氢燃料电池发电系统排放水的测量与应用探讨

2024-01-08马继成陈向阳

船电技术 2023年12期

关键词：气水溶解氧气液

文醉，马继成，陈向阳

应用研究

氢燃料电池发电系统排放水的测量与应用探讨

文醉，马继成，陈向阳

（中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

本文介绍了典型的气水分离器的类型，设计了一套适用于氢燃料电池发电系统排放水收集的气水分离装置。同时，测量并分析了排水量受系统功率变化的影响，将搜集的排放水与自来水、矿泉水、蒸馏水在PH值、电导率、溶解氧含量上进行了对比测试，得出排放水属于弱酸性水，水中含氧量较低，纯度高，至少达到三级超纯水的等级，对燃料电池排放水的应用进行了展望。

氢燃料电池发电系统气水分离器排放水特性

0 引言

发展绿色发电、储能技术是碳达峰碳中和国家发展战略的重要方向。2022年08月，工信部联合五部委印发《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划的通知》[1]，明确氢能装备是绿色低碳发展重点方向之一。与传统发电装置相比，氢燃料电池发电系统具有更高的发电效率，在节能，环保等方面有更大的优势，可能实现更多的应用场景。2023年8月24日，日本政府不顾国际社会反对，执意启动核污水排海，将会对海洋资源造成严重的危害，同时也让淡水资源显得愈发重要。

在PEMFC中，水会伴随着燃料电池的运行而产生，而这些产生的水部分会通过气流、脉冲、特殊的流场设计等方式排出燃料电池电堆，以避免发生"水淹"现象[2]。大部分水气由阴极尾排排出，还有一部分会进入到阳极的循环中。由尾排排出的水被认为非常纯净，甚至可以饮用。但是，目前无论是燃料电池汽车或者固定式燃料电池发电系统，其排放的水都是直接排掉，很少得到利用。那么，氢燃料电池发电系统的排放水是否可以作为淡水资源具有收集和利用的价值呢？为此，本文首先研究了氢燃料电池发电系统排放水测量时气水分离的方法以及分析排水量受功率大小的影响，并结合对排放水的水质分析探讨了其可能应用的如汽车、船舶、固定式发电等领域。

1 氢燃料电池发电系统排放水的测量

1.1 气水分离器的类型介绍

目前多数的氢燃料电池发电系统尾排采用混排模式，既排出的废气与产生的水气是一起排出的。为了测量实际氢燃料电池发电系统在运行时的排水量，需要将尾排管连接一个气水分离器，实现气液分离。

气水分离器通常会做成一个容器，气体进入以后，通过内部结构的过滤、截留、冷凝等方法使得气液分离，在油气和化工行业中使用油气分离器和蒸汽气液分离器的情况是非常常见的。液态水收集于容器底部，而气体则从排气出口排出。结合不同的气液分离原理，使用比较的气水分离器有旋风式或离心式，挡板式或叶片式气水分离器以及凝聚型气水分离器等。

旋风式气水分离器是使用一系列翅片产生高速旋流。蒸汽的速度使其绕着分离器主体旋转，将较重的悬浮水甩到壁上，然后通过下方的排水阀排出。

挡板式或叶片式气液分离器则是由若干块挡板和容器壁组成，当水汽通过分离器本体时，会使气液混合流多次改变方向。使大部分的水滴从悬浮液中掉落，凝结水聚集在分离器的底部，通过排水阀排出。

凝聚型气液分离器在蒸汽路径中提供了一个障碍物。该障碍物通常是一个铁丝网垫，水分子被夹在上面。这些水分子往往会聚集在一起，产生的水滴逐渐变大变重，最终落入分离器的底部。常见的气液分离器，可将凝聚和旋流式的操作结合起来应用，从而达到事半功倍的效果。

图1 气水分离器示意图

1.2 排放水收集系统的开发

由于氢燃料电池发电系统运行的功率越大，进气流量增大，因此排气的流量和气流速度则越大，上述的气水分离器虽然种类不同，但是实际上都是在阻碍气流运动的过程中实现水气分离的。因此，当这类气水分离器应用在氢燃料电池发电系统排放水收集上时很容易导致排气背压过大，排气不畅，严重地会影响氢燃料电池发电系统的正常运行。

