張宏超 高海洋 張啟城 劉雙喜

（1-中汽研（天津）汽車(chē)工程研究院有限公司 天津 300300 2-中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司）

引言

氫燃料電池是一種把氫氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)換裝置，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，氫燃料電池不通過(guò)熱機(jī)過(guò)程，不受卡諾循環(huán)的限制，因此具有能量轉(zhuǎn)化效率高，環(huán)境友好等傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。在續(xù)航方面，氫燃料電池車(chē)又不存在現(xiàn)階段電動(dòng)車(chē)的里程焦慮和充電焦慮，一般只需加氫3 min 左右，續(xù)航里程即可達(dá)到700 km。由于這些優(yōu)點(diǎn)，氫燃料電池被普遍認(rèn)為是未來(lái)車(chē)輛動(dòng)力發(fā)展的理想方向之一。氫燃料電池系統(tǒng)一般由電堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成[1-8]。

1 氫氣供給系統(tǒng)和氧氣供給系統(tǒng)

氫氣供給系統(tǒng)和氧氣供給系統(tǒng)如圖1 和圖2 所示，2 系統(tǒng)是氫燃料電池的重要組成部分，對(duì)燃料電池的輸出功率變化和使用壽命有重要影響。

圖1 供氫回路

圖2 供氧回路

如圖1 所示，氫氣儲(chǔ)存在高壓氣罐中后，需要經(jīng)過(guò)手動(dòng)閥，減壓閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（將輸出壓力控制在0.2 MPa 左右）和加濕器進(jìn)入燃料電池電堆?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)后未參加反應(yīng)的氫氣通過(guò)氣水分離器和氫氣循環(huán)泵重新循環(huán)到氫氣供給端來(lái)提高氫氣的利用率。由于在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，空氣中的氮?dú)饪梢酝ㄟ^(guò)質(zhì)子交換膜，因此供氫回路末端還設(shè)有尾氣閥來(lái)定時(shí)排出氮?dú)?，防止氮?dú)夥e累。在氫氣罐附近安裝氫氣流量傳感器，監(jiān)測(cè)氫氣是否泄漏，在電堆的入口處，裝有壓力傳感器和流量傳感器，以檢測(cè)進(jìn)入電堆的氫氣是否符合電堆正常工作的要求。電化學(xué)反應(yīng)中未反應(yīng)完的氫氣，需要由氫氣循環(huán)泵再次送入氫氣進(jìn)氣道，避免氫氣的泄漏和浪費(fèi)。

如圖2 所示，在燃料電池的反應(yīng)中，除了氫氣外，還需要同等壓力的空氣?？諝馐紫纫?jīng)過(guò)空氣濾清器過(guò)濾，去除里面的雜質(zhì)，以免破壞質(zhì)子交換膜，然后經(jīng)過(guò)空壓機(jī)升壓（升壓到0.2 MPa），達(dá)到反應(yīng)氣體所需的壓力，最后經(jīng)過(guò)焓輪加濕器，加濕后進(jìn)入電堆。同樣在陰極入口處，也要加裝氣體流量計(jì)和壓力計(jì)，用以檢測(cè)進(jìn)入電堆的空氣是否滿(mǎn)足正常工作要求。

2 供氫系統(tǒng)損失的膨脹功計(jì)算

氫燃料電池中氫燃料的存儲(chǔ)是通過(guò)壓縮機(jī)將氫氣壓縮到35～70 MPa，這個(gè)過(guò)程需要消耗很大的壓縮功，然后再在使用過(guò)程中再通過(guò)節(jié)流膨脹的方式，最終通過(guò)可控電磁閥將氫氣的供給壓力降低到0.2 MPa 以供燃料電池堆反應(yīng)。從能量角度看，這樣壓縮和膨脹的過(guò)程只消耗了能量而未利用起來(lái)，產(chǎn)生了膨脹功損失，因此本節(jié)對(duì)節(jié)流閥減壓的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行能量損失分析，計(jì)算其能量損失的量并判斷是否具有重新利用的價(jià)值。由于氫燃料電池車(chē)還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，因此本次計(jì)算以已經(jīng)批量生產(chǎn)的豐田MIRAI 汽車(chē)的整車(chē)參數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。MIRAI 的整車(chē)基本參數(shù)如表1 所示。

表1 MIRAI 氫燃料電池車(chē)整車(chē)參數(shù)

