燃料電池發動機氫氣供給系統技術分析

馬明輝,郝冬,郭帥帥，劉子偉

(中汽研汽車檢驗中心(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能直接轉化為電能的發電裝置，其具有啟動速度快、零污染、比功率高、電效率高、噪聲低、可實現低溫冷啟動等優點。氫氣供給系統是燃料電池發動機的核心子系統之一，起著為燃料電池發動機提供穩定流量和壓力的氫氣，實現燃料電池堆內部水平衡管理的作用。燃料電池系統在實際運行過程中，陽極側的氫氣一直處于過量狀態，同時陰極側產生的水也會一直向陽極滲透。因此，燃料電池陽極側過量氫氣的循環和水的管理對燃料電池的性能起著至關重要的作用。一方面，氫氣直排造成氫氣浪費且存在安全隱患，而氫氣反復循環又會造成雜質累積降低氫氣純度。另一方面，陽極含水量過高和過低都會影響燃料電池的性能和壽命，含水量過低會導致質子交換膜過干，影響質子的傳輸，而陽極水分過多，會影響氫氣在陽極的擴散，造成水淹，引起局部氫饑餓。因此，有必要通過對燃料電池供氫系統進行研究與優化，增加燃料電池的氫氣利用率，優化燃料電池陽極的水管理，提高燃料電池發動機的性能和壽命。

1 非循環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動機在運行過程中將未反應的氫氣直接排放到外界環境中。此種方法結構簡單，成本較低不需要氫氣循環裝置。受傳質阻力和反應效率限制，燃料電池陽極側通入的氫氣不能完全參與電化學反應，將電堆內未反應的氫氣直接排放到環境中，不僅會造成一定的氫安全隱患，而且還會降低燃料電池發動機的氫氣利用率和發電效率。另一方面，電堆中未反應的氫氣中含有大量的水分，因此在沒有陽極加濕系統存在的情況下，直接排放會引起質子交換膜出現膜干現象，進而導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死端模式，即將燃料電池供氫系統的出口進行封堵，使供氫系統形成封閉的系統。由于對供氫系統出口進行封堵，氫氣會在電堆內部停留更長的時間，降低了氫氣的浪費，提高了氫氣的利用率，但是燃料電池在正常工作過程中，陰極側氮氣和惰性氣體在壓差或濃度梯度作用下，反擴散至陽極聚集，隨著氫氣循環時間的加長，雜質在陽極側累積程度也會增加，降低了氫氣純度。與此同時，陰極側反擴散至陽極側的水也極易導致陽極側發生水淹，造成氫氣饑餓。這些都會降低燃料電池的發電性能，因此死端供氫模式難以滿足燃料電池發動機耐久性及可靠性的使用要求。

2 帶氫氣循環供給模式分析

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發機構的南澤群等[2]提出一種新的氫氣供給模式，其主要由兩個單向閥、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出口的壓力變化實現氫氣循環。通過控制氫氣供應量來改變燃料電池堆進出口壓力差，并利用單向閥實現氫氣的自發循環。壓力變化回氫模式，具有系統結構簡單、控制策略簡單、容易實現的優點。但壓力回氫模式響應速度較慢，壓力波動較大，對質子交換膜的耐壓性能要求較高，容易造成質子交換膜機械疲勞，且壓力變化回氫模式會導致電堆性能一致性較差，很難滿足商業化應用。

圖1 壓力變化回氫模式示意

2.2 單氫氣循環泵回氫模式

單氫氣循環泵回氫模式如圖2所示。單氫氣循環泵回氫模式在燃料電池供氫回氫系統設計中屬于傳統設計方案，其特點是響應速度快，工作區間范圍廣，且可以根據燃料電池工作狀況進行主動調節。單氫氣循環泵模式的典型應用代表為豐田汽車公司，其在Mirai燃料電池乘用車上應用的為兩葉羅茨式氫氣循環泵技術也已經開發到第三代[3]。但是氫氣循環泵也面臨著成本高、體積大、質量大、額外的能量消耗、振動以及噪聲等問題，這些都制約著氫氣循環泵在燃料電池發動機上的集成與應用。

