文 醉，馬繼成，陳向陽(yáng)

應(yīng)用研究

氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)排放水的測(cè)量與應(yīng)用探討

文 醉，馬繼成，陳向陽(yáng)

（中汽研新能源汽車檢驗(yàn)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(shè)計(jì)了一套適用于氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)排放水收集的氣水分離裝置。同時(shí)，測(cè)量并分析了排水量受系統(tǒng)功率變化的影響，將搜集的排放水與自來(lái)水、礦泉水、蒸餾水在PH值、電導(dǎo)率、溶解氧含量上進(jìn)行了對(duì)比測(cè)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(dá)到三級(jí)超純水的等級(jí)，對(duì)燃料電池排放水的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 氣水分離器 排放水特性

0 引言

發(fā)展綠色發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)是碳達(dá)峰碳中和國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要方向。2022年08月，工信部聯(lián)合五部委印發(fā)《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃的通知》[1]，明確氫能裝備是綠色低碳發(fā)展重點(diǎn)方向之一。與傳統(tǒng)發(fā)電裝置相比，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具有更高的發(fā)電效率，在節(jié)能，環(huán)保等方面有更大的優(yōu)勢(shì)，可能實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用場(chǎng)景。2023年8月24日，日本政府不顧國(guó)際社會(huì)反對(duì)，執(zhí)意啟動(dòng)核污水排海，將會(huì)對(duì)海洋資源造成嚴(yán)重的危害，同時(shí)也讓淡水資源顯得愈發(fā)重要。

在PEMFC中，水會(huì)伴隨著燃料電池的運(yùn)行而產(chǎn)生，而這些產(chǎn)生的水部分會(huì)通過(guò)氣流、脈沖、特殊的流場(chǎng)設(shè)計(jì)等方式排出燃料電池電堆，以避免發(fā)生"水淹"現(xiàn)象[2]。大部分水氣由陰極尾排排出，還有一部分會(huì)進(jìn)入到陽(yáng)極的循環(huán)中。由尾排排出的水被認(rèn)為非常純凈，甚至可以飲用。但是，目前無(wú)論是燃料電池汽車或者固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，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(fā)電系統(tǒng)的排放水是否可以作為淡水資源具有收集和利用的價(jià)值呢？為此，本文首先研究了氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)排放水測(cè)量時(shí)氣水分離的方法以及分析排水量受功率大小的影響，并結(jié)合對(duì)排放水的水質(zhì)分析探討了其可能應(yīng)用的如汽車、船舶、固定式發(fā)電等領(lǐng)域。

1 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)排放水的測(cè)量

1.1 氣水分離器的類型介紹

目前多數(shù)的氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)尾排采用混排模式，既排出的廢氣與產(chǎn)生的水氣是一起排出的。為了測(cè)量實(shí)際氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的排水量，需要將尾排管連接一個(gè)氣水分離器，實(shí)現(xiàn)氣液分離。

氣水分離器通常會(huì)做成一個(gè)容器，氣體進(jìn)入以后，通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的過(guò)濾、截留、冷凝等方法使得氣液分離，在油氣和化工行業(yè)中使用油氣分離器和蒸汽氣液分離器的情況是非常常見(jiàn)的。液態(tài)水收集于容器底部，而氣體則從排氣出口排出。結(jié)合不同的氣液分離原理，使用比較的氣水分離器有旋風(fēng)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(fēng)式氣水分離器是使用一系列翅片產(chǎn)生高速旋流。蒸汽的速度使其繞著分離器主體旋轉(zhuǎn)，將較重的懸浮水甩到壁上，然后通過(guò)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(dāng)水汽通過(guò)分離器本體時(shí)，會(huì)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(jié)水聚集在分離器的底部，通過(guò)排水閥排出。

凝聚型氣液分離器在蒸汽路徑中提供了一個(gè)障礙物。該障礙物通常是一個(gè)鐵絲網(wǎng)墊，水分子被夾在上面。這些水分子往往會(huì)聚集在一起，產(chǎn)生的水滴逐漸變大變重，最終落入分離器的底部。常見(jiàn)的氣液分離器，可將凝聚和旋流式的操作結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，從而達(dá)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(tǒng)的開(kāi)發(fā)

由于氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的功率越大，進(jìn)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(shí)際上都是在阻礙氣流運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)水氣分離的。因此，當(dāng)這類氣水分離器應(yīng)用在氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)排放水收集上時(shí)很容易導(dǎo)致排氣背壓過(guò)大，排氣不暢，嚴(yán)重地會(huì)影響氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為此，設(shè)計(jì)了一套適用于氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)排放水收集的氣水分離裝置。該裝置主要是利用內(nèi)部的葉片的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力將排氣中的液態(tài)水和附著在葉片表面的液態(tài)水甩到壁上，而排氣也受葉片旋轉(zhuǎn)的影響產(chǎn)生湍流，排氣筒中間區(qū)域的氣量減少，呈現(xiàn)螺旋前進(jìn)，進(jìn)一步加大了氣體與內(nèi)壁的接觸，又起到了冷凝的作用，因此達(dá)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(tǒng)示意圖

