馬秋玉 王宇鵬 都京 黃興

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：燃料電池 氫氣循環(huán)方案 引射器 氫氣循環(huán)泵 吹掃

1 前言

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出，各個國家紛紛公布傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的禁售時間，新能源汽車成為世界各大汽車廠商及研發(fā)機構(gòu)的研究熱點，其中燃料電池汽車以其高效率和零排放的特點被認為具有廣闊的發(fā)展前景[1]。

燃料電池系統(tǒng)方案設(shè)計是燃料電池汽車的核心技術(shù)，決定了燃料電池汽車的性能和壽命，也是各國大型車企的研發(fā)熱點。

燃料電池系統(tǒng)主要包含空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氫氣循環(huán)子系統(tǒng)和水熱管理子系統(tǒng)，共3大系統(tǒng)。其中，氫氣循環(huán)子系統(tǒng)向電堆連續(xù)提供一定壓力和流量的高純度氫氣，保證燃料電池電堆中的電化學(xué)反應(yīng)的正常進行。氫氣循環(huán)系統(tǒng)通過大量氫氣循環(huán)利用，保證燃料電池內(nèi)的水平衡，并提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。圖1為燃料電池系統(tǒng)方案。

氫氣循環(huán)系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的動力性、經(jīng)濟性，以及電堆內(nèi)部水平衡以及膜電極壽命起到至關(guān)重要的作用。本文主要對氫氣循環(huán)子系統(tǒng)的方案進行論證分析。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 氫氣循環(huán)回路設(shè)計

燃料電池在工作過程中，會有明顯的反應(yīng)不完全的情況，即有很多氫氣不會參加反應(yīng)，如果將未反應(yīng)的氫氣直接排放到大氣中，既是一種污染，也會導(dǎo)致氫氣浪費。為了解決這一問題，目前有以下幾種解決方案：

2.1 直排無循環(huán)模式

系統(tǒng)將未反應(yīng)的氫氣直接排放到大氣中，這一方案雖然結(jié)構(gòu)簡單，不涉及用到循環(huán)部件，但氫氣排放到大氣中，不僅造成燃料的浪費，影響經(jīng)濟性與續(xù)駛里程，還將對大氣造成一定污染，如果此時空間不暢通，還極其危險，故而不被整車廠以及科研院所采用。

2.2 死端模式

密歇根大學(xué)的Jixin Chen等人提出了死端模式[2]，死端模式是將燃料電池系統(tǒng)的至少一個出口封住。由于氣體出口被封住，因此氫氣會在電堆中停留更長時間，從而提高氫氣利用率。死端模式雖然簡化了系統(tǒng)部件，且一定程度上減少了氫氣的浪費，但是一定條件下只能提供電堆反應(yīng)所需的氫氣量，不能實現(xiàn)過量的氫氣計量比，從而導(dǎo)致反應(yīng)效率下降，且由于將出口端封死，容易積聚反應(yīng)水，所以需要定期清除殘留水，這一操作使得燃料電池的性能下降，難以滿足系統(tǒng)經(jīng)濟性和耐久性等要求[3]。陽極死端模式見圖2。

圖2 陽極死端模式[3]

2.3 建立再循環(huán)系統(tǒng)

再循環(huán)系統(tǒng)是將未反應(yīng)的反應(yīng)物輸送回輸入端，從而使反應(yīng)物的浪費最小化。與死端模式相比，再循環(huán)系統(tǒng)不需要定期進行清除積水操作，從而可以更加穩(wěn)定和持久地運行。按照實現(xiàn)方式和再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備，又可以分為幾種不同形式，見表1。

2.3.1 無泵系統(tǒng)

日本宇宙航天研究機構(gòu)的Masatoshi Uno等人提出了一種利用反應(yīng)物供應(yīng)和消耗產(chǎn)生的壓力升降實現(xiàn)未反應(yīng)氫氣的再循環(huán)[5]。其原理圖見圖3。

在具體操作過程中包括模式A和模式B兩種模式。

在模式A下，對燃料電池供氣，并且供給量大于氫氣的消耗量，如此，未反應(yīng)的氫氣會通過檢測閥1，進入檢測閥1和閥2之間。同時由于此處的氣壓小于氫氣供應(yīng)端的氣壓，檢測閥2并不會開啟，見圖4。

表1 再循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備和實現(xiàn)方式

圖3 無泵系統(tǒng)方案原理[5]

圖4 無泵系統(tǒng)方案原理-模式A[5]

當(dāng)壓力達到一定值時，減少氫氣供應(yīng)端的氫氣供應(yīng)量，此時燃料電池仍會進一步消耗電堆中的氫氣，使得壓力下降，直到檢測閥2由于壓力差而開啟。積累在檢測閥1和閥2之間的未反應(yīng)氫氣就會被抽吸到燃料電池電堆中參與反應(yīng)，實現(xiàn)無泵循環(huán)，見圖5。

圖5 無泵系統(tǒng)方案原理-模式B[5]

2.3.2 機械泵系統(tǒng)

機械泵系統(tǒng)[6]屬于再循環(huán)系統(tǒng)中的傳統(tǒng)設(shè)計方式，優(yōu)點在于能夠輕松控制，從而實現(xiàn)電堆陽極出口處的氫氣回收利用，且不存在工作范圍限制；但其主要缺點在于機械泵的使用會產(chǎn)生額外的能耗、噪音、振動等問題，并且增加系統(tǒng)重量和體積，不利于進行發(fā)動機的布置和結(jié)構(gòu)緊湊性設(shè)計，見圖6。

圖6 機械泵系統(tǒng)[7]

