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        燃料電池發(fā)動機氫氣循環(huán)設(shè)計方案綜述

        2019-04-04 01:43:16馬秋玉王宇鵬都京黃興
        汽車文摘 2019年4期
        關(guān)鍵詞:引射器電堆循環(huán)泵

        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。

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