01前言

      隨著環(huán)境和能源問(wèn)題的日益突出，各個(gè)國(guó)家紛紛公布傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的禁售時(shí)間，新能源汽車(chē)成為世界各大汽車(chē)廠商及研發(fā)機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，其中燃料電池汽車(chē)以其高效率和*的特點(diǎn)被認(rèn)為具有廣闊的發(fā)展前景。

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

　　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(jìn)行。氫氣循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)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(jì)性。圖1為燃料電池系統(tǒng)方案。

圖1 系統(tǒng)原理圖

　　氫氣循環(huán)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(duì)氫氣循環(huán)子系統(tǒng)的方案進(jìn)行論證分析。                     

02氫氣循環(huán)回路設(shè)計(jì)

　　燃料電池在工作過(guò)程中，會(huì)有明顯的反應(yīng)不*的情況，即有很多氫氣不會(huì)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(huì)導(dǎo)致氫氣浪費(fèi)。為了解決這一問(wèn)題，目前有以下幾種解決方案：

　　2.1 直排無(wú)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(jiǎn)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(fèi)，影響經(jīng)濟(jì)性與續(xù)駛里程，還將對(duì)大氣造成一定污染，如果此時(shí)空間不暢通，還極其危險(xiǎn)，故而不被整車(chē)廠以及科研院所采用。

　　2.2 死端模式

　　密歇根大學(xué)的JixinChen等人提出了死端模式，死端模式是將燃料電池系統(tǒng)的至少一個(gè)出口封住。由于氣體出口被封住，因此氫氣會(huì)在電堆中停留更長(zhǎng)時(shí)間，從而提高氫氣利用率。死端模式雖然簡(jiǎn)化了系統(tǒng)部件，且一定程度上減少了氫氣的浪費(fèi)，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(shí)現(xiàn)過(guò)量的氫氣計(jì)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(jì)性和耐久性等要求。陽(yáng)極死端模式見(jiàn)圖2。

圖2 陽(yáng)極死端模式

　　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(fèi)小化。與死端模式相比，再循環(huán)系統(tǒng)不需要定期進(jìn)行清除積水操作，從而可以更加穩(wěn)定和持久地運(yùn)行。按照實(shí)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(jiàn)表1。

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

2.3.1 無(wú)泵系統(tǒng)

　　日本宇宙航天研究機(jī)構(gòu)的MasatoshiUno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(shí)現(xiàn)未反應(yīng)氫氣的再循環(huán)。其原理圖見(jiàn)圖3。在具體操作過(guò)程中包括模式A和模式B兩種模式。在模式A下，對(duì)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(huì)通過(guò)檢測(cè)閥1，進(jìn)入檢測(cè)閥1和閥2之間。同時(shí)由于此處的氣壓小于氫氣供應(yīng)端的氣壓，檢測(cè)閥2并不會(huì)開(kāi)啟，見(jiàn)圖4。

圖3無(wú)泵系統(tǒng)方案原理

圖4無(wú)泵系統(tǒng)方案原理-模式A

　　當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，減少氫氣供應(yīng)端的氫氣供應(yīng)量，此時(shí)燃料電池仍會(huì)進(jìn)一步消耗電堆中的氫氣，使得壓力下降，直到檢測(cè)閥2由于壓力差而開(kāi)啟。積累在檢測(cè)閥1和閥2之間的未反應(yīng)氫氣就會(huì)被抽吸到燃料電池電堆中參與反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)泵循環(huán)，見(jiàn)圖5。

圖5無(wú)泵系統(tǒng)方案原理-模式B

　　2.3.2 機(jī)械泵系統(tǒng)

　　機(jī)械泵系統(tǒng)屬于再循環(huán)系統(tǒng)中的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，優(yōu)點(diǎn)在于能夠輕松控制，從而實(shí)現(xiàn)電堆陽(yáng)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(diǎn)在于機(jī)械泵的使用會(huì)產(chǎn)生額外的能耗、噪音、振動(dòng)等問(wèn)題，并且增加系統(tǒng)重量和體積，不利于進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的布置和結(jié)構(gòu)緊湊性設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖6。

