燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣供給系統(tǒng)技術(shù)分析

馬明輝,郝冬,郭帥帥，劉子偉

(中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300000)

0 引言

氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其具有啟動(dòng)速度快、零污染、比功率高、電效率高、噪聲低、可實(shí)現(xiàn)低溫冷啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。氫氣供給系統(tǒng)是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的核心子系統(tǒng)之一，起著為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定流量和壓力的氫氣，實(shí)現(xiàn)燃料電池堆內(nèi)部水平衡管理的作用。燃料電池系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，陽(yáng)極側(cè)的氫氣一直處于過(guò)量狀態(tài)，同時(shí)陰極側(cè)產(chǎn)生的水也會(huì)一直向陽(yáng)極滲透。因此，燃料電池陽(yáng)極側(cè)過(guò)量氫氣的循環(huán)和水的管理對(duì)燃料電池的性能起著至關(guān)重要的作用。一方面，氫氣直排造成氫氣浪費(fèi)且存在安全隱患，而氫氣反復(fù)循環(huán)又會(huì)造成雜質(zhì)累積降低氫氣純度。另一方面，陽(yáng)極含水量過(guò)高和過(guò)低都會(huì)影響燃料電池的性能和壽命，含水量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜過(guò)干，影響質(zhì)子的傳輸，而陽(yáng)極水分過(guò)多，會(huì)影響氫氣在陽(yáng)極的擴(kuò)散，造成水淹，引起局部氫饑餓。因此，有必要通過(guò)對(duì)燃料電池供氫系統(tǒng)進(jìn)行研究與優(yōu)化，增加燃料電池的氫氣利用率，優(yōu)化燃料電池陽(yáng)極的水管理，提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。

1 非循環(huán)式氫氣供給模式分析

1.1 直排流通模式

直排流通模式指的是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中將未反應(yīng)的氫氣直接排放到外界環(huán)境中。此種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低不需要?dú)錃庋h(huán)裝置。受傳質(zhì)阻力和反應(yīng)效率限制，燃料電池陽(yáng)極側(cè)通入的氫氣不能完全參與電化學(xué)反應(yīng)，將電堆內(nèi)未反應(yīng)的氫氣直接排放到環(huán)境中，不僅會(huì)造成一定的氫安全隱患，而且還會(huì)降低燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氣利用率和發(fā)電效率。另一方面，電堆中未反應(yīng)的氫氣中含有大量的水分，因此在沒(méi)有陽(yáng)極加濕系統(tǒng)存在的情況下，直接排放會(huì)引起質(zhì)子交換膜出現(xiàn)膜干現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致燃料電池水分失衡，降低燃料電池的性能和壽命。

1.2 死端模式

CHEN等[1]提出了燃料電池供氫系統(tǒng)死端模式，即將燃料電池供氫系統(tǒng)的出口進(jìn)行封堵，使供氫系統(tǒng)形成封閉的系統(tǒng)。由于對(duì)供氫系統(tǒng)出口進(jìn)行封堵，氫氣會(huì)在電堆內(nèi)部停留更長(zhǎng)的時(shí)間，降低了氫氣的浪費(fèi)，提高了氫氣的利用率，但是燃料電池在正常工作過(guò)程中，陰極側(cè)氮?dú)夂投栊詺怏w在壓差或濃度梯度作用下，反擴(kuò)散至陽(yáng)極聚集，隨著氫氣循環(huán)時(shí)間的加長(zhǎng)，雜質(zhì)在陽(yáng)極側(cè)累積程度也會(huì)增加，降低了氫氣純度。與此同時(shí)，陰極側(cè)反擴(kuò)散至陽(yáng)極側(cè)的水也極易導(dǎo)致陽(yáng)極側(cè)發(fā)生水淹，造成氫氣饑餓。這些都會(huì)降低燃料電池的發(fā)電性能，因此死端供氫模式難以滿足燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性及可靠性的使用要求。