從圖2可以看到，該裝置設(shè)計(jì)成L型筒形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部水平段和豎直段都可以安裝葉片。排氣氣流可以帶動(dòng)葉片軸旋轉(zhuǎn)，水氣撞擊到葉片上后，受離心力的作用較重的懸浮水會(huì)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(zhuǎn)，這樣減小了裝置整體對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的阻礙，更適用于氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)排放水的收集。還可以在葉片上打一些孔，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提升凝聚效果。同時(shí)，該裝置又充分利用排氣的動(dòng)能，葉片的旋轉(zhuǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)軸將氣流的動(dòng)能傳遞到水泵，水泵旋轉(zhuǎn)氣流從而可以實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)生的排放水通過(guò)水管泵入水箱中存儲(chǔ)起來(lái)以作他用。由于以機(jī)械轉(zhuǎn)軸的方式實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，在泵水的過(guò)程中也不需要外接電源。此外，當(dāng)不需要泵水時(shí)，還可將水泵的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)為電能，充入到電池中，進(jìn)一步提升了燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率。

1.3 排水量的測(cè)量與分析

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

圖3 排水量的測(cè)量曲線

由圖3可以看出，隨著功率的增加，氫燃料電池系統(tǒng)的排水量呈現(xiàn)近似線性的增大，當(dāng)系統(tǒng)在額定功率60 kW下運(yùn)行時(shí)，其排水量達(dá)到17.60 L/h。由此可推斷，若是一臺(tái)兆瓦級(jí)的固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)其在額定功率下運(yùn)行時(shí)，每小時(shí)的排水量可達(dá)300 L，假使每月每天該系統(tǒng)在額定功率下運(yùn)行1 h，則每月的產(chǎn)水量可達(dá)9 t，由此可見(jiàn)氫燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的產(chǎn)水量是可觀的。

2 氫燃料電池排放水特性的測(cè)量

從上述分析可知，如果氫燃料電池系統(tǒng)排放的水直接排掉，從全行業(yè)的總量上看，對(duì)于水資源的浪費(fèi)是巨大的。理論上講，排放的水是由氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)直接生成的，其水的純凈度應(yīng)該是很高的，幾乎不含任何雜質(zhì)。為了解氫燃料電池排放水的具體的水質(zhì)情況，本文從PH值、溶解氧含量、電導(dǎo)率等方面進(jìn)行對(duì)三款氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)排氣管出口處收集的排放水以及自來(lái)水、礦泉水、蒸餾水多種水質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)。

2.1 pH值

pH 作為水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，可以通過(guò)比色法、指示劑滴定法和電極法來(lái)測(cè)定，前者測(cè)量精度不高，滴定法較繁瑣，準(zhǔn)確定量時(shí)一般用電極法測(cè)定。當(dāng)pH電極計(jì)中的玻璃膜接觸到酸性或堿性溶液時(shí)，玻璃膜內(nèi)外的離子濃度會(huì)發(fā)生變化，造成內(nèi)部電位的改變，從而能夠產(chǎn)生一個(gè)微小的電流，進(jìn)而通過(guò)電壓計(jì)可測(cè)量出pH值來(lái)。目前市場(chǎng)上購(gòu)買的多為復(fù)合電極，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程，減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響因素[4]。表1為不同樣品的在室溫下pH值的測(cè)量結(jié)果。

表1 不同樣品pH值測(cè)量結(jié)果

從表1的結(jié)果可以看出，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的排放水的pH值介于6～7之間，呈弱酸性；而自來(lái)水和礦泉水都呈弱堿性，自來(lái)水的PH值相對(duì)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(píng)價(jià)水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，單位為mg/L。在水環(huán)境保護(hù)的各種標(biāo)準(zhǔn)中，都規(guī)定有溶解氧的指標(biāo)。一般清潔水的溶解氧濃度大于7.5 mg/L，當(dāng)溶解氧濃度大于5 mg/L時(shí)，才能適宜大多數(shù)魚類生存。

目前常用的檢測(cè)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(chǎng)上使用較多的產(chǎn)品是電極極譜法溶解氧測(cè)量?jī)x。電極極譜法的測(cè)量原理為在儀器的兩極間加一個(gè)恒定電壓，電子由陰極流向陽(yáng)極，產(chǎn)生擴(kuò)散電流；一定溫度下，擴(kuò)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(guān)系；儀器將電流計(jì)讀數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)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(cè)量結(jié)果(mg/L)

