燃料電池發動機供氫系統設計與分析

摘要：分析流通、閉端、循環三種供氫系統布置方式的特點，針對功率為150 kW的氫燃料電池電堆，對循環式供氫系統布置方案進行改進設計，搭建燃料電池發動機系統仿真模型，運用正交試驗設計方法，對9種不同的電池工作狀態進行仿真計算分析，探討循環泵的轉速、排氣周期和排氣時間對燃料電池系統性能的影響。仿真結果表明，燃料電池陽極處氮氣的體積分數隨電流增大而增大；循環泵轉速對電堆陽極氮氣體積分數沒有影響；當排氣周期小于10 s時，排氣時間應適當減小，當排氣周期大于20 s時，排氣時間應適當增大；陽極氫氣體積流量隨電流增大而增大，氫氣過量比隨電流增大而減小。

關鍵詞：氫燃料電池；氫氣循環系統；陽極；仿真模擬

中圖分類號：TM911.4文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）06-0046-08

引用格式：劉黎明，任沖沖，劉敏，等.燃料電池發動機供氫系統設計與分析［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（6）：46-53.

LIU Liming， REN Chongchong， LIU Min， et al.Design and analysis of hydrogen supply system for a fuel cell engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（6）：46-53.

0 引言

能源短缺和環境污染等問題嚴重影響人們的生活并制約社會的發展。基于國家能源安全以及環境保護的要求，我國在2020年9月提出“雙碳戰略”目標，推進能源轉型，降低現有能源結構中煤炭占比，提高可再生能源占比^[1-2]。氫能具有燃料熱值高、清潔無污染等優勢，是應對能源危機和環境污染的綠色能源^[3]。氫燃料電池通過電化學反應將氫的化學能直接轉化成電能，相比傳統的能源轉化形式，氫燃料電池的轉換效率較高，可達60%～70%。在節能減排的大背景下，氫燃料電池憑借熱值高、效率高、清潔無污染等優勢， 發展速度越來越快^[4]。

燃料電池電堆是燃料電池發動機系統的核心，電堆內部涉及復雜的物理化學過程，為了研究電堆中傳質、傳熱和電化學反應的工作機理，分析陰、陽極流體流動特性，制定高效的運行控制策略，近年來中外學者對其進行了仿真研究。Springer等^[5]搭建一維穩態模型，研究了質子交換膜中水的傳輸機制對電池性能的影響，分析了電流密度、膜厚度、膜內阻之間的聯系。在復雜流道配置中，電堆中物質的多維擴散和對流傳熱傳質的相互作用往往不能忽略。Singh等^[6]提出了單電池二維水熱傳輸模型，綜合考慮多孔電極擴散作用，液態水在電極和膜中的對流、電滲透作用，利用該模型研究了水的流動方式和孔隙率對電池性能的影響。Liu等^[7-8]基于修正的Brinkman方程，建立了三維多相非等溫的水熱管理模型，設計了8種冷卻方案，研究了陰極流動方向、陽極流動方向和冷卻水流動方向對電池內部溫度分布的影響，并使用該模型分析了質子膜的液態水分布特性。

燃料電池發動機系統不僅包含燃料電池堆本身，還包括其他輔助系統，如燃料電池中的氫氣供給系統、空氣供給系統、水熱管理系統、控制系統等。氫氣供給系統的主要作用是保證燃料電池穩定可靠的氫源供應，從而確保其穩定運行，是燃料電池發動機系統的關鍵組成部分，因此對氫燃料電池氫氣供給系統的研究具有較大的工程實用意義。保持燃料電池陽極的壓力穩定對于提高電池的輸出效率和延長質子交換膜的使用壽命至關重要。因此，確保恒定的電堆陽極壓力對整個系統的性能和耐久性具有顯著影響。He等^[9]開發了面向控制的燃料電池動態模型，基于該模型設計并優化了兩種控制策略，均能維持穩定的陽極壓力和氫氣過量比。氫氣供給系統的布置方式對氫氣利用率和電池輸出功率的影響很大。韓濟泉等^[10]為功率為200 kW的燃料電池設計了4種循環供氫系統，建立了循環供氫系統評價指標，采用理論分析和流體仿真計算相結合的方法對比4種供氫方案，結果表明：在大功率燃料電池電堆中，聯合使用引射器和氫泵能夠減小功率消耗。

燃料電池本身及其輔助都對燃料電池發動機系統的性能產生重要影響。如今仿真技術已經廣泛應用于氫燃料電池的研發過程中，但是將燃料電池本身、供氫系統及其他輔助系統聯合的仿真分析尚不多見。本文中綜合考慮燃料電池本身、供氫系統、其他輔助系統中復雜的物理化學過程和運行特性，建立仿真模型，分析循環泵轉速、排氣時間以及排氣周期對氫燃料電池各狀態參數的影響，并進行試驗驗證，為優化氫燃料電池電堆的性能提供參考。