因此可假設(shè)條件為供氫加壓閥減壓前壓力為70 MPa，減壓后最終壓力為0.2 MPa。溫度為常溫20 ℃（293.15 K）。由于減壓閥利用的是節(jié)流原理，所以節(jié)流前后物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)變化為h1=h2，P1＞P2，v1＜v2，s1＜s2，并且氣體的流速基本不變。根據(jù)氫氣的焦-湯系數(shù)可以判斷出氫氣節(jié)流后溫度會(huì)升高，但由于本次計(jì)算的是能量損失，升高的熱能基本也會(huì)以熱能的方式損失在外界環(huán)境中，所以此次可以按恒溫變化處理。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，有效能損失計(jì)算公式為

式中：I 為有效能；m 為流通的氫氣介質(zhì)質(zhì)量；T0為氫氣介質(zhì)在完全靜止?fàn)顟B(tài)下的溫度；ΔSg為節(jié)流前后單位質(zhì)量介質(zhì)熵的變化量。

1）壓力變化前后單位質(zhì)量氫氣熵的變化量

根據(jù)熵的變化量計(jì)算公式

式中：P1、P2為節(jié)流后壓力變化；Rg為氣體常數(shù)。

對(duì)于氫氣Rg=8.314/2=4.157 kJ/（kg·K）

2）氫氣質(zhì)量

因?yàn)槌B(tài)下氫氣密度為0.089 3 g/L，70 MPa 表壓力=681 個(gè)大氣壓力（絕對(duì)壓力），由T0=T1可得所以m1=681m0=0.089 3×681=60.81 g/L，因此可得氫氣的質(zhì)量為m=122.4×60.81=7 443.144 g=7.443 144 kg。

3）氫氣用盡后壓力變化的有效能損失

I=7.443 144×293.15×24.351=53 133.795 kJ。由此可得汽車(chē)100 km 平均有效能損失為i=I/6.5=8 174.43 kJ。當(dāng)汽車(chē)以60 km/h 車(chē)速行駛時(shí)，每s 的平均損失功為

由此可見(jiàn)，供氫系統(tǒng)在使用過(guò)程中，節(jié)流損失的能量是比較可觀的。以60 km/h 車(chē)速行駛時(shí)，每s的平均損失功相當(dāng)于整車(chē)行駛功率的7.9%，增加了整車(chē)攜有能量的浪費(fèi)，降低了車(chē)輛行駛里程。

3 壓縮氫氣能量回收的2 種方法分析

對(duì)于損失能量的回收，本節(jié)給出了2 種能量回收方法的計(jì)算，即使用氣動(dòng)機(jī)的回收方式和使用渦輪機(jī)的回收方式，并對(duì)其能量回收率進(jìn)行了分析。

3.1 氣動(dòng)機(jī)回收方式的能效計(jì)算

氣動(dòng)機(jī)的本質(zhì)就是利用具有壓縮能的壓縮氣體在氣缸內(nèi)膨脹來(lái)推動(dòng)活塞做功的一種設(shè)備，其原理和內(nèi)燃機(jī)類(lèi)似，但不需要承受燃料燃燒的高溫，因此使用普通鋼材即可，成本較低，結(jié)構(gòu)上也比內(nèi)燃機(jī)簡(jiǎn)單，可靠性高。對(duì)于氣動(dòng)機(jī)的缸數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，級(jí)數(shù)較多時(shí)，由于級(jí)間有吸熱的過(guò)程，氣動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化率就越高。

因?yàn)镸IRAI 氫燃料電池整車(chē)的氣瓶容積為V=122.4 L，氣瓶?jī)?chǔ)氣壓力為P0=70 MPa，氫氣續(xù)航里程為L(zhǎng)=650 km，溫度為常溫T=20 ℃（293.15 K），氫氣減壓后壓力為0.2 MPa，因此可假設(shè)氣動(dòng)機(jī)排氣壓力為P2=0.2 MPa，氣動(dòng)機(jī)為n 級(jí)膨脹，每級(jí)落壓比均為ε（落壓比相等時(shí)做功最大），則氣動(dòng)機(jī)第一級(jí)進(jìn)氣壓力為P1=0.2εn，氣動(dòng)機(jī)膨脹過(guò)程以多變過(guò)程進(jìn)行，多變指數(shù)為N=1.25。