2 帶氫氣循環(huán)供給模式分析

2.1 壓力變化回氫模式

壓力變化回氫模式如圖1所示。日本宇宙航天研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的南澤群等[2]提出一種新的氫氣供給模式，其主要由兩個(gè)單向閥、水汽分離器和流量控制器等組成。該方案利用燃料電池堆進(jìn)出口的壓力變化實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)。通過(guò)控制氫氣供應(yīng)量來(lái)改變?nèi)剂想姵囟堰M(jìn)出口壓力差，并利用單向閥實(shí)現(xiàn)氫氣的自發(fā)循環(huán)。壓力變化回氫模式，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制策略簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。但壓力回氫模式響應(yīng)速度較慢，壓力波動(dòng)較大，對(duì)質(zhì)子交換膜的耐壓性能要求較高，容易造成質(zhì)子交換膜機(jī)械疲勞，且壓力變化回氫模式會(huì)導(dǎo)致電堆性能一致性較差，很難滿足商業(yè)化應(yīng)用。

圖1 壓力變化回氫模式示意

2.2 單氫氣循環(huán)泵回氫模式

單氫氣循環(huán)泵回氫模式如圖2所示。單氫氣循環(huán)泵回氫模式在燃料電池供氫回氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中屬于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，工作區(qū)間范圍廣，且可以根據(jù)燃料電池工作狀況進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)。單氫氣循環(huán)泵模式的典型應(yīng)用代表為豐田汽車(chē)公司，其在Mirai燃料電池乘用車(chē)上應(yīng)用的為兩葉羅茨式氫氣循環(huán)泵技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)發(fā)到第三代[3]。但是氫氣循環(huán)泵也面臨著成本高、體積大、質(zhì)量大、額外的能量消耗、振動(dòng)以及噪聲等問(wèn)題，這些都制約著氫氣循環(huán)泵在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)上的集成與應(yīng)用。

圖2 單氫氣循環(huán)泵回氫模式示意

2.3 單引射器回氫模式

單引射器回氫模式如圖3所示。利用高壓高速氫氣對(duì)燃料電池出口的氫氣進(jìn)行抽吸，實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)，相比于氫氣循環(huán)泵，引射器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、噪聲低、無(wú)額外功耗等特點(diǎn)。現(xiàn)代汽車(chē)公司在其N(xiāo)exo燃料電池乘用車(chē)中采用的就是單引射器模式，且基于單引射器的模式，現(xiàn)代公司開(kāi)發(fā)了陽(yáng)極氫氣濃度估算器和吹掃控制器來(lái)精確估算燃料電池陽(yáng)極側(cè)的氫氣濃度。但是引射器在應(yīng)用過(guò)程中存在工作區(qū)間窄，低功率工作區(qū)引射效果不佳，且工作穩(wěn)定性差的問(wèn)題。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，出現(xiàn)了可變噴嘴引射器，其通過(guò)改變引射器喉口截面積實(shí)現(xiàn)可變氫氣循環(huán)量，最終實(shí)現(xiàn)在不同工況下大、小流量氫氣再循環(huán)。可變噴嘴引射器的典型應(yīng)用代表是本田汽車(chē)公司，其在上一代燃料電池汽車(chē)FCX Clarity中采用了可變噴嘴引射器回氫的方案。可變噴嘴引射器雖然解決了普通引射器工作區(qū)間較窄的問(wèn)題，但是可變噴嘴的結(jié)構(gòu)也使其本身結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，體積和質(zhì)量也更大。

圖3 單引射器回氫模式示意

2.4 雙引射器并聯(lián)回氫模式

圖4為雙引射器并聯(lián)回氫模式。美國(guó)DTI公司提出一種雙引射器并聯(lián)回氫設(shè)計(jì)方案[4]，該回氫系統(tǒng)主要由氫氣分流閥和兩個(gè)不同流量的引射器組成，根據(jù)電堆工作的不同功率，分別通過(guò)高、低流量引射器進(jìn)行氫氣循環(huán)，當(dāng)電堆工作在高功率區(qū)間，采用高流量引射器進(jìn)行氫氣循環(huán)，當(dāng)電堆工作在高功率區(qū)間，通過(guò)低流量引射器進(jìn)行氫氣循環(huán)。相對(duì)于單引射器回氫模式，雙引射器并聯(lián)回氫的模式，工作區(qū)間較大，能夠滿足電堆在不同功率下的使用需求。但是雙引射器并聯(lián)回氫模式，含有兩個(gè)引射器，增加了系統(tǒng)體積、質(zhì)量和成本，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略更加復(fù)雜。

