需要選用足夠大通徑的電磁閥，根據集水箱內達到設置液位時水的體積4 L，一般排水操作在5 min內為宜，查看現有的通用電磁閥通徑，選用通徑8 mm的電磁閥。由于燃料電池排出水分中具有腐蝕性，閥體材料選用不銹鋼。

2 集水箱系統(tǒng)設計改進

2.1 聚乙烯材料設計

不銹鋼材料集水箱質量達到5 kg，考慮到叉車對燃料電池系統(tǒng)有配重要求，該質量是適合的。但是，在加工焊接過程中，所需成本高，還要保證成品的密封性，不利于大批量生產。為了適應批量生產，同時考慮成本因素，采用質量較輕的聚乙烯材料滾塑成型的集水箱。

燃料電池運行最高溫度達到70 ℃，燃料電池排出氣體中的水分進入到聚乙烯材料集水箱，聚乙烯儲罐耐高溫值一般認為是70 ℃，所以選用聚乙烯材料的集水箱有軟化變形的風險。為了檢驗材料的耐溫性能，讓供應商按選定的材料做成碗狀的零件，在零件內加入水，在80 ℃高溫箱內烘烤72 h，經檢驗碗狀零件無任何軟化變形，證明材料耐溫性適合。

為了保證滾塑成型的集水箱強度，同時避免成型過程中出現翹曲，底部增加2條加強肋設計。考慮聚乙烯材料，對集水箱固定點進行了加強設計，固定點局部增厚。因為后期裝配中鑲件內會擰入接頭，鑲件會受到裝配力作用，鑲件周圍比箱體壁加厚設計。為了避免出現滾塑成型充模不滿的情況，鑲件徑向要有足夠大的聚乙烯材料面積[5]，故需對鑲件周圍比較小的徑向面積進行增大設計。

為利于滾塑成型，隔板上的孔去掉，隔板和集水箱外壁之間留空隙，代替孔起到使隔板兩側液位一致的作用。為了保證隔板的強度，隔板設計成中空型。

由于滾塑成型，聚乙烯集水箱采用內螺紋鑲件，選用不銹鋼接頭擰入內螺紋鑲件中代替不銹鋼水箱焊接的進出口接頭。聚乙烯集水箱如圖4所示。

圖4 聚乙烯集水箱剖面圖

2.2 聚乙烯材料集水箱系統(tǒng)零部件選型及布置

1）液位傳感器更改為浮球液位開關 為了降低成本，采用浮球液位開關代替電容式液位傳感器。現有的浮球液位開關一般是浮球直徑很大，而固定浮球液位開關的固定螺桿直徑比浮球直徑小，導致集水箱上的固定浮球開關的開口若按浮球液位開關的螺紋設計，浮球液位開關無法裝入集水箱內。為此設計定制了浮球液位開關，新浮球液位開關固定螺紋采用G1''螺紋，大于浮球直徑28 mm，集成水箱也采用G1''螺紋孔，這樣浮球液位開關在集成水箱外面就可以被裝入集水箱上。為了防止集水箱內氫氣從浮球液位開關連接處泄漏，在浮球液位開關固定螺紋底部裝有O形圈，集水箱上有相應的O形圈槽。浮球液位開關如圖5所示。

圖5 浮球液位開關示意圖

2）集水箱系統(tǒng)排水電磁閥位置改變 不銹鋼集水箱系統(tǒng)的排水電磁閥布置在集水箱底部，可以排空集水箱內的水。燃料電池系統(tǒng)被安裝后，排水電池閥在燃料電池系統(tǒng)底部，導致不便于維修拆裝，聚乙烯材料集水箱系統(tǒng)的排水電磁閥布置在集水箱側面靠近底部位置。集水箱底部向下擴大，增加了水箱高度，能夠滿足容納4 L水體積的要求。在排水電磁閥后裝有出口向下的彎頭，采用出口向下的排水彎頭，避免了排水時水噴濺到燃料電池系統(tǒng)上。聚乙烯集水箱系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 聚乙烯集水箱系統(tǒng)示意圖

3 結語

不銹鋼材料集水箱和聚乙烯材料集水箱通過了氣密、耐壓和高低溫試驗，搭載2種集水箱系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)，經過實驗室性能測試，達到燃料電池系統(tǒng)使用要求。截至當前已有1套不銹鋼材料的集水箱系統(tǒng)在叉車上運行6 m，8套聚乙烯材料集水箱系統(tǒng)在叉車上遠行2 m，目前運行正常。

2種材料集水箱的燃料電池集水箱系統(tǒng)能夠對燃料電池系統(tǒng)水分進行收集，滿足了叉車對燃料電池系統(tǒng)集水和定時排水的要求。