燃料電池系統(tǒng)氫循環(huán)部件性能測試

摘" 要：搭建了燃料電池系統(tǒng)測試臺架，設(shè)計(jì)了引射器和氫氣循環(huán)泵兩個(gè)部件基于燃料電池系統(tǒng)的測試方案，并對引射器和氫氣循環(huán)泵進(jìn)行了性能測試和對比分析。測試數(shù)據(jù)表明，引射器方案的燃料電池系統(tǒng)系統(tǒng)輸出功率比氫氣循環(huán)泵方案大0.1kW～0.3kW，系統(tǒng)效率比氫氣循環(huán)泵方案低0.2%～0.7%，從燃料電池系統(tǒng)系統(tǒng)層面分析氫循環(huán)部件性能可以獲得更為全面的評價(jià)分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：燃料電池系統(tǒng)；引射器；氫循環(huán)部件

中圖分類號：TM911.4" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）01-0072-05

Performance Test of Hydrogen Cycle Components for Fuel Cell System

MA Yi ， HE Te-li ， LIU Li-lian ， LI Xue-rui， ZHANG Jian

（ DongFeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430056， China）

Abstract： The fuel cell system test bench was built， and the test scheme of the ejector and the hydrogen cycle pump based on the fuel cell system was designed. The performance of the ejector and the hydrogen cycle pump was tested and compared. The test data shows that the fuel cell system output power of the ejector scheme is 0.1kW～0.3kW higher than that of the hydrogen cycle pump scheme， and the system efficiency is 0.2%～0.7% lower than that of the hydrogen cycle pump scheme. A more comprehensive evaluation and analysis result can be obtained by analyzing the performance of the hydrogen cycle components from the fuel cell system level.

Key Words： Fuel Cell System; Ejector; Hydrogen Cycle Components

馬" " 義

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，汽車工程學(xué)院，碩士研究生，現(xiàn)就職于東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，任主任工程師。主要研究方向：燃料電池系統(tǒng)性能開發(fā)，已發(fā)表論文數(shù)篇。

引" " 言

質(zhì)子交換膜燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高，且排放污染少，是一種高效清潔而且非常有發(fā)展前景的動力系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)包括空氣系統(tǒng)，氫氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，其中氫循環(huán)部件主要包括氫氣循環(huán)泵和引射器。氫氣循環(huán)泵的優(yōu)點(diǎn)是氫循環(huán)效果好，可全工況覆蓋，缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，成本高，體積大，寄生功耗高。而引射器無功率消耗、 噪音小、體積小利于布置集成，成本低，近年來成為各大企業(yè)尤其是汽車企業(yè)研究的熱點(diǎn)[1-4]。

同濟(jì)大學(xué)的周蘇[5]提出了兩級引 射器陽極循環(huán)系統(tǒng)方案，仿真結(jié)果表明，兩級引射器陽極循環(huán)系統(tǒng)可以滿足燃料電池0～300Ａ全負(fù)載范圍的工作需求，且具有較好的引射特性。上海理工大學(xué)的何明宇[6]針對兩款引射器分別進(jìn)行臺架測試與分析，在氫氣再循環(huán)系統(tǒng)采用雙級引射器并聯(lián)方案，使雙級引射器在全負(fù)荷下完全取代氫氣循環(huán)泵，減少氫氣循環(huán)泵功率，提高電堆輸出功率，減少燃料消耗。同濟(jì)大學(xué)的許思傳[7]針對某高壓質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)對引射器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性研究，并對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：增大引射器出口壓力和引射流體壓力可使引射系數(shù)得到提高；工作流體壓力對引射器性能的影響隨引射器出口所處工況的變化而變化。

目前行業(yè)對氫氣循環(huán)泵和引射器進(jìn)行了大量研究工作，但從燃料電池系統(tǒng)整體性能層面研究較少，本研究搭建了燃料電池系統(tǒng)測試臺架，對氫氣循環(huán)泵和引射器性能進(jìn)行測試，同時(shí)將引射器和氫氣循環(huán)泵在燃料電池系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行評價(jià)分析。

1" " 氫循環(huán)部件工作原理

氫氣循環(huán)泵包括羅茨式，爪式，離心式等，圖1為羅茨式氫氣循環(huán)泵工作特性MAP圖，轉(zhuǎn)速范圍覆蓋在2000r/min～8000/min，氫氣循環(huán)泵的性能指標(biāo)主要包括壓比和流量。圖中氫氣循環(huán)泵壓比范圍為1.05～1.3，氫氣質(zhì)量流量為 0.2g/s～1.5g/s。

引射器原理圖如圖2所示。高壓工作流氫氣經(jīng)引射器噴嘴以1.0～1.5馬赫數(shù)從噴嘴處流出，在噴嘴處會產(chǎn)生一定的負(fù)壓，引射區(qū)的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于引射流入口處的壓力，此時(shí)會將引射流入口的氣體吸入引射區(qū)，經(jīng)混合區(qū)最終由出口進(jìn)入燃料電池陽極[6]。