圖4 雙引射器回氫模式示意

2.5 氫氣循環(huán)泵與引射器并聯(lián)回氫模式

氫氣循環(huán)泵與引射器并聯(lián)回氫模式如圖5所示。ARGONNE實(shí)驗(yàn)室的燃料電池系統(tǒng)陽(yáng)極供氫方案[5]采用了氫氣循環(huán)泵和引射器并聯(lián)的回氫模式。在低功率小流量階段采用氫氣循環(huán)泵進(jìn)行氫氣主動(dòng)循環(huán)，在大功率大流量階段采用引射器進(jìn)行氫氣被動(dòng)循環(huán)。這種氫氣循環(huán)方案避免了氫氣循環(huán)泵在電堆大功率區(qū)間運(yùn)行時(shí)的能量浪費(fèi)，也解決了引射器的在電堆小功率區(qū)間引射效果不佳的問(wèn)題，但是氫氣循環(huán)泵與引射器并聯(lián)的方案增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本,提高了系統(tǒng)控制難度。

圖5 氫氣循環(huán)泵與引射器并聯(lián)回氫模式示意

2.6 引射器加旁路噴射回氫模式

引射器加旁路噴射回氫模式如圖6所示。鑒于引射器的應(yīng)用過(guò)程中存在著工作區(qū)間較窄及雜質(zhì)及水分吹掃困難的問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)出一種在傳統(tǒng)引射器的基礎(chǔ)上添加旁路噴射器的方案[6]。在燃料電池的工作過(guò)程中，水分、氮?dú)饧岸栊詺怏w會(huì)通過(guò)質(zhì)子交換膜反滲到陽(yáng)極側(cè)，因此需要對(duì)燃料電池陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行定期吹掃，以保證燃料電池陽(yáng)極側(cè)充足的氫氣供應(yīng)和較高氫氣濃度，旁路噴射器的作用就是在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中為陽(yáng)極側(cè)提供大量的氫氣進(jìn)行吹掃。引射器加旁路噴射回氫模式雖然解決了引射器吹掃的問(wèn)題，但是仍未解決引射器在小功率小流量階段引射效果不佳的問(wèn)題。

圖6 引射器加旁路噴射器回氫模式示意

3 氫氣循環(huán)供氫模式對(duì)比

文中通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外主要的供氫系統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比分析見(jiàn)表1，發(fā)現(xiàn)不同的供氫回氫方案都具有其特有的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，因此在燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，供氫回氫的方案選擇需要考慮燃料電池系統(tǒng)功率大小、系統(tǒng)集成、成本及應(yīng)用條件的綜合影響。

表1 供氫系統(tǒng)回氫方案技術(shù)對(duì)比

4 結(jié)論與展望

燃料電池作為當(dāng)前熱門(mén)的研究方向，其具有高能源利用率并且造成較低的環(huán)境污染。燃料電池供氫系統(tǒng)作為燃料電池系統(tǒng)的重要組成部分起著為燃料電池提供穩(wěn)定流量和壓力的氫氣的作用。

死端模式下，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但是會(huì)造成燃料電池陽(yáng)極側(cè)水分和雜質(zhì)的聚集，導(dǎo)致燃料電池性能的不穩(wěn)定，難以進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。直排流通模式下，雖然能夠保證燃料電池系統(tǒng)陽(yáng)極側(cè)較高的氫氣濃度，但是在氫氣直排的過(guò)程中，會(huì)帶走大量水分造成質(zhì)子交換膜的干燥，降低燃料電池的性能，而且氫氣直排不僅會(huì)造成氫氣浪費(fèi)降低氫氣利用率，還會(huì)有一定的安全隱患，難以進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)商業(yè)化裝車(chē)應(yīng)用。

燃料電池回氫系統(tǒng)是未來(lái)的主流發(fā)展方向，通過(guò)氫氣的循環(huán)利用不僅能提高利用率和燃料經(jīng)濟(jì)性，而且能使陽(yáng)極側(cè)的水分分布得更加均勻，有利于優(yōu)化陽(yáng)極側(cè)的水管理。目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的是氫氣循環(huán)泵模式和引射器模式，這兩種技術(shù)方案都擁有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用瓶頸，需要集成商和主機(jī)廠根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行選擇應(yīng)用。