为此，设计了一套适用于氢燃料电池发电系统排放水收集的气水分离装置。该装置主要是利用内部的叶片的旋转产生离心力将排气中的液态水和附着在叶片表面的液态水甩到壁上，而排气也受叶片旋转的影响产生湍流，排气筒中间区域的气量减少，呈现螺旋前进，进一步加大了气体与内壁的接触，又起到了冷凝的作用，因此达到了很好的气水分离的效果。如图2所示。

图2 排放水收集系统示意图

从图2可以看到，该装置设计成L型筒形结构，内部水平段和竖直段都可以安装叶片。排气气流可以带动叶片轴旋转，水气撞击到叶片上后，受离心力的作用较重的悬浮水会被甩到壁上，最后沿着容器壁流入底部。叶片受排气气流而旋转，这样减小了装置整体对气流运动的阻碍，更适用于氢燃料电池发电系统运行时排放水的收集。还可以在叶片上打一些孔，形成网状结构，可以进一步提升凝聚效果。同时，该装置又充分利用排气的动能，叶片的旋转通过转轴将气流的动能传递到水泵，水泵旋转气流从而可以实现将产生的排放水通过水管泵入水箱中存储起来以作他用。由于以机械转轴的方式实现能量的转换，在泵水的过程中也不需要外接电源。此外，当不需要泵水时，还可将水泵的旋转动力转为电能，充入到电池中，进一步提升了燃料电池系统的发电效率。

1.3 排水量的测量与分析

将氢燃料电池发电系统安装于测试平台并连接好气路和管路，通氢后运行氢燃料电池发电系统运行，将排气管与排放水收集装置连接好后可以测量在指定运行工况下的排放水量。IEC 62282-3-200《固定式燃料电池发电系统性能试验方法》中提出测量排水，应测量体积、水温、pH值、生物需氧量（BOD）等参数[3]，但是并未规定具体的测量方法。本文利用排水收集装置测量了一台额定功率为60 kW的氢燃料电池系统在不同运行功率下的排水量，如图3所示。

图3 排水量的测量曲线

由图3可以看出，随着功率的增加，氢燃料电池系统的排水量呈现近似线性的增大，当系统在额定功率60 kW下运行时，其排水量达到17.60 L/h。由此可推断，若是一台兆瓦级的固定式燃料电池发电系统，当其在额定功率下运行时，每小时的排水量可达300 L，假使每月每天该系统在额定功率下运行1 h，则每月的产水量可达9 t，由此可见氢燃料电池系统运行时的产水量是可观的。

2 氢燃料电池排放水特性的测量

从上述分析可知，如果氢燃料电池系统排放的水直接排掉，从全行业的总量上看，对于水资源的浪费是巨大的。理论上讲，排放的水是由氢气和氧气的化学反应直接生成的，其水的纯净度应该是很高的，几乎不含任何杂质。为了解氢燃料电池排放水的具体的水质情况，本文从PH值、溶解氧含量、电导率等方面进行对三款氢燃料电池发电系统排气管出口处收集的排放水以及自来水、矿泉水、蒸馏水多种水质进行了对比评价。

2.1 pH值

pH 作为水质评价的重要指标，可以通过比色法、指示剂滴定法和电极法来测定，前者测量精度不高，滴定法较繁琐，准确定量时一般用电极法测定。当pH电极计中的玻璃膜接触到酸性或碱性溶液时，玻璃膜内外的离子浓度会发生变化，造成内部电位的改变，从而能够产生一个微小的电流，进而通过电压计可测量出pH值来。目前市场上购买的多为复合电极，进一步简化了实验流程，减少实验结果影响因素[4]。表1为不同样品的在室温下pH值的测量结果。