1 供氫系統設計與模型建立

1.1 供氫系統設計

燃料電池供氫系統有3種常用的布置方式：流通模式、閉端模式、循環模式，如圖1所示。在流通模式中，氫氣從儲氫罐釋放，依次通過減壓閥和流量調節器，進入燃料電池電堆。其中一部分氫氣在電池電堆中反應，未反應的氫氣直接從燃料電池電堆出口釋放。這種流動方式不利于保持電池堆內部壓力的穩定，并且未參與反應的氫氣直接排放不僅造成資源浪費，還可能帶來安全風險。

在閉端模式中，氫氣經儲氫罐釋放后，經過減壓閥、比例閥，進入燃料電池電堆，但是由于燃料電池電堆的出口被封閉，氮氣和水分在此處積聚，因此必須在電堆出口處設置排氣閥以保證聚集氣體排出。此外，為保證進入電堆時氫氣的濕度在合理范圍內，在燃料電池電堆之前還必須設置一個氫氣增濕裝置。

循環模式與其他模式不同的是：在燃料電池電池堆后設置汽水分離器，用以于燥流過燃料電池電堆但未反應的氫氣，干燥氫氣經過循環裝置后，又流至燃料電池堆的入口處，實現氫氣的再次利用。循環模式不僅解決了氫氣浪費問題，實現較大的氫氣過量比，還能夠充分利用電池內部生成的水實現自增濕。但是引入循環裝置增加了系統的成本和系統控制的復雜度。

本文中對循環模式進行改進，氫氣流動方向與循環模式相同，在原有基礎上添加排氣閥和控制器，排氣閥定時開啟以排出燃料電池堆中積累的氮氣和水蒸氣，控制器負責根據負載電流反饋調節比例閥開度、循環泵轉速、排氣閥排氣時間和周期。改進后的燃料電池供氫系統設計方案如圖2所示。

1.2 電堆模型

本文中基于一臺功率為150 kW的燃料電池電堆進行建模，將整個電堆內部視為一個各物理場均勻分布的整體。整個燃料電池電堆模型包括電壓、陰陽極流動、氮氣滲透、水跨膜運輸和熱傳輸計算。

單電池電壓

Ufc=U－Uact－Uohm－Uconc，

式中：U為可逆電壓，V，表示反應完全可逆時，理論上能達到的最大電壓；Uact為活化損失電壓，V，由發生反應需要的活化能決定；Uohm為歐姆損失電壓，V，與燃料電池內部導電材料的導電性能有關；Uconc為濃差損失，V，由反應場所中反應物的濃度分布不均導致，電流密度越高，濃差損失越大。

整個電堆的電壓

Ust=nUfc，

式中n為電堆堆疊的數量。

燃料電池中包含氫氣、氧氣、氮氣和水4種主要流體。陽極的氫氣和陰極的氧氣在膜電極處以反應的方式消耗，在陰極生成氣態水。液態水在電場電滲拖拽和濃度差滲透的雙重作用下進行跨膜運輸，一定工況下陰、陽極中水達到平衡。陰極供入的氣體為空氣，空氣中氮氣的體積分數高于75%，燃料電堆運行時，陰極的氮氣在濃度差的作用下跨膜運輸至陽極，并在陽極循環累積。

燃料電池中各物質的傳質過程使用質量守恒定律進行描述，建立各組分的平衡方程：

dm（H2）dt=qm，in（H2）－qm，out（H2）－qm，react（H2），

dm（O2）dt=qm，in（O2）－qm，out（O2）－qm，react（O2），

dm（N2）dt=qm，in（N2）－qm，out（N2）± qm，osm（N2），

dmwdt=qm，v，in－qm，v，outqm，v，mem（qm，v，react），

式中：m為物質的質量，kg; qm為物質的質量流量，kg/s；H2、O2、N2、v、w分別表示氫氣、氧氣、氮氣、水蒸氣和水，in、out分別表示物質的流入和流出，react表示參與反應，osm表示跨膜運輸，mem表示質子交換膜；t為時間，s。

燃料電池運行時產生的大部分熱量被冷卻液帶走，小部分被陰、陽極氣體帶走，極小一部分以輻射形式在環境中流失。按照熱流量流入為正，流出為負，燃料電池電堆熱量的平衡方程為：

cfcdTfcdt=Pchem－Pout－Pliquid－Pflow－Prad，

式中：cfc為電池比熱容，J/（kg·K）；Tfc為電堆溫度，K；Pchem為化學反應熱功率，W；Pout為電池輸出功率，W；Pliquid為液態水吸收熱量功率，W；Pflow為流體顯熱功率，W；Prad為電池向環境輻射熱功率， W。

