大功率燃料電池汽車氫循環(huán)系統(tǒng)性能分析*

韓濟(jì)泉，孔祥程，馮健美，彭學(xué)院

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049）

前言

隨著我國(guó)碳中和目標(biāo)的提出，我國(guó)的能源領(lǐng)域正在面臨關(guān)鍵機(jī)遇與挑戰(zhàn)，發(fā)展清潔能源已經(jīng)成為新趨勢(shì)，其中氫能是公認(rèn)的清潔能源，加速發(fā)展氫能可以推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳中和重要使命進(jìn)展。在氫能發(fā)展中，氫燃料電池汽車是推動(dòng)氫能應(yīng)用的重要突破口，中國(guó)、日韓和歐美等已加大對(duì)氫燃料電池汽車的研發(fā)投入。根據(jù)使用對(duì)象的不同，汽車可以分為乘用車和商用車。乘用車的電堆功率一般比較小，比如以豐田Mirai、本田Clarity 和現(xiàn)代NEXO 為代表的乘用車峰值功率在100～120 kW 之間，而以豐田Alpha 和現(xiàn)代Xcient 為代表的氫能重型商用車功率在200 kW 左右。由于燃料電池乘用車昂貴的價(jià)格成本和加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的限制，乘用車的推廣受到了較大阻礙。而大功率商用車運(yùn)行在相對(duì)固定的路線，對(duì)加氫站分布的廣度及數(shù)量依賴性低，同時(shí)對(duì)于長(zhǎng)距離行駛、高動(dòng)力性能要求，商用燃料電池汽車更具優(yōu)勢(shì)。因此在燃料電池技術(shù)的初期發(fā)展階段，我國(guó)把研發(fā)目標(biāo)聚焦于大功率燃料電池商用車。

對(duì)于大功率燃料電池堆，系統(tǒng)中未消耗的氫氣需要再次循環(huán)利用以節(jié)約氫燃料提高續(xù)航里程，因此氫循環(huán)系統(tǒng)的性能對(duì)燃料電池的效率與壽命有著關(guān)鍵影響。目前燃料電池氫循環(huán)核心裝置主要采用機(jī)械氫循環(huán)泵或引射器。引射器具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、體積和質(zhì)量小、成本低、無(wú)寄生功率等突出優(yōu)點(diǎn)，但是其很難適應(yīng)大功率燃料電池系統(tǒng)在寬功率范圍內(nèi)變化的要求，而氫氣循環(huán)泵可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以適應(yīng)不同的電堆功率范圍，但是其體積大、噪聲高且會(huì)產(chǎn)生較大寄生功率，同時(shí)由于循環(huán)氫氣要求絕對(duì)無(wú)油，而氫氣又極易泄漏，因此氫泵的設(shè)計(jì)難度大、制造成本高。

總之，對(duì)于大功率燃料電池系統(tǒng)，其特點(diǎn)是大流量和高壓升，這對(duì)氫循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出很大的挑戰(zhàn)。本研究針對(duì)200 kW 大功率燃料電池系統(tǒng)，分析了4 種氫氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖1 所示，分別包括引射器、氫泵、引射器與氫泵并聯(lián)、引射器與氫泵串聯(lián)模式。研究基于理論分析和CFD 模擬，建立了氫循環(huán)裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從不同方面分析總結(jié)了各氫循環(huán)方案的特點(diǎn)。

圖1 4種不同氫循環(huán)方案系統(tǒng)示意圖

1 性能評(píng)估模型

1.1 引射器

燃料電池系統(tǒng)中氫循環(huán)裝置用來循環(huán)利用電堆未消耗的氫氣，氫循環(huán)裝置的氫循環(huán)比定義為需要被循環(huán)的氫氣流量與供應(yīng)氫氣流量之比，其與電堆化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系如式（1）所示。

對(duì)于引射器，被引射的氫氣流量與一次流流量之比即定義為氫引射比，如式（2）所示。所以在一定功率下，評(píng)判引射器性能的指標(biāo)是引射器的氫引射比要大于要求的氫循環(huán)比，即≥。