多變過(guò)程膨脹功計(jì)算公式為

式中：Wts為總的膨脹功；m 為氫氣的質(zhì)量；Rg為氣體常數(shù)。

其中，

所以

在本情況中，由于氣動(dòng)機(jī)屬于附屬設(shè)備，考慮空間及成本限制，缸數(shù)不宜過(guò)多，因此本次以3 級(jí)氣動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。當(dāng)氣動(dòng)機(jī)為3 級(jí)膨脹，即n=3 時(shí)，式（5）的函數(shù)圖為

圖3 3 級(jí)膨脹的單級(jí)落壓比與總輸出功關(guān)系

由函數(shù)曲線(xiàn)可得，氣動(dòng)機(jī)最佳單級(jí)落壓比為3.9，此時(shí)最大總輸出功為20.35 MJ，若按氣動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率90%計(jì)算，則膨脹功為2 035 kJ×0.9=1 831.5 kJ，即一罐氫氣可降低能耗1 831.5 kJ。經(jīng)過(guò)換算，若將此能量通過(guò)電機(jī)等來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，可提高續(xù)航里程約17 km。

3.2 渦輪機(jī)回收方式的能效計(jì)算

由于氫燃料電池供氫系統(tǒng)溫度接近于常溫，并不像發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較高對(duì)渦輪葉片材料有較高的要求，并且供氫管路流量變化較為平穩(wěn)，因此渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)和加裝成本不會(huì)太高。

利用渦輪機(jī)回收氫氣的具體方法為首先使管路中的高壓氫氣流入具有一定角度的噴管中，以此來(lái)提升氫氣的流速并使其能夠平順地流入到渦輪機(jī)的蝸殼，然后使高速氫氣流體流經(jīng)葉輪使其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。氫氣流體在整個(gè)過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)變化如圖4 所示。

圖4 氣流在渦輪機(jī)中的參數(shù)變化

如圖4 所示，高壓氫氣在流過(guò)噴管后，壓力從P1 下降到P2，流速?gòu)腃1 提升到C2，將高壓氫氣的壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；而在到達(dá)葉輪出口時(shí)，氫氣的流速C3 要遠(yuǎn)小于C2，意味著氫氣在流經(jīng)噴管后轉(zhuǎn)化成的動(dòng)能很大程度上傳遞給了葉輪，從而轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。渦輪的效率ηT一般表示為

式中：WT為單位氣體在渦輪機(jī)軸輸出的有用功；HT為單位氣體所具有的能量。

由于當(dāng)流體在渦輪導(dǎo)向器最小截面處或者噴管出口處不處于臨界或超臨界狀態(tài)時(shí)，渦輪的落壓比并不是常數(shù)，氫氣的初終狀態(tài)參數(shù)難以通過(guò)計(jì)算進(jìn)行確定，并且渦輪具有一定的低速遲滯性，因此對(duì)于渦輪的效率需通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行精確計(jì)算。通過(guò)查詢(xún)其他參考文獻(xiàn)，現(xiàn)代的渦輪能量轉(zhuǎn)化效率ηT一般可以達(dá)到65%[8]?？紤]到氫氣瓶中的壓力變化隨著使用氣體的減少而逐漸降低并考慮渦輪的遲滯效應(yīng)，所以能夠用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪的壓力能在50%左右，因此渦輪能夠產(chǎn)生的能量大致為W=53 133.795×65%×0.5=17 268.483 kJ，同樣可以作為一個(gè)回收方案進(jìn)行參考。

4 結(jié)論與展望

氫燃料電池車(chē)在我國(guó)目前還處于研發(fā)試制階段，尚未有成熟量產(chǎn)的產(chǎn)品，同時(shí)我國(guó)也在對(duì)氫燃料電池車(chē)進(jìn)行大力的發(fā)展。本文以成熟產(chǎn)品MIRAI 為例，對(duì)其燃料電池供氫系統(tǒng)進(jìn)行膨脹功能量損失分析，分析得出整罐氫氣的膨脹功損失為53 133.795 kJ，損失功率相當(dāng)于整車(chē)在以60 km/h 行駛時(shí)總功率的7.9%，有一定的能量利用空間。然后又給出了2 種能量回收方案，并對(duì)其能量回收效果進(jìn)行分析，為提高氫燃料電池車(chē)?yán)m(xù)航里程開(kāi)辟了新的思路。