引射比是引射器的一個(gè)重要指標(biāo)，其數(shù)值大小直接影響著引射器的工作范圍，引射比為工作流的質(zhì)量流量與引射流入口之比，其表達(dá)式為

式中：M2為引射流的質(zhì)量流量，kg/s；M1為工作流的質(zhì)量流量，kg/s。

2" " 測試裝置

測試用燃料電池系統(tǒng)包括電堆、空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和FCCU控制器?？諝庀到y(tǒng)主要部件有空壓機(jī)、增濕器、背壓閥等。氫氣系統(tǒng)主要部件有進(jìn)氫閥、比例閥、氫氣循環(huán)泵、氣液分離器、排氫閥和排水閥等。冷卻系統(tǒng)主要包括水泵，溫控閥、去離子器、PTC加熱器等。

如圖3所示，燃料電池系統(tǒng)外圍輸入邊界由測試臺架提供，包括空氣過濾器，氫氣供應(yīng)裝置、電堆主散熱系統(tǒng)、空壓機(jī)及DCDC等輔助散熱系統(tǒng)、低壓供電和雙向電子負(fù)載。氫氣循環(huán)泵與引射器位置示意如圖，當(dāng)測試引射器時(shí)，氫氣循環(huán)泵用管路替代，當(dāng)測試氫氣循環(huán)泵時(shí)，引射器用管路替代。臺架上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與FCCU通訊與控制并監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，測試設(shè)備見表1，燃料電池系統(tǒng)參數(shù)見表2。

3" " 測試方法

3.1" "測試步驟

測試部件包括1個(gè)氫氣循環(huán)泵方案和1個(gè)引射器方案，氫氣循環(huán)泵最大轉(zhuǎn)速為6000r/min最大功率為1kW，引射器為單引射器部件，噴嘴喉口直徑為2mm。在氫氣循環(huán)部件的測試過程中，會調(diào)整排氫閥和排水閥的開啟周期和開啟脈寬，比如排氫閥每20s開啟0.5s，排水閥每10s開啟1s，以排掉電堆出口氫氣中的氮?dú)怆s質(zhì)和液態(tài)水，保證氫氣進(jìn)堆濃度和濕度，穩(wěn)定電堆的性能。

首先進(jìn)行氫氣循環(huán)泵性能測試，同時(shí)優(yōu)化排氫閥和排水閥的開啟周期和脈寬，獲得一組燃料電池系統(tǒng)基本參數(shù)，包括電堆電流，電堆單片電壓，系統(tǒng)功率，氫氣進(jìn)出堆壓差，氫氣流量。然后換裝引射器進(jìn)行性能測試，在氫循環(huán)泵方案保持相同的排水閥開啟周期和脈寬，保持相同的排氫閥開啟脈寬，僅適當(dāng)調(diào)整排氫閥的周期。使引射器方案和氫氣循環(huán)泵方案的燃料電池系統(tǒng)性能表現(xiàn)趨于一致。

3.2" "評價(jià)方法

基于3個(gè)典型運(yùn)行工況：燃料電池電堆電流35A、電堆電流174A、電堆電流360A，對兩種氫循環(huán)部件進(jìn)行綜合性能評價(jià)，包括燃料電池系統(tǒng)輸出功率，系統(tǒng)效率，電堆單片電壓偏差，氫氣進(jìn)出堆壓差，氫氣利用率。其中電堆單片電壓偏差為電堆平均單片電壓與電堆單片最低電壓之差。氫氣利用率為當(dāng)前電堆電流理論氫氣消耗量與實(shí)際氫氣消耗量之比。電堆電流I時(shí)理論氫氣消耗量按法拉第公式計(jì)算如下：

q：燃料電池電堆理論氫氣流量，g/s；

M ：氫氣摩爾質(zhì)量，2.016g/mol；

I：燃料電池電堆電流，A；

N ：燃料電池電堆單電池片數(shù)；

n ：每個(gè)氫分子釋放的電子數(shù)，2；

F：法拉第常數(shù)，95485C/mol。

4" " 測試結(jié)果

4.1" "綜合對比

測試結(jié)果見圖4～圖7，從圖4可以看出，引射器方案系統(tǒng)輸出功率比氫氣循環(huán)泵大0.1kW～ 0.3kW，這是因?yàn)橐淦?功率消耗，電堆電流越大，引射器方案相比氫氣循環(huán)泵的寄生功耗優(yōu)勢越明顯。

從圖5可以看出，引射器的氫氣消耗量大于氫氣循環(huán)泵，再結(jié)合圖6和圖7來看，引射器方案系統(tǒng)效率比氫氣循環(huán)泵低0.2%～0.7%，雖然引射器寄生功率小，但氫氣消耗量比氫氣循環(huán)泵大1%～3%，綜合起來，引射器的系統(tǒng)效率略低于氫氣循環(huán)泵，主要體現(xiàn)在電堆電流35A工況。引射器的氫氣利用率低于氫氣循環(huán)泵，電堆電流越小，引射器引射能力越差，導(dǎo)致系統(tǒng)氫耗量增加。引射器方案氫氣利用率比氫氣循環(huán)泵低1.6%～3.9%。