式中：和分別為一次流和二次流流量，kg/s；為二次流中氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由于引射器在燃料電池系統(tǒng)中工作在非常寬的功率范圍區(qū)間，隨著功率由高到低變化，其工況狀態(tài)由穩(wěn)定的臨界工況變化為不穩(wěn)定的亞臨界工況，最后變成失效的回流工況。常規(guī)的半經(jīng)驗(yàn)熱力學(xué)模型很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)引射器在如此寬范圍工況下的工作性能，因此本文中使用CFD 流體動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)引射器性能，所使用的引射器的CFD 模型見表1。

表1 引射器CFD模型［13］

1.2 氫循環(huán)泵

目前用于燃料電池汽車中氫泵的類型主要有羅茨式和爪式氫泵，兩者都具有體積小、無(wú)油適應(yīng)性好和成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)。與引射器相比，氫泵可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速很好地滿足所需的氫循環(huán)比，氫泵的性能指標(biāo)主要由功率表示。爪式和羅茨泵均屬于容積式壓縮機(jī)，性能評(píng)價(jià)方法相同，本研究都用絕熱壓縮理論和絕熱效率評(píng)價(jià)氫泵性能。

根據(jù)等熵絕熱理論，氫泵的絕熱功率由等熵絕熱壓縮公式計(jì)算：

式中：為混合氣體的絕熱指數(shù)；和分別為氫泵進(jìn)出口壓力，Pa；為通過氫泵的循環(huán)氣體的容積流量，m/s。與氫氣循環(huán)比之間的關(guān)系為

式中為混合氣體的密度，kg/m。

實(shí)際氫泵功率要考慮存在壓力損失及泄漏的影響，通過絕熱效率表示如下：

1.3 模型驗(yàn)證

使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所建立的引射器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可靠性分析，其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)［13］。引射器的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)之間的對(duì)比如圖2 所示，其中圖2（a）和圖2（b）分別表示引射器的流量和引射比的結(jié)果?？梢钥吹綌?shù)值計(jì)算得到的引射器的一次流和二次流流量與實(shí)驗(yàn)值相比都偏小，這是由實(shí)驗(yàn)用引射器的噴嘴加工精度偏差引起的誤差，而圖2（b）表示的引射比計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值偏差則在±3%以內(nèi)，表明所使用的引射器模型是可靠的。

圖2 引射器模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

需要說明的是，氫泵的性能分析計(jì)算使用的是經(jīng)典的等熵絕熱理論，并通過等熵絕熱效率來修正計(jì)算的實(shí)際功耗，其大小與絕熱效率的選取相關(guān)，本文對(duì)絕熱效率的討論分析在2.3小節(jié)給出。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃料電池氫循環(huán)系統(tǒng)

使用所建立的氫循環(huán)裝置性能評(píng)估模型對(duì)某一200 kW 氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行分析。氫循環(huán)裝置的工況條件根據(jù)燃料電池堆的工況條件確定，主要包括氫氣消耗量、壓力、溫度和流體組分，其中，該電堆的氫氣消耗量和化學(xué)計(jì)量比需求如圖3 所示，電堆的進(jìn)出口壓力及壓力損失如圖4 所示，其中壓力值為絕對(duì)壓力。

圖3 200 kW燃料電池堆氫氣消耗量和化學(xué)計(jì)量比

圖4 200 kW電堆進(jìn)出口壓力與氫循環(huán)系統(tǒng)壓力損失

電堆排出的混合氣體組分與溫度、工況和系統(tǒng)的控制策略有關(guān)?；旌衔餁怏w包含未消耗的氫氣、從氧氣側(cè)滲入陽(yáng)極的氮?dú)夂惋柡退魵猓硗膺€可能包含有產(chǎn)生的液態(tài)水滴，但經(jīng)過高效水分離器后液態(tài)水滴幾乎可以被完全分離。飽和水蒸氣的體積濃度與電堆溫度有關(guān)，車用燃料電池工作溫度在60～80 ℃范圍內(nèi)變動(dòng)，在本研究中溫度取70 ℃。氮?dú)獾捏w積濃度與電堆質(zhì)子交換膜滲透性和吹掃周期有關(guān)，高性能電堆的氮?dú)鉂舛纫蟛桓哂?0%，本研究循環(huán)氣體的氮?dú)鉂舛冗x擇為10%。

