燃料電池發(fā)動機氫氣循環(huán)設計方案綜述

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內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]。

燃料電池系統方案設計是燃料電池汽車的核心技術，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。

燃料電池系統主要包含空氣供應子系統、氫氣循環(huán)子系統和水熱管理子系統，共3大系統。其中，氫氣循環(huán)子系統向電堆連續(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反應的正常進行。氫氣循環(huán)系統通過大量氫氣循環(huán)利用，保證燃料電池內的水平衡，并提高系統的經濟性。圖1為燃料電池系統方案。

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

圖1 系統原理圖

2 氫氣循環(huán)回路設計

燃料電池在工作過程中，會有明顯的反應不完全的情況，即有很多氫氣不會參加反應，如果將未反應的氫氣直接排放到大氣中，既是一種污染，也會導致氫氣浪費。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

系統將未反應的氫氣直接排放到大氣中，這一方案雖然結構簡單，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所需的氫氣量，不能實現過量的氫氣計量比，從而導致反應效率下降，且由于將出口端封死，容易積聚反應水，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，難以滿足系統經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

再循環(huán)系統是將未反應的反應物輸送回輸入端，從而使反應物的浪費最小化。與死端模式相比，再循環(huán)系統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。按照實現方式和再循環(huán)系統的設備，又可以分為幾種不同形式，見表1。

2.3.1 無泵系統

日本宇宙航天研究機構的Masatoshi Uno等人提出了一種利用反應物供應和消耗產生的壓力升降實現未反應氫氣的再循環(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端的氣壓，檢測閥2并不會開啟，見圖4。

表1 再循環(huán)系統設備和實現方式

圖3 無泵系統方案原理[5]

圖4 無泵系統方案原理-模式A[5]

當壓力達到一定值時，減少氫氣供應端的氫氣供應量，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之間的未反應氫氣就會被抽吸到燃料電池電堆中參與反應，實現無泵循環(huán)，見圖5。

圖5 無泵系統方案原理-模式B[5]

2.3.2 機械泵系統

機械泵系統[6]屬于再循環(huán)系統中的傳統設計方式，優(yōu)點在于能夠輕松控制，從而實現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生額外的能耗、噪音、振動等問題，并且增加系統重量和體積，不利于進行發(fā)動機的布置和結構緊湊性設計，見圖6。

圖6 機械泵系統[7]

2.3.3 雙引射器系統（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，進而實現對電堆陽極出口處氫氣的回流引射。引射器具有不產生寄生功率、體積小、開發(fā)設計簡單、資源廣泛等優(yōu)點。因此，合理的引射器設計能有效改善燃料電池性能。噴射器系統與機械泵系統的功能原理相似，都用于回收利用電堆陽極出口未反應的氫氣，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。

美國技術咨詢公司DTI于2010年提出了雙引射器的燃料電池系統設計方案[8]。該系統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[8]

2.3.4 單引射器系統

隨著引射器技術的不斷進步與發(fā)展，已經出現脈沖式單引射器，可以取代雙引射器方案，實現系統結構與體積的進一步優(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 單引射器系統原理圖[9]

2.3.5 引射器與氫氣循環(huán)泵并聯系統

在引射器工作范圍內使用噴射器將未反應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)泵實現氫氣循環(huán)。引射器與氫氣循環(huán)泵協同工作，實現氫氣的循環(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)泵并聯系統原理圖[10]

2.3.6 引射器加旁路噴射器系統

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生的液態(tài)水。另外，電堆工作過程中，氮氣會通過質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，而系統要求在氮氣濃度高于20%時才進行凈化吹掃過程[13]，這就導致氫氣的浪費損失，影響經濟性指標與續(xù)駛里程，見圖10。

3 結論及啟示

氫氣供給子系統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反應的連續(xù)進行。以上是供氫系統方案對比分析，從為數不多的國內外市場產品的技術應用上可以看出，不同廠家會根據燃料電池系統的功率大小、技術方案、應用車型等，從效率、成本、技術成熟度、資源可及性等方面進行供氫系統原理方案的設計，系統方案設計是綜合考量的結果。

圖10 引射器與旁路噴射系統原理圖[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，電堆內部反應均勻等優(yōu)點；而引射器在小功率范圍無法工作，控制困難，電堆內部反應不均勻，回氫量小，怠速工況下水不斷積聚，導致吹掃頻繁，從而導致氫氣利用率降低等缺點；但未來引射器的設計要求其在怠速到全功率范圍內實現工作，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、設計簡單、質量體積小等優(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，未來系統還推薦加入旁路噴射器來輔助吹掃過程，優(yōu)化系統合理性以及提高壽命等。

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