氫燃料電池供氫回路能效分析

張宏超 高海洋 張啟城 劉雙喜

（1-中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司 天津 300300 2-中國汽車技術研究中心有限公司）

引言

氫燃料電池是一種把氫氣的化學能直接轉化為電能的能源轉換裝置，與傳統內燃機相比，氫燃料電池不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制，因此具有能量轉化效率高，環境友好等傳統內燃機車輛不可比擬的優點。在續航方面，氫燃料電池車又不存在現階段電動車的里程焦慮和充電焦慮，一般只需加氫3 min 左右，續航里程即可達到700 km。由于這些優點，氫燃料電池被普遍認為是未來車輛動力發展的理想方向之一。氫燃料電池系統一般由電堆、氫氣供給系統、空氣供給系統、增濕系統、水熱管理系統、電控系統組成[1-8]。

1 氫氣供給系統和氧氣供給系統

氫氣供給系統和氧氣供給系統如圖1 和圖2 所示，2 系統是氫燃料電池的重要組成部分，對燃料電池的輸出功率變化和使用壽命有重要影響。

圖1 供氫回路

圖2 供氧回路

如圖1 所示，氫氣儲存在高壓氣罐中后，需要經過手動閥，減壓閥和電動調節閥（將輸出壓力控制在0.2 MPa 左右）和加濕器進入燃料電池電堆?；瘜W反應過后未參加反應的氫氣通過氣水分離器和氫氣循環泵重新循環到氫氣供給端來提高氫氣的利用率。由于在化學反應過程中，空氣中的氮氣可以通過質子交換膜，因此供氫回路末端還設有尾氣閥來定時排出氮氣，防止氮氣積累。在氫氣罐附近安裝氫氣流量傳感器，監測氫氣是否泄漏，在電堆的入口處，裝有壓力傳感器和流量傳感器，以檢測進入電堆的氫氣是否符合電堆正常工作的要求。電化學反應中未反應完的氫氣，需要由氫氣循環泵再次送入氫氣進氣道，避免氫氣的泄漏和浪費。

如圖2 所示，在燃料電池的反應中，除了氫氣外，還需要同等壓力的空氣。空氣首先要經過空氣濾清器過濾，去除里面的雜質，以免破壞質子交換膜，然后經過空壓機升壓（升壓到0.2 MPa），達到反應氣體所需的壓力，最后經過焓輪加濕器，加濕后進入電堆。同樣在陰極入口處，也要加裝氣體流量計和壓力計，用以檢測進入電堆的空氣是否滿足正常工作要求。

2 供氫系統損失的膨脹功計算

氫燃料電池中氫燃料的存儲是通過壓縮機將氫氣壓縮到35～70 MPa，這個過程需要消耗很大的壓縮功，然后再在使用過程中再通過節流膨脹的方式，最終通過可控電磁閥將氫氣的供給壓力降低到0.2 MPa 以供燃料電池堆反應。從能量角度看，這樣壓縮和膨脹的過程只消耗了能量而未利用起來，產生了膨脹功損失，因此本節對節流閥減壓的調節方式進行能量損失分析，計算其能量損失的量并判斷是否具有重新利用的價值。由于氫燃料電池車還未實現大規模量產，因此本次計算以已經批量生產的豐田MIRAI 汽車的整車參數來進行計算。MIRAI 的整車基本參數如表1 所示。

表1 MIRAI 氫燃料電池車整車參數

因此可假設條件為供氫加壓閥減壓前壓力為70 MPa，減壓后最終壓力為0.2 MPa。溫度為常溫20 ℃（293.15 K）。由于減壓閥利用的是節流原理，所以節流前后物質狀態參數變化為h1=h2，P1＞P2，v1＜v2，s1＜s2，并且氣體的流速基本不變。根據氫氣的焦-湯系數可以判斷出氫氣節流后溫度會升高，但由于本次計算的是能量損失，升高的熱能基本也會以熱能的方式損失在外界環境中，所以此次可以按恒溫變化處理。

根據熱力學第二定律，有效能損失計算公式為

式中：I 為有效能；m 為流通的氫氣介質質量；T0為氫氣介質在完全靜止狀態下的溫度；ΔSg為節流前后單位質量介質熵的變化量。

1）壓力變化前后單位質量氫氣熵的變化量

根據熵的變化量計算公式

式中：P1、P2為節流后壓力變化；Rg為氣體常數。

對于氫氣Rg=8.314/2=4.157 kJ/（kg·K）

2）氫氣質量

因為常態下氫氣密度為0.089 3 g/L，70 MPa 表壓力=681 個大氣壓力（絕對壓力），由T0=T1可得所以m1=681m0=0.089 3×681=60.81 g/L，因此可得氫氣的質量為m=122.4×60.81=7 443.144 g=7.443 144 kg。

3）氫氣用盡后壓力變化的有效能損失

I=7.443 144×293.15×24.351=53 133.795 kJ。由此可得汽車100 km 平均有效能損失為i=I/6.5=8 174.43 kJ。當汽車以60 km/h 車速行駛時，每s 的平均損失功為

