氢氧燃料电池能源自动供应装置的研制

郑寅 陈强 康淑婷

北京航天试验技术研究所，北京 100074

0 前言

氢能被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。世界各国高度重视氢燃料电池技术，以实现低碳、清洁发展模式[1]。氢氧燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能转变为电能的发电装置。为了维持电堆的正常工作，燃料电池系统需要氢氧供应系统等辅助系统的协同配合，为其提供压力稳定、流量匹配、温度适宜的氢气和氧气。本课题目的在于研制出可以为燃料电池定压、定流量提供氢气、氧气的集成装置，便于能源装置整体撬装。为了满足电机按照工作时间要求的氢氧气供应量，选择能量密度更高的液氢、液氧汽化后进行介质供应。

1 氢氧供应系统工艺原理设计

氢氧供应工艺系统主要包括氢供应系统、氧供应系统、氮气系统。系统配备的电气、阀门都采用Ⅱ级防爆。液态氢/氧从槽车经由汽化器后成为系统的供气气源。根据设计目标，气源压力：氢0.5 MPa，氧0.6 MPa。气源管道从耐压舱通过穿舱接口进入燃料电池舱，与燃料电池舱的供气模块相连，供气模块原理图如图1所示，虚线框内为燃料电池舱内设备。

氢供应系统包含液氢容器、汽化器、缓冲罐、减压器、阀门、过滤器、压力表、管道附件等[2]。液氢容器考虑使用液氢槽车，增压采用槽车自增压的系统，液氢槽车最高自增压能力0.5 MPa。槽车需满足3 m3液氢的供应能力。供氢管道设置汽化器、过滤器、缓冲罐、电磁阀、减压器。其中，过滤器、减压器、缓冲罐、电磁阀及相应管路均置于舱内[3]。

氧供应系统的组成及原理与氢系统相似，包含液氧容器、汽化器、减压器、缓冲罐、阀门、过滤器、压力表、管道附件等。液氧容器考虑使用液氧槽车，增压采用槽车自增压的系统，液氧槽车最高自增压能力0.6 MPa。槽车需满足2 m3液氧的供应能力。根据气源供气压力及用气需求，对供气管路的流量、流速、流阻进行了分析计算，根据计算结果，综合考虑管路可靠性、经济性、安全性，氢、氧管道拟选取管道通径DN8，其他部分DN12。

氮气系统用于液氢/液氧槽车后端管路的吹除。在试验准备阶段，需要对管路进行洁净度检查、气密性检查，以及管道吹除置换等。氮气管路选用DN6不锈钢管，使用压力0.6 MPa。

2 燃料电池舱内供应装置布局

供氢、供氧装置安装于燃料电池内，供氢部分包括氢气缓冲罐、氢气减压器、氢用过滤器、防爆电磁阀、压力传感器、温度传感器、单向阀以及管路等；供氧部分包含氧气缓冲罐、氧气减压器、氧用过滤器、防爆电磁阀、压力传感器、温度传感器、单向阀以及管路等[4]。各部分安装情况如图2所示。

3 氢氧供应控制系统设计

3.1 功能要求

测控系统结构如图3所示，其中供氢、供氧两套工艺系统共用一套测控系统。控制器完成工艺管路压力、温度各处信号采集和数据存储，进行系统运行状态监控，并将数据通过CAN总线发送给燃料电池舱内控制器，同时接收燃料电池控制器发来的开始供氢、开始供氧、停止供氢、停止供氧、浓度报警信号，控制前端电磁阀开闭，进行供氢、供氧控制。当控制器检测到超压、氢浓度报警等危险状态时，通过控制前端电磁阀进行应急状态处理。技术指标如下：

（1）额定电压：24 V；

（2）CAN通信接口：2路；

（3）RS485通信接口：2路；

（4）4～20 mA模拟量输入：16路；单通道最大采样率：200 kS/s；模拟分辨率：13位；

（5）数字输出端口：16路；

（6）数字输入端口：16路；负载电压：24 V；

（7）工作温度：-40～85 ℃。

3.2 监控与通讯

燃料电池舱内部均为远程控制阀门[5]，正式供应介质阶段，当检测到氢氧系统缓冲罐压力到达0.5 MPa，调节减压阀，打开电磁阀进入介质正常供应阶段，根据情况，调节减压阀压力出口稳定于0.3±0.02 MPa。

对工艺参数状态进行监控，当供氢氧出口压力、缓冲罐压力、氢浓度探头参数超出报警限时，控制器控制相应电磁阀打开和闭合，以确保系统安全。

通过CAN总线与燃料电池舱控制器系统通信，完成指令接收，并上传工艺状态参数。当工艺状态发生异常时，给出相应报警信号，CAN总线传输参数如表1所示。

表1 CAN总线传输参数列表

4 试验数据分析

地面试验累计运行100小时。过程中，燃料电池变工况运行的输出功率变化如图4所示，经过长达100小时的变工况运行试验，图5为氢供应温度、氢供应压力试验数据，图6为氧供应温度、氧供应压力试验数据。分析试验数据，液氢、液氧经过槽车自增压方式实现了气体供应，且液氢压力稳定在0.37～0.42 MPa之间，液氧压力稳定在0.47～0.56 MPa之间；液氢、液氧经过汽化后，压力增高，通过加温处理，氢气、氧气供应温度符合燃料电池进气需求，均不低于0度；减压器工作正常，可以及时根据工况变化调整，按照燃料电池的进气压力要求，氢气供应压力维持在3.15～3.35之间，氧气供应压力维持在3.05～3.25之间，供氢、供氧装置满足燃料电池介质供应要求。

5 结束语

燃料电池能源自动供氢、供氧装备为燃料电池运行提供安全和高效的介质保障，是动力系统的重要组成部分。液氢、液氧与氢氧燃料电池的匹配使用在国内尚属首次，通过长达100小时的试验，供氢、供氧装备始终表现良好，状态稳定，满足了能源系统高可靠性的要求，通过试验得出以下结论：

（1）液态储氢（储氧）、汽化供应的方案满足燃料电池介质要求；

（2）密闭环境下，供氢、供氧装备与燃料电池系统匹配性较高，且采用的安全控制措施有效；

（3）供氢、供氧装备按照燃料电池供应需求，满足响应时间要求，实现了氢气、氧气的远程自动控制。