表1 不同样品pH值测量结果

从表1的结果可以看出，氢燃料电池发电系统的排放水的pH值介于6～7之间，呈弱酸性；而自来水和矿泉水都呈弱碱性，自来水的PH值相对最高；蒸馏水pH值接近于7。

2.2 溶解氧（DO）含量

溶解氧浓度是评价水质的重要指标之一，单位为mg/L。在水环境保护的各种标准中，都规定有溶解氧的指标。一般清洁水的溶解氧浓度大于7.5 mg/L，当溶解氧浓度大于5 mg/L时，才能适宜大多数鱼类生存。

目前常用的检测溶解氧浓度的方法有碘量法、电极极谱法，荧光法等。目前市场上使用较多的产品是电极极谱法溶解氧测量仪。电极极谱法的测量原理为在仪器的两极间加一个恒定电压，电子由阴极流向阳极，产生扩散电流；一定温度下，扩散电流与溶解氧浓度成正比；建立电流与溶解氧浓度的定量关系；仪器将电流计读数自动转换为溶解氧浓度，并在屏幕上显示溶解氧值。

表2 不同样品溶解氧含量测量结果(mg/L)

从表2的结果可以看出，氢燃料电池发电系统的排放水的溶解氧浓度值都在7 mg/L以下，而自来水、矿泉水、蒸馏水的溶解氧浓度值都大于7，矿泉水的溶解氧浓度值最高，达到8.69 mg/L。

2.3 电导率

电导率是反映水的纯度的重要指标。通常来说，电导率（EC）高的水会导致流体与杂质之间的化学反应增多，这可能会导致设备腐蚀或者是产品出现质量问题。总溶解固体（TDS）表示水中溶解的固体总量，包括盐类、金属离子和有机物。高TDS值的水可能会影响设备的操作效率，并增加维护和清洗设备的成本。电阻率（RO）是一种测量电阻的单位，通常用于衡量液体电导率的倒数。

表3 不同样品电导率测量结果（μs/cm）

依据GB/T 6882-2008《分析实验室用水规格和试验方法》的规定，当电导率小于5 μs/cm时为三级纯水，当电导率小于1 μs/cm时为二级纯水，当电导率小于0.1 μs/cm时为一级纯水[5]。

从表3的结果可以看出，氢燃料电池发电系统的排放水的电导率值小于5 μs/cm，达到二级水的纯度水平，由于测量的排放水的电导率是经过装瓶后测量的，可能受空气影响，空气中的杂质，如二氧化碳溶解的影响，导致电导率升高，因此若是刚从排气管路排出的排放水，其电导率可能会更低。此外，可以看出自来水、矿泉水、蒸馏水的电导率明显大于氢燃料电池发电系统的排放水的电导率，自来水电导率最大，说明自来水的纯度最差。

3 氢燃料电池排放水的应用探讨

通过以上对氢燃料电池排放水特性的测量和分析可知，氢燃料电池排放水属于偏弱酸性的超纯水，如果通过合理利用，可以将其变废为宝。

1）作为医疗机构及试验室用水。氢燃料电池系统的排放水至少可达到三级纯水的等级。典型的应用包括玻璃器皿的清洗、高压灭菌器、恒温恒湿实验箱和清洗机用水。若在医院或科研机构厂区内配备固定式发电系统时，可将排放水收集起来使用；

2）作为厂区或住宅区生活用水。在厂区或住宅区安装固定式燃料电池发电系统时，可将排放水收集起来，经过简单处理后，作为厨房、洗漱等生活用水也是完全可行的。

3）作为耐弱酸性的植物浇灌用水。很多养花的土壤要求肥沃，透气，微酸性，否则的话，花根容易发生腐烂，花根长不好，很难枝繁叶茂。而很多花卉植物更是喜欢用偏酸性水浇灌的，如蓝莓、茉莉花、栀子花、海棠花等。

4）作为船舶航行、房车旅行时生活用水。在远洋航行时，氢燃料电池不仅可以作为船舶的动力源，也可以为船上用电设备提供电力来源，在发电的同时收集其排放水完全可以作为船员生活、清洁冷却用水，可减少对海水淡化的依赖；当一辆燃料电池房车在旅行途中时，如果将排放水搜集起来，存储到储水箱中，则可保障旅途尤其是当离营地或服务区较远时的用水需求。