2.2 僅引射器模式

首先對(duì)適應(yīng)200 kW 電堆的引射器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于引射器的幾何參數(shù)、流體物性和工作條件等多種參數(shù)都會(huì)影響引射性能，因此引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化非常復(fù)雜。在一些常用的引射器熱力學(xué)理論模型中，噴嘴喉部直徑（）和混合室直徑（）是最重要的幾何參數(shù)，對(duì)引射器性能具有決定性的影響。同時(shí)，Expósito Carrillo 等對(duì)引射器幾何參數(shù)的優(yōu)化分析研究也表明，只有和對(duì)引射性能有著顯著影響。由于本研究的主要內(nèi)容并不是針對(duì)引射器復(fù)雜的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要計(jì)算關(guān)鍵幾何參數(shù)和，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)參考已有優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。圖5 表示了針對(duì)200 kW 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的引射器的主要幾何參數(shù)，其中喉部直徑根據(jù)噴嘴等熵流動(dòng)方程，即式（6）確定，計(jì)算得到=1.84 mm。

圖5 引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

式中：為一次流流量，等于電堆氫氣消耗量，kg/s；為一次流壓力，其值越大則引射性能越高，但受到供氫閥能力的限制，本文取值為2.0 MPa；為流體的等熵膨脹系數(shù)；為氫氣的氣體常數(shù)；為一次流溫度，K。

引射器的混合段直徑對(duì)引射器性能有著顯著影響，因此為使200 kW 電堆引射器有較好性能，研究了混合段直徑的影響。當(dāng)混合段直徑在6～9 mm之間變化時(shí)，引射器的氫循環(huán)比隨電堆功率的變化如圖6 所示。可以看到隨著的增大，引射器在高功率下可以實(shí)現(xiàn)的氫循環(huán)比越大，但是在低功率下的氫循環(huán)比減小。這是因?yàn)樵诟吖β氏?，引射器的一次流流量較大，一次流在混合腔中膨脹流動(dòng)所占用的流通面積較大，使得二次流的流通面積相對(duì)減小，因此只有較大的混合段直徑使得二次流有足夠?qū)捲５牧魍娣e，從而能夠引射較大的二次流流量。比如為9 mm的引射器在200 kW時(shí)的氫循環(huán)比達(dá)到0.59，而為6 mm 的引射器氫循環(huán)比只有0.23；但是當(dāng)功率降低至40 kW 時(shí)，為9 mm 的引射器卻不能引射而失效。

通過引射器能夠產(chǎn)生的氫循環(huán)比與電堆所需的氫循環(huán)比（即目標(biāo)值）作比較可以發(fā)現(xiàn)，在200 kW 下選擇為8或9 mm時(shí)的引射性能滿足目標(biāo)值，而為8 mm的引射器可以滿足的功率范圍是80～200 kW，略寬于為9 mm 時(shí)的性能，所以最終選擇的混合段直徑為8 mm。

從圖6可以看到，無(wú)論引射器的如何變化，依然很難滿足80 kW 以下電堆的氫循環(huán)需求。一方面是因?yàn)橐淦鞅旧硖匦韵拗?，低功率條件下一次流流量較小，較小的流速產(chǎn)生較小的剪切力作用，造成引射的二次流流量較小；另一方面則是因?yàn)殡姸言诘凸β氏聦?duì)氫循環(huán)比的需求很高，所以引射器很難適應(yīng)電堆低功率工況。

圖6 混合段直徑對(duì)引射性能的影響

2.3 僅氫循環(huán)泵模式

氫泵的經(jīng)濟(jì)性即氫泵功耗是重要性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使用等熵絕熱公式和絕熱效率來計(jì)算氫泵功率，即式（3）～式（5）。該方法的準(zhǔn)確性依賴于絕熱效率的選取，針對(duì)氫氣循環(huán)泵的研究表明，氫泵的絕熱效率與氫泵的轉(zhuǎn)速、工質(zhì)組分和氫循環(huán)系統(tǒng)壓力損失相關(guān)，在0.30～0.60之間變化。

圖7 表示氫泵功率隨電堆功率的變化及絕熱效率的影響?？梢钥吹?，在相同的絕熱效率下，氫泵功率隨著電堆功率的降低而下降，同時(shí)在高功率下的氫泵功率變化梯度較大，而低功率下的變化較小，這是因?yàn)榈凸β氏码姸训幕瘜W(xué)計(jì)量比更大，這使得氫氣循環(huán)流量減小的幅度更小。