從表2的結(jié)果可以看出，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的排放水的溶解氧濃度值都在7 mg/L以下，而自來(lái)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(dá)到8.69 mg/L。

2.3 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是反映水的純度的重要指標(biāo)。通常來(lái)說(shuō)，電導(dǎo)率（EC）高的水會(huì)導(dǎo)致流體與雜質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)增多，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備腐蝕或者是產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。總?cè)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(jī)物。高TDS值的水可能會(huì)影響設(shè)備的操作效率，并增加維護(hù)和清洗設(shè)備的成本。電阻率（RO）是一種測(cè)量電阻的單位，通常用于衡量液體電導(dǎo)率的倒數(shù)。

表3 不同樣品電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果（μs/cm）

依據(jù)GB/T 6882-2008《分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法》的規(guī)定，當(dāng)電導(dǎo)率小于5 μs/cm時(shí)為三級(jí)純水，當(dāng)電導(dǎo)率小于1 μs/cm時(shí)為二級(jí)純水，當(dāng)電導(dǎo)率小于0.1 μs/cm時(shí)為一級(jí)純水[5]。

從表3的結(jié)果可以看出，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的排放水的電導(dǎo)率值小于5 μs/cm，達(dá)到二級(jí)水的純度水平，由于測(cè)量的排放水的電導(dǎo)率是經(jīng)過(guò)裝瓶后測(cè)量的，可能受空氣影響，空氣中的雜質(zhì)，如二氧化碳溶解的影響，導(dǎo)致電導(dǎo)率升高，因此若是剛從排氣管路排出的排放水，其電導(dǎo)率可能會(huì)更低。此外，可以看出自來(lái)水、礦泉水、蒸餾水的電導(dǎo)率明顯大于氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的排放水的電導(dǎo)率，自來(lái)水電導(dǎo)率最大，說(shuō)明自來(lái)水的純度最差。

3 氫燃料電池排放水的應(yīng)用探討

通過(guò)以上對(duì)氫燃料電池排放水特性的測(cè)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(guò)合理利用，可以將其變廢為寶。

1）作為醫(yī)療機(jī)構(gòu)及試驗(yàn)室用水。氫燃料電池系統(tǒng)的排放水至少可達(dá)到三級(jí)純水的等級(jí)。典型的應(yīng)用包括玻璃器皿的清洗、高壓滅菌器、恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱和清洗機(jī)用水。若在醫(yī)院或科研機(jī)構(gòu)廠區(qū)內(nèi)配備固定式發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，可將排放水收集起來(lái)使用；

2）作為廠區(qū)或住宅區(qū)生活用水。在廠區(qū)或住宅區(qū)安裝固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，可將排放水收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(yǎng)花的土壤要求肥沃，透氣，微酸性，否則的話，花根容易發(fā)生腐爛，花根長(zhǎng)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(lán)莓、茉莉花、梔子花、海棠花等。

4）作為船舶航行、房車旅行時(shí)生活用水。在遠(yuǎn)洋航行時(shí)，氫燃料電池不僅可以作為船舶的動(dòng)力源，也可以為船上用電設(shè)備提供電力來(lái)源，在發(fā)電的同時(shí)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(duì)海水淡化的依賴；當(dāng)一輛燃料電池房車在旅行途中時(shí)，如果將排放水搜集起來(lái)，存儲(chǔ)到儲(chǔ)水箱中，則可保障旅途尤其是當(dāng)離營(yíng)地或服務(wù)區(qū)較遠(yuǎn)時(shí)的用水需求。

4 總結(jié)

1）開(kāi)發(fā)了一套燃料電池發(fā)電系統(tǒng)排放水收集系統(tǒng)，可以用來(lái)測(cè)量和收集排放水。試驗(yàn)表明，排放水量隨著發(fā)電系統(tǒng)功率的增大而增大。

2）通過(guò)測(cè)量燃料電池排放水的pH、DO、電導(dǎo)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(jí)超純水。

3）燃料電池排放水可用作試驗(yàn)用水、工業(yè)去離子水，廠區(qū)或住宅區(qū)、船舶航行生活用水等等。隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)的壯大，燃料電池排放水的應(yīng)用未來(lái)可期。

[1] 邱燕超, 王若曦. 五部門印發(fā)《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》[J]. 農(nóng)村電工, 2022, 30(10): 1.

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

[3] IEC 62282-3-200-2019《固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)性能試驗(yàn)方法》[S].

[4] 岳曼等. 水的 pH 值盲樣檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)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(jí)工程師。研究方向：燃料電池汽車及燃料電池關(guān)鍵部件測(cè)試。E-mail: wenzui@catarc.ac.cn