表3動態(tài)測試結(jié)果表明，引射器的動態(tài)響應(yīng)加載比氫氣循環(huán)泵慢0.1s，這兩個(gè)部件動態(tài)響應(yīng)基本相當(dāng)。

總體來看，引射器方案的燃料電池系統(tǒng)性能與氫氣循環(huán)泵方案差異較小，主要是在電堆小電流工況引射能力不足使得氫氣利用率較低，導(dǎo)致氫氣消耗量增加。

4.2" "原因分析

圖8為引射器方案和氫氣循環(huán)泵方案的氫氣進(jìn)出堆壓差對比結(jié)果，在氫氣進(jìn)堆濕度和氫氣濃度前提下，氫氣進(jìn)出堆壓差可以間接反映氫氣進(jìn)堆總流量，也就是氫氣計(jì)量比，氫氣進(jìn)出堆壓差越大，氫氣流量越大，即氫氣計(jì)量比越大。從圖8可以看出，采用引射器，氫氣進(jìn)出堆壓差比氫氣循環(huán)泵小1.2kPa～2.6kPa，電堆電流35A時(shí)，差異最為明顯，說明該工況引射器方案氫氣計(jì)量比遠(yuǎn)小于氫氣循環(huán)泵方案。

圖9和圖10需要結(jié)合一起分析，引射器方案因?yàn)闅錃庥?jì)量比小于氫氣循環(huán)泵，使得電堆內(nèi)部某一片或幾片單電池出現(xiàn)氫氣供應(yīng)不足，表現(xiàn)為電堆單片電壓偏差增大，見圖9，尤其是在電堆電流35A工況，因此需要優(yōu)化排氫閥開啟周期來防止電堆電壓偏差進(jìn)一步增加而出現(xiàn)單片電壓過低情況。從圖10可以看出，引射器方案的排氫閥開啟周期要比氫氣循環(huán)泵方案短1s～6s，尤其是在35A工況，需要更為頻繁的開啟排氫閥以維持正常的氫氣進(jìn)堆濃度和計(jì)量比，這就導(dǎo)致了引射器方案氫氣流量增加，氫氣利用率降低。

5" " 結(jié)論

引射器方案的燃料電池系統(tǒng)系統(tǒng)輸出功率比氫氣循環(huán)泵方案大0.1kW～0.3kW，系統(tǒng)效率比氫氣循環(huán)泵方案低0.2%～0.7%。

引射器方案氫氣消耗量比氫氣循環(huán)泵大1%～ 3%，氫氣利用率比氫氣循環(huán)泵低1.6%～3.9%。 引射器動態(tài)響應(yīng)與氫氣循環(huán)泵相當(dāng)。

引射器方案氫氣進(jìn)出堆壓差比氫氣循環(huán)泵方案低1.2kPa～2.6kPa，排氫閥開啟周期比氫氣循環(huán)泵方案短1s～6s。

總體來看，引射器方案雖然在燃料電池系統(tǒng)上的性能略差于氫氣循環(huán)泵方案，但整體性能基本相當(dāng)，考慮到引射器的低成本和小體積優(yōu)勢，后續(xù)單引射器方案可大量應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)。另外本次測試結(jié)果是針對60kW燃料電池系統(tǒng)得出，隨著燃料電池系統(tǒng)功率逐步實(shí)現(xiàn)200kW～300kW，氫氣循環(huán)泵功率消耗也會增加至1kW～2.5kW甚至更高，那么大功率燃料電池系統(tǒng)引射器效率可能會超過氫氣循環(huán)泵。

參考文獻(xiàn)：

[1]贠海濤，胡帥，李正輝.[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，25（4）：19-26.

[2]趙海賀，陳澤宇，覃承富. 車用燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)引射特性研究[J].電力工程技術(shù)，2022，41（1）：173-179.

[3]馬義，張劍，李波等.AMESim仿真軟件在燃料電池系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用[J].汽車科技，2021（2）：52-56.

[4]韓濟(jì)泉，孔祥程，馮健美. 大功率燃料電池汽車氫循環(huán)系統(tǒng)性能分析[J]. 汽車工程，2022，44（1）：1-7.

[5]周蘇，胡哲，王凱凱. 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)引射器的氫氣循環(huán)特性[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，46（8）：1115-1121.

[6]何明宇，張振東，尹叢勃. 質(zhì)子交換膜燃料電池陽極系統(tǒng)零件特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2020，58（12）：115-118.

[7]許思傳，韓文艷，王桂. 質(zhì)子交換膜燃料電池引射器的設(shè)計(jì)及特性[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué) 版），2013，41（1）：128-134.

專家推薦語

吳杰余

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

新能源汽車總師" 研究員級高級工程師

燃料電池汽車以其零排放的特點(diǎn)，吸引許多汽車人投身燃料電池的研究。本文通過兩種氫循環(huán)泵在燃料電池系統(tǒng)性能測試數(shù)據(jù)，探索了測試方法、評價(jià)方法、分析了數(shù)據(jù)差異的原因，給出選用氫循環(huán)泵的建議，值得同行研討和借鑒。