圖2 單氫氣循環泵回氫模式示意

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燃料電池出口的氫氣進行抽吸，實現氫氣的循環，相比于氫氣循環泵，引射器具有結構簡單、運行可靠、噪聲低、無額外功耗等特點。現代汽車公司在其Nexo燃料電池乘用車中采用的就是單引射器模式，且基于單引射器的模式，現代公司開發了陽極氫氣濃度估算器和吹掃控制器來精確估算燃料電池陽極側的氫氣濃度。但是引射器在應用過程中存在工作區間窄，低功率工作區引射效果不佳，且工作穩定性差的問題。隨著技術的進步和發展，出現了可變噴嘴引射器，其通過改變引射器喉口截面積實現可變氫氣循環量，最終實現在不同工況下大、小流量氫氣再循環。可變噴嘴引射器的典型應用代表是本田汽車公司，其在上一代燃料電池汽車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間較窄的問題，但是可變噴嘴的結構也使其本身結構也更加復雜，體積和質量也更大。

圖3 單引射器回氫模式示意

2.4 雙引射器并聯回氫模式

圖4為雙引射器并聯回氫模式。美國DTI公司提出一種雙引射器并聯回氫設計方案[4]，該回氫系統主要由氫氣分流閥和兩個不同流量的引射器組成，根據電堆工作的不同功率，分別通過高、低流量引射器進行氫氣循環，當電堆工作在高功率區間，采用高流量引射器進行氫氣循環，當電堆工作在高功率區間，通過低流量引射器進行氫氣循環。相對于單引射器回氫模式，雙引射器并聯回氫的模式，工作區間較大，能夠滿足電堆在不同功率下的使用需求。但是雙引射器并聯回氫模式，含有兩個引射器，增加了系統體積、質量和成本，使系統結構和控制策略更加復雜。

圖4 雙引射器回氫模式示意

2.5 氫氣循環泵與引射器并聯回氫模式

氫氣循環泵與引射器并聯回氫模式如圖5所示。ARGONNE實驗室的燃料電池系統陽極供氫方案[5]采用了氫氣循環泵和引射器并聯的回氫模式。在低功率小流量階段采用氫氣循環泵進行氫氣主動循環，在大功率大流量階段采用引射器進行氫氣被動循環。這種氫氣循環方案避免了氫氣循環泵在電堆大功率區間運行時的能量浪費，也解決了引射器的在電堆小功率區間引射效果不佳的問題，但是氫氣循環泵與引射器并聯的方案增加了系統復雜程度和成本,提高了系統控制難度。

圖5 氫氣循環泵與引射器并聯回氫模式示意

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。鑒于引射器的應用過程中存在著工作區間較窄及雜質及水分吹掃困難的問題，因此開發出一種在傳統引射器的基礎上添加旁路噴射器的方案[6]。在燃料電池的工作過程中，水分、氮氣及惰性氣體會通過質子交換膜反滲到陽極側，因此需要對燃料電池陽極側進行定期吹掃，以保證燃料電池陽極側充足的氫氣供應和較高氫氣濃度，旁路噴射器的作用就是在燃料電池運行過程中為陽極側提供大量的氫氣進行吹掃。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題。

圖6 引射器加旁路噴射器回氫模式示意

3 氫氣循環供氫模式對比

文中通過對國內外主要的供氫系統方案進行對比分析見表1，發現不同的供氫回氫方案都具有其特有的技術特點和優勢，因此在燃料電池系統設計過程中，供氫回氫的方案選擇需要考慮燃料電池系統功率大小、系統集成、成本及應用條件的綜合影響。

表1 供氫系統回氫方案技術對比

4 結論與展望

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

死端模式下，雖然結構簡單、成本較低，但是會造成燃料電池陽極側水分和雜質的聚集，導致燃料電池性能的不穩定，難以進行商業化應用。直排流通模式下，雖然能夠保證燃料電池系統陽極側較高的氫氣濃度，但是在氫氣直排的過程中，會帶走大量水分造成質子交換膜的干燥，降低燃料電池的性能，而且氫氣直排不僅會造成氫氣浪費降低氫氣利用率，還會有一定的安全隱患，難以進行燃料電池系統商業化裝車應用。

燃料電池回氫系統是未來的主流發展方向，通過氫氣的循環利用不僅能提高利用率和燃料經濟性，而且能使陽極側的水分分布得更加均勻，有利于優化陽極側的水管理。目前行業內應用比較廣泛的是氫氣循環泵模式和引射器模式，這兩種技術方案都擁有各自的特點和應用瓶頸，需要集成商和主機廠根據設計需求進行選擇應用。