氫氧燃料電池能源自動(dòng)供應(yīng)裝置的研制

鄭寅 陳強(qiáng) 康淑婷

北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074

0 前言

氫能被視為未來(lái)能源革命的顛覆性技術(shù)方向。世界各國(guó)高度重視氫燃料電池技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)低碳、清潔發(fā)展模式[1]。氫氧燃料電池是以氫氣為燃料，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。為了維持電堆的正常工作，燃料電池系統(tǒng)需要?dú)溲豕?yīng)系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的協(xié)同配合，為其提供壓力穩(wěn)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(jī)按照工作時(shí)間要求的氫氧氣供應(yīng)量，選擇能量密度更高的液氫、液氧汽化后進(jìn)行介質(zhì)供應(yīng)。

1 氫氧供應(yīng)系統(tǒng)工藝原理設(shè)計(jì)

氫氧供應(yīng)工藝系統(tǒng)主要包括氫供應(yīng)系統(tǒng)、氧供應(yīng)系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)。系統(tǒng)配備的電氣、閥門都采用Ⅱ級(jí)防爆。液態(tài)氫/氧從槽車經(jīng)由汽化器后成為系統(tǒng)的供氣氣源。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，氣源壓力：氫0.5 MPa，氧0.6 MPa。氣源管道從耐壓艙通過(guò)穿艙接口進(jìn)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(nèi)為燃料電池艙內(nèi)設(shè)備。

氫供應(yīng)系統(tǒng)包含液氫容器、汽化器、緩沖罐、減壓器、閥門、過(guò)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(tǒng)，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(yīng)能力。供氫管道設(shè)置汽化器、過(guò)濾器、緩沖罐、電磁閥、減壓器。其中，過(guò)濾器、減壓器、緩沖罐、電磁閥及相應(yīng)管路均置于艙內(nèi)[3]。

氧供應(yīng)系統(tǒng)的組成及原理與氫系統(tǒng)相似，包含液氧容器、汽化器、減壓器、緩沖罐、閥門、過(guò)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(tǒng)，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(yīng)能力。根據(jù)氣源供氣壓力及用氣需求，對(duì)供氣管路的流量、流速、流阻進(jìn)行了分析計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮管路可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性，氫、氧管道擬選取管道通徑DN8，其他部分DN12。

氮?dú)庀到y(tǒng)用于液氫/液氧槽車后端管路的吹除。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，需要對(duì)管路進(jìn)行潔凈度檢查、氣密性檢查，以及管道吹除置換等。氮?dú)夤苈愤x用DN6不銹鋼管，使用壓力0.6 MPa。

2 燃料電池艙內(nèi)供應(yīng)裝置布局

供氫、供氧裝置安裝于燃料電池內(nèi)，供氫部分包括氫氣緩沖罐、氫氣減壓器、氫用過(guò)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(guò)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(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能要求

測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中供氫、供氧兩套工藝系統(tǒng)共用一套測(cè)控系統(tǒng)。控制器完成工藝管路壓力、溫度各處信號(hào)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給燃料電池艙內(nèi)控制器，同時(shí)接收燃料電池控制器發(fā)來(lái)的開始供氫、開始供氧、停止供氫、停止供氧、濃度報(bào)警信號(hào)，控制前端電磁閥開閉，進(jìn)行供氫、供氧控制。當(dāng)控制器檢測(cè)到超壓、氫濃度報(bào)警等危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)控制前端電磁閥進(jìn)行應(yīng)急狀態(tài)處理。技術(shù)指標(biāo)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(shù)字輸出端口：16路；

（6）數(shù)字輸入端口：16路；負(fù)載電壓：24 V；

（7）工作溫度：-40～85 ℃。

3.2 監(jiān)控與通訊

燃料電池艙內(nèi)部均為遠(yuǎn)程控制閥門[5]，正式供應(yīng)介質(zhì)階段，當(dāng)檢測(cè)到氫氧系統(tǒng)緩沖罐壓力到達(dá)0.5 MPa，調(diào)節(jié)減壓閥，打開電磁閥進(jìn)入介質(zhì)正常供應(yīng)階段，根據(jù)情況，調(diào)節(jié)減壓閥壓力出口穩(wěn)定于0.3±0.02 MPa。

對(duì)工藝參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)供氫氧出口壓力、緩沖罐壓力、氫濃度探頭參數(shù)超出報(bào)警限時(shí)，控制器控制相應(yīng)電磁閥打開和閉合，以確保系統(tǒng)安全。

通過(guò)CAN總線與燃料電池艙控制器系統(tǒng)通信，完成指令接收，并上傳工藝狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)工藝狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，給出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)，CAN總線傳輸參數(shù)如表1所示。

表1 CAN總線傳輸參數(shù)列表

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

地面試驗(yàn)累計(jì)運(yùn)行100小時(shí)。過(guò)程中，燃料電池變工況運(yùn)行的輸出功率變化如圖4所示，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)的變工況運(yùn)行試驗(yàn)，圖5為氫供應(yīng)溫度、氫供應(yīng)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖6為氧供應(yīng)溫度、氧供應(yīng)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，液氫、液氧經(jīng)過(guò)槽車自增壓方式實(shí)現(xiàn)了氣體供應(yīng)，且液氫壓力穩(wěn)定在0.37～0.42 MPa之間，液氧壓力穩(wěn)定在0.47～0.56 MPa之間；液氫、液氧經(jīng)過(guò)汽化后，壓力增高，通過(guò)加溫處理，氫氣、氧氣供應(yīng)溫度符合燃料電池進(jìn)氣需求，均不低于0度；減壓器工作正常，可以及時(shí)根據(jù)工況變化調(diào)整，按照燃料電池的進(jìn)氣壓力要求，氫氣供應(yīng)壓力維持在3.15～3.35之間，氧氣供應(yīng)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(zhì)供應(yīng)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

燃料電池能源自動(dòng)供氫、供氧裝備為燃料電池運(yùn)行提供安全和高效的介質(zhì)保障，是動(dòng)力系統(tǒng)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(guó)內(nèi)尚屬首次，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)的試驗(yàn)，供氫、供氧裝備始終表現(xiàn)良好，狀態(tài)穩(wěn)定，滿足了能源系統(tǒng)高可靠性的要求，通過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）液態(tài)儲(chǔ)氫（儲(chǔ)氧）、汽化供應(yīng)的方案滿足燃料電池介質(zhì)要求；

（2）密閉環(huán)境下，供氫、供氧裝備與燃料電池系統(tǒng)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(yīng)需求，滿足響應(yīng)時(shí)間要求，實(shí)現(xiàn)了氫氣、氧氣的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。