由此可見，供氫系統在使用過程中，節流損失的能量是比較可觀的。以60 km/h 車速行駛時，每s的平均損失功相當于整車行駛功率的7.9%，增加了整車攜有能量的浪費，降低了車輛行駛里程。

3 壓縮氫氣能量回收的2 種方法分析

對于損失能量的回收，本節給出了2 種能量回收方法的計算，即使用氣動機的回收方式和使用渦輪機的回收方式，并對其能量回收率進行了分析。

3.1 氣動機回收方式的能效計算

氣動機的本質就是利用具有壓縮能的壓縮氣體在氣缸內膨脹來推動活塞做功的一種設備，其原理和內燃機類似，但不需要承受燃料燃燒的高溫，因此使用普通鋼材即可，成本較低，結構上也比內燃機簡單，可靠性高。對于氣動機的缸數，一般來說，級數較多時，由于級間有吸熱的過程，氣動機能量轉化率就越高。

因為MIRAI 氫燃料電池整車的氣瓶容積為V=122.4 L，氣瓶儲氣壓力為P0=70 MPa，氫氣續航里程為L=650 km，溫度為常溫T=20 ℃（293.15 K），氫氣減壓后壓力為0.2 MPa，因此可假設氣動機排氣壓力為P2=0.2 MPa，氣動機為n 級膨脹，每級落壓比均為ε（落壓比相等時做功最大），則氣動機第一級進氣壓力為P1=0.2εn，氣動機膨脹過程以多變過程進行，多變指數為N=1.25。

多變過程膨脹功計算公式為

式中：Wts為總的膨脹功；m 為氫氣的質量；Rg為氣體常數。

其中，

所以

在本情況中，由于氣動機屬于附屬設備，考慮空間及成本限制，缸數不宜過多，因此本次以3 級氣動機為例進行熱力學計算。當氣動機為3 級膨脹，即n=3 時，式（5）的函數圖為

圖3 3 級膨脹的單級落壓比與總輸出功關系

由函數曲線可得，氣動機最佳單級落壓比為3.9，此時最大總輸出功為20.35 MJ，若按氣動機的機械效率90%計算，則膨脹功為2 035 kJ×0.9=1 831.5 kJ，即一罐氫氣可降低能耗1 831.5 kJ。經過換算，若將此能量通過電機等來驅動車輛，可提高續航里程約17 km。

3.2 渦輪機回收方式的能效計算

由于氫燃料電池供氫系統溫度接近于常溫，并不像發動機排氣溫度較高對渦輪葉片材料有較高的要求，并且供氫管路流量變化較為平穩，因此渦輪機的設計和加裝成本不會太高。

利用渦輪機回收氫氣的具體方法為首先使管路中的高壓氫氣流入具有一定角度的噴管中，以此來提升氫氣的流速并使其能夠平順地流入到渦輪機的蝸殼，然后使高速氫氣流體流經葉輪使其動能轉化為機械能。氫氣流體在整個過程中狀態參數變化如圖4 所示。

圖4 氣流在渦輪機中的參數變化

如圖4 所示，高壓氫氣在流過噴管后，壓力從P1 下降到P2，流速從C1 提升到C2，將高壓氫氣的壓力能轉化為動能；而在到達葉輪出口時，氫氣的流速C3 要遠小于C2，意味著氫氣在流經噴管后轉化成的動能很大程度上傳遞給了葉輪，從而轉化為機械功。渦輪的效率ηT一般表示為

式中：WT為單位氣體在渦輪機軸輸出的有用功；HT為單位氣體所具有的能量。

由于當流體在渦輪導向器最小截面處或者噴管出口處不處于臨界或超臨界狀態時，渦輪的落壓比并不是常數，氫氣的初終狀態參數難以通過計算進行確定，并且渦輪具有一定的低速遲滯性，因此對于渦輪的效率需通過實驗的方法進行精確計算。通過查詢其他參考文獻，現代的渦輪能量轉化效率ηT一般可以達到65%[8]。考慮到氫氣瓶中的壓力變化隨著使用氣體的減少而逐漸降低并考慮渦輪的遲滯效應，所以能夠用來驅動渦輪的壓力能在50%左右，因此渦輪能夠產生的能量大致為W=53 133.795×65%×0.5=17 268.483 kJ，同樣可以作為一個回收方案進行參考。

4 結論與展望

氫燃料電池車在我國目前還處于研發試制階段，尚未有成熟量產的產品，同時我國也在對氫燃料電池車進行大力的發展。本文以成熟產品MIRAI 為例，對其燃料電池供氫系統進行膨脹功能量損失分析，分析得出整罐氫氣的膨脹功損失為53 133.795 kJ，損失功率相當于整車在以60 km/h 行駛時總功率的7.9%，有一定的能量利用空間。然后又給出了2 種能量回收方案，并對其能量回收效果進行分析，為提高氫燃料電池車續航里程開辟了新的思路。