同時(shí)圖7 清楚地表示了絕熱效率對(duì)氫泵功率的影響，可以看到在一定電堆功率下，隨著絕熱效率的增大，氫泵功率減小。比如在200 kW 電堆功率下，氫泵的絕熱效率從0.30提升到0.60，使得氫泵功率可由1 530 W 降低到760 W。因此，提高絕熱效率可以顯著減小氫泵功耗。

圖7 氫泵功率及絕熱效率隨電堆功率變化

2.4 引射器和氫泵串/并聯(lián)模式

上述分析表明，針對(duì)200 kW 的大功率燃料電池系統(tǒng)，僅使用引射器很難覆蓋如此寬的功率范圍，而使用氫泵則會(huì)產(chǎn)生較大的寄生功率，另外氫泵體積較大，以及可能產(chǎn)生的噪聲問題突出。所以對(duì)于大功率燃料電池系統(tǒng)，聯(lián)合使用引射器和氫泵的氫循環(huán)方案可能較優(yōu)。

按照?qǐng)D1（c）表示的引射器和氫泵的并聯(lián)模式，當(dāng)電堆功率在80～200 kW 之間時(shí)，僅使用引射器即可滿足循環(huán)需求；當(dāng)電堆功率在80 kW 以下時(shí)，引射器不能夠引射足夠的循環(huán)氣體，所以開啟氫泵并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速泵送氣體以彌補(bǔ)引射器的不足。引射器和氫泵在并聯(lián)模式下的泵送壓力相同，兩者泵送不同份額的流量以使得總的循環(huán)流量滿足需求，即引射器和氫泵的并聯(lián)模式特征是“等壓升，分流量”。

圖8 表示了引射器和氫泵并聯(lián)模式下循環(huán)流量隨電堆功率的變化，兩者流量之和是總的循環(huán)流量。在80～200 kW 下，只使用引射器泵送流量，即引射器泵送流量等于總循環(huán)流量；在80 kW 以下，引射器泵送流量低于總循環(huán)流量，氫泵開始工作彌補(bǔ)流量；當(dāng)?shù)陀?0 kW 時(shí)，引射器失效，全部流量經(jīng)過氫泵泵送。

圖8 并聯(lián)模式下循環(huán)流量隨電堆功率的變化

引射器和氫泵還可以按照串聯(lián)方式聯(lián)合使用，如圖1（d）所示。按照引射器的工作特性，在相同一次流流量下，減小壓升可以提升引射流量，所以串聯(lián)使用氫泵來減小引射器壓升。氫泵和引射器依次泵送相同流量的循環(huán)氣體，使之分擔(dān)不同份額的壓升，最終使得二者的總壓升等于氫循環(huán)系統(tǒng)的壓力損失。因此，與并聯(lián)模式相反的是，串聯(lián)模式的特征是“等流量，分壓升”。

圖9 表示了引射器和氫泵串聯(lián)模式下壓升隨電堆功率的變化，在80～200 kW 下，只使用引射器泵送循環(huán)氣體，即引射器的壓升等于系統(tǒng)阻力損失。與并聯(lián)模式相同，當(dāng)電堆功率降低至80 kW 以下使得引射器不能引射足夠的循環(huán)氣體，開啟氫泵來減小引射器的工作壓升，使二者壓升之和滿足系統(tǒng)壓力損失。

圖9 串聯(lián)模式下壓力隨電堆功率的變化

2.5 氫循環(huán)方案性能對(duì)比

并聯(lián)模式的特點(diǎn)是引射器和氫泵的工作壓力相同，氫泵的使用為引射器承擔(dān)部分不能引射的流量；串聯(lián)模式的特點(diǎn)是二者的工作流量相同，氫泵的作用是為引射器承擔(dān)部分壓力，減小引射器所承擔(dān)的壓升，從而提高引射流量。所以引射器和氫泵的作用都是為了對(duì)一定流量的循環(huán)氣體進(jìn)行增壓，流量和壓升是影響氫循環(huán)裝置的兩個(gè)關(guān)鍵因素。為比較氫循環(huán)裝置在聯(lián)合模式下對(duì)氫氣循環(huán)的貢獻(xiàn)性大小，定義無(wú)量綱參數(shù)表征氫循環(huán)裝置的貢獻(xiàn)率，表達(dá)式如式（7）所示。