2.3.3 雙引射器系統(tǒng)（Dual-Ejector）

引射器通過變徑，降低氫瓶端輸入的高壓氫氣壓力并提高流速，從而形成與電堆陽極出口端的壓差，進而實現(xiàn)對電堆陽極出口處氫氣的回流引射。引射器具有不產(chǎn)生寄生功率、體積小、開發(fā)設(shè)計簡單、資源廣泛等優(yōu)點。因此，合理的引射器設(shè)計能有效改善燃料電池性能。噴射器系統(tǒng)與機械泵系統(tǒng)的功能原理相似，都用于回收利用電堆陽極出口未反應(yīng)的氫氣，二者主要區(qū)別在于噴射器中沒有移動部件，因此機械穩(wěn)定性更好。并且在體積和重量上具有機械泵無可比擬的優(yōu)勢，見圖7。

美國技術(shù)咨詢公司DTI于2010年提出了雙引射器的燃料電池系統(tǒng)設(shè)計方案[8]。該系統(tǒng)方案利用高低壓兩個氫氣引射器替代氫氣循環(huán)泵來實現(xiàn)氫氣循環(huán)功能，其中引射器分為低壓氫氣引射器和高壓氫氣引射器，分別針對不同電堆功率情況下實現(xiàn)回氫功能。引射器一般為固定噴嘴式引射器與可變噴嘴式引射器。

圖7 雙引射器系統(tǒng)[8]

2.3.4 單引射器系統(tǒng)

隨著引射器技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)脈沖式單引射器，可以取代雙引射器方案，實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與體積的進一步優(yōu)化。但是適合于燃料電池環(huán)境的噴射器還不是特別成熟，尤其在低功率區(qū)存在工作范圍局限性，而且由于引射器本身受工況影響很大，在燃料電池啟停、負載變化時，其工作穩(wěn)定性很難保證，見圖8。

圖8 單引射器系統(tǒng)原理圖[9]

2.3.5 引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)系統(tǒng)

在引射器工作范圍內(nèi)使用噴射器將未反應(yīng)的氣體輸送到輸入端，在引射器不工作的低功率區(qū)通過氫氣循環(huán)泵實現(xiàn)氫氣循環(huán)。引射器與氫氣循環(huán)泵協(xié)同工作，實現(xiàn)氫氣的循環(huán)利用，該方案不僅規(guī)避了引射器工作范圍局限性的缺點，對氫氣循環(huán)泵的功率也沒有很高的要求，但對引射器與氫氣循環(huán)泵的匹配和控制提出更高要求[10]，見圖9。

圖9 引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)系統(tǒng)原理圖[10]

2.3.6 引射器加旁路噴射器系統(tǒng)

單一引射器，不論是脈沖式引射器還是其他類型引射器，無法在低功率下去除電堆中產(chǎn)生的液態(tài)水。另外，電堆工作過程中，氮氣會通過質(zhì)子交換膜從電堆陰極滲透到電堆陽極，并在陽極逐漸積聚，導(dǎo)致氫氣濃度降低，影響電堆的極化性能，因此需要定時對電堆陽極進行吹掃以保證陽極氫氣濃度，進而保證電堆單體電壓，但在吹掃過程中，需要大量的氫氣注入電堆以保證壓力的穩(wěn)定，因此需要旁路噴射器來為吹掃過程提供額外的氫氣[11][12]。但是脈沖式引射器在氮氣濃度高于15%時進行定期吹掃過程，而系統(tǒng)要求在氮氣濃度高于20%時才進行凈化吹掃過程[13]，這就導(dǎo)致氫氣的浪費損失，影響經(jīng)濟性指標(biāo)與續(xù)駛里程，見圖10。

3 結(jié)論及啟示

氫氣供給子系統(tǒng)的作用是儲藏氫氣燃料和向電堆連續(xù)提供一定壓力和流量的高純度氫氣，保證燃料電池電堆中的電化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)進行。以上是供氫系統(tǒng)方案對比分析，從為數(shù)不多的國內(nèi)外市場產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用上可以看出，不同廠家會根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的功率大小、技術(shù)方案、應(yīng)用車型等，從效率、成本、技術(shù)成熟度、資源可及性等方面進行供氫系統(tǒng)原理方案的設(shè)計，系統(tǒng)方案設(shè)計是綜合考量的結(jié)果。

圖10 引射器與旁路噴射系統(tǒng)原理圖[13]

氫氣循環(huán)泵與引射器分別具有各自的優(yōu)缺點，首先，循環(huán)泵具有容易控制，工作范圍廣泛，電堆內(nèi)部反應(yīng)均勻等優(yōu)點；而引射器在小功率范圍無法工作，控制困難，電堆內(nèi)部反應(yīng)不均勻，回氫量小，怠速工況下水不斷積聚，導(dǎo)致吹掃頻繁，從而導(dǎo)致氫氣利用率降低等缺點；但未來引射器的設(shè)計要求其在怠速到全功率范圍內(nèi)實現(xiàn)工作，并且不存在寄生功率消耗，以此彌補引射器的上述缺點；另外，引射器還具有成本低、設(shè)計簡單、質(zhì)量體積小等優(yōu)點；在資源方面，氫氣循環(huán)泵目前資源主要集中在小功率級別，大功率級別氫氣循環(huán)泵資源稀缺。

綜上所述，從成本、資源可及性、效率、技術(shù)成熟度等方面綜合考量，引射器將成為未來發(fā)展的熱點。實際上各大整車廠也將設(shè)計研發(fā)的重點放在全功率范圍工作的引射器上，未來系統(tǒng)還推薦加入旁路噴射器來輔助吹掃過程，優(yōu)化系統(tǒng)合理性以及提高壽命等。

引射器已經(jīng)逐步成為燃料電池行業(yè)發(fā)展的熱點，對未來燃料電池產(chǎn)業(yè)化的推進至關(guān)重要。