圖6機(jī)械泵系統(tǒng)

　　2.3.3 雙引射器系統(tǒng)（Dual-Ejector）

　　引射器通過(guò)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(yáng)極出口端的壓差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電堆陽(yáng)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、資源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。因此，合理的引射器設(shè)計(jì)能有效改善燃料電池性能。噴射器系統(tǒng)與機(jī)械泵系統(tǒng)的功能原理相似，都用于回收利用電堆陽(yáng)極出口未反應(yīng)的氫氣，二者主要區(qū)別在于噴射器中沒(méi)有移動(dòng)部件，因此機(jī)械穩(wěn)定性更好。并且在體積和重量上具有機(jī)械泵*的優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)圖7。

圖7雙引射器系統(tǒng)

　　美國(guó)技術(shù)咨詢(xún)公司DTI于2010年提出了雙引射器的燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)方案利用高低壓兩個(gè)氫氣引射器替代氫氣循環(huán)泵來(lái)實(shí)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(duì)不同電堆功率情況下實(shí)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。

　　2.3.4 單引射器系統(tǒng)

　　隨著引射器技術(shù)的不斷進(jìn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與體積的進(jìn)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(fù)載變化時(shí)，其工作穩(wěn)定性很難保證，見(jiàn)圖8。

圖8單引射器系統(tǒng)原理圖

　　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(guò)氫氣循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)。引射器與氫氣循環(huán)泵協(xié)同工作，實(shí)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(diǎn)，對(duì)氫氣循環(huán)泵的功率也沒(méi)有很高的要求，但對(duì)引射器與氫氣循環(huán)泵的匹配和控制提出更高要求，見(jiàn)圖9。

圖9引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)系統(tǒng)原理圖

　　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(lèi)型引射器，無(wú)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(guò)程中，氮?dú)鈺?huì)通過(guò)質(zhì)子交換膜從電堆陰極滲透到電堆陽(yáng)極，并在陽(yáng)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(shí)對(duì)電堆陽(yáng)極進(jìn)行吹掃以保證陽(yáng)極氫氣濃度，進(jìn)而保證電堆單體電壓，但在吹掃過(guò)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(lái)為吹掃過(guò)程提供額外的氫氣。但是脈沖式引射器在氮?dú)鉂舛雀哂?5%時(shí)進(jìn)行定期吹掃過(guò)程，而系統(tǒng)要求在氮?dú)鉂舛雀哂?0%時(shí)才進(jìn)行凈化吹掃過(guò)程，這就導(dǎo)致氫氣的浪費(fèi)損失，影響經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與續(xù)駛里程，見(jiàn)圖10。

圖10引射器與旁路噴射系統(tǒng)原理圖

03 結(jié)論及啟示

　　氫氣供給子系統(tǒng)的作用是儲(chǔ)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(jìn)行。以上是供氫系統(tǒng)方案對(duì)比分析，從為數(shù)不多的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用上可以看出，不同廠家會(huì)根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的功率大小、技術(shù)方案、應(yīng)用車(chē)型等，從效率、成本、技術(shù)成熟度、資源可及性等方面進(jìn)行供氫系統(tǒng)原理方案的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是綜合考量的結(jié)果。

　　氫氣循環(huán)泵與引射器分別具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，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(diǎn)；而引射器在小功率范圍無(wú)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(diǎn)；但未來(lái)引射器的設(shè)計(jì)要求其在怠速到全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)工作，并且不存在寄生功率消耗，以此彌補(bǔ)引射器的上述缺點(diǎn)；另外，引射器還具有成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、質(zhì)量體積小等優(yōu)點(diǎn)；在資源方面，氫氣循環(huán)泵目前資源主要集中在小功率級(jí)別，大功率級(jí)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(lái)發(fā)展的熱點(diǎn)。實(shí)際上各大整車(chē)廠也將設(shè)計(jì)研發(fā)的重點(diǎn)放在全功率范圍工作的引射器上，未來(lái)系統(tǒng)還推薦加入旁路噴射器來(lái)輔助吹掃過(guò)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(diǎn)，對(duì)未來(lái)燃料電池產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)至關(guān)重要。