式中：為引射器或氫泵的循環(huán)氫貢獻(xiàn)率；和分別為燃料電池堆需求的循環(huán)流量和壓力損失，即通過氫循環(huán)裝置的總流量和壓升；Δ和Δ分別為氫泵或引射器的流量和壓升。

引射器和氫泵在串/并聯(lián)模式下的循環(huán)氫貢獻(xiàn)率如圖10 所示。可以看到在串聯(lián)模式下，當(dāng)電堆功率在80 kW 以上，引射器的循環(huán)氫貢獻(xiàn)率占100%，隨著功率降低，引射器性能下降，其循環(huán)貢獻(xiàn)率隨之降低，而氫泵的貢獻(xiàn)率逐漸增大。串并聯(lián)模式的差別主要在低電堆功率下對(duì)循環(huán)需求的貢獻(xiàn)份額，為了盡可能利用引射器性能，應(yīng)該使引射器在低電堆功率下維持較高的循環(huán)氫貢獻(xiàn)率?？梢钥吹皆?0 kW 以下，引射器在串聯(lián)模式下的貢獻(xiàn)率比并聯(lián)模式下的占比更大，所以在串聯(lián)模式更能充分利用引射器的性能。

圖10 引射器和氫泵在串/并聯(lián)模式下的循環(huán)氫貢獻(xiàn)率

在氫循環(huán)系統(tǒng)中使用氫泵會(huì)帶來寄生功率，減小系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此要盡可能減小氫泵的功耗。圖11 比較了僅使用氫泵、串并聯(lián)模式之間功耗的差別，其中氫泵的絕熱效率按照0.45 計(jì)算。結(jié)果表明，僅使用氫泵時(shí)的最大功耗是1 020 W，而并聯(lián)模式下的最大功耗是190 W，同比降低81.4%；串聯(lián)模式下的最大功耗是150 W，同比降低85.3%。顯然，聯(lián)合引射器的使用可以大大降低氫泵功耗。氫泵功率的降低不僅僅可以提升整個(gè)系統(tǒng)的效率，更重要的是有利于氫泵的設(shè)計(jì)與選型，因?yàn)樾」β市×髁繗浔玫募夹g(shù)難度相對(duì)較低、成本較低、可靠性更高。

從圖11 中也可以看到引射器和氫泵在串聯(lián)模式下的平均功耗低于并聯(lián)模式，所以在串聯(lián)模式下更大可能發(fā)揮引射器的性能，這與圖10 根據(jù)循環(huán)氫貢獻(xiàn)率分析得到的結(jié)論一致。

圖11 不同氫循環(huán)方案下的氫泵功耗

3 結(jié)論

本文中以200 kW 大功率燃料電池汽車氫循環(huán)系統(tǒng)為例，研究并對(duì)比分析了4 種不同的氫循環(huán)方案的性能特點(diǎn)。結(jié)果表明，僅使用引射器很難適應(yīng)大功率燃料電池汽車寬功率范圍運(yùn)行，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)能滿足氫循環(huán)需求的功率范圍為80～200 kW，而當(dāng)?shù)陀?0 kW 時(shí)，引射器性能快速下降，無(wú)法滿足氫循環(huán)需求。

引射器和氫泵并聯(lián)模式特征為“等壓升，分流量”，串聯(lián)模式特征是“等流量，分壓升”。引射器聯(lián)合使用氫泵可以減小氫泵的功率消耗，相比于僅氫泵運(yùn)行模式，在并聯(lián)模式下氫泵最大功率下降81.4%，串聯(lián)模式下氫泵最大功率下降85.3%。通過聯(lián)合使用引射器和氫泵，可以提高系統(tǒng)效率，使得氫泵的設(shè)計(jì)難度降低、成本降低。

根據(jù)循環(huán)氫貢獻(xiàn)率和功耗的分析表明，引射器和氫泵的串聯(lián)模式更能充分利用引射器的性能，因此從經(jīng)濟(jì)性角度，建議使用串聯(lián)模式用于大功率燃料電池汽車的氫循環(huán)系統(tǒng)。本研究為大功率燃料電池汽車氫循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。