1.3 輔助系統模型

氫燃料電池的輔助系統負責供應氫氣、氧氣以及冷卻水，涉及的部件相當多。為了簡化計算過程并提高計算速度，本文中對系統中的關鍵部件建模進行了簡化處理。將儲氫罐和減壓閥視為一個整體，內部為恒溫恒壓的氫氣環境； 在燃料電池電堆中，反應產生的水分通過汽水分離器被分離出來，并通過專門的排水裝置排出。由于排水裝置長時間處于關閉狀態，其對系統的影響可以忽略不計，因此可以假設循環流體中不存在液態水；燃料電池系統內中冷器和散熱器負責將相應的流體冷卻至適宜溫度，假設兩者均為正常工作，能夠將流體冷卻到目標溫度；燃料電池中比例閥、空壓機、增濕器等零件的建模過程，均認為是最佳工作狀態下進行建模。

2 模型驗證

2.1 試驗平臺

進行燃料電池發動機系統臺架試驗，驗證模型的準確性，試驗臺架如圖3所示，圖中主要部件有空氣濾清器和氫燃料電池發動機，黑色管道負責輸送氫氣和空氣，白色管道用于冷卻液的流動，橙色管道是用于信號傳輸的線路。

該測試系統涵蓋了電堆單元、氫氣供應單元、空氣供應單元、水熱管理單元、控制單元、電子負載以及輔助電源模塊，該平臺能夠為電堆供應所需的氫氣和空氣，為輔助系統的組件提供必要的電力供應，發送啟動和停止指令，設定功率信號，并實時監控電堆的電壓和工作溫度等關鍵參數。

2.2 試驗方案

燃料電池發動機系統起動后，電流在80～580 A內依次增加，其他條件不變，待系統達到穩態運行以后，記錄不同電流下燃料電池平均單體電壓、功率密度、氫氣流量、冷卻口入口溫度、冷卻口出口溫度。

試驗中主要的傳感器有電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氫氣流量計、壓力傳感器，具體量程與精度如表1所示。

2.3 模型準確性

在相同工況下對模型進行計算，將計算出的極化曲線、氫氣體積流量、冷卻液入口溫度、冷卻液出口溫度與試驗結果進行對比，結果如圖4所示，圖4c）中Ut、Us分別為試驗與仿真的平均單體電壓。

由圖4可知：功率密度、冷卻液入口溫度的仿真與試驗結果吻合較好；在低電流密度下平均單體電壓仿真結果略低于試驗結果，在中電流密度下略高于試驗結果，在高電流密度下又略低于試驗結果；冷卻液出口溫度僅在低電流時出現了偏差，中高電流時的仿真結果與試驗結果吻合較好。

總體來說，仿真計算和試驗結果的趨勢基本一致，低電流時的冷卻出口溫度的相對偏差較大，但由于氫燃料電池電堆一般工作在中高電流下，因此低電流時的偏差可以忽略，其余參數的相對偏差均在6%以內，表明模型具有較高準確性，能精確預測燃料電池系統不同工況下的工作狀態。

3 供氫系統仿真分析

3.1 影響因素分析

比例閥開度、循環泵轉速、排氣閥開啟周期和時間（即排氣周期與時間）是供氫系統控制的關鍵因素。比例閥開度隨負載電流變化而變化，氫氣流量隨比例閥開度增大而增大。氫氣壓力和氫氣過量比隨循環泵轉速的增加而增加，但循環泵功耗也隨之增大，降低整個燃料電池系統的效率；循環泵轉速降低，進入燃料電池堆的氫氣壓力和過量比減小，電池輸出功率下降。排氣周期和排氣時間對系統中氮氣的含量和氣體壓力有很大的影響，排氣周期長、排氣時間短，燃料電池中氮氣難以及時排出，燃料電池輸出功率下降；排氣周期短、排氣時間長又造成內部壓力損失嚴重，氫氣泄漏，浪費嚴重。因此，應尋找合適的策略對比例閥開度、循環泵轉速、排氣周期與時間進行控制，能兼顧氫氣過量比、輔助系統功耗、氫氣額外損失、內部壓力，使燃料電池發動機在不同工況下均具有較高的輸出功率。

3.2 試驗方案設計

為以較少的試驗次數，全面分析循環泵轉速、排氣閥開啟周期和時間對燃料電池各狀態參數的影響，采用正交試驗法構建三因素三水平的正交試驗設計方案。循環泵轉速選取2 500、3 000、3 500 r/min，排氣閥開啟時間選取0.5、1.0、1.5 s，開啟周期選取8、10、20 s。正交試驗設計方案如表2所示。

3.3 結果分析

仿真計算后發現，9組方案的變化趨勢基本一致，以方案5為例，不同負載電流下氮氣的體積分數變化如圖5所示。由圖5可知：排氣閥開關前、后氮氣體積分數、排氣閥門開關對應的氮氣體積分數差值均呈現相同的趨勢；在低電流區間，三者隨電流增大呈現快速上升的趨勢；在中電流區間，氮氣體積分數開始出現波動；在高電流區間，波動現象消失，氮氣體積分數基本和電流呈正比。

分別對電堆負載為20%、60%、100% 3個工況的參數特性進行分析，3個工況對應的負載電流分別為105、350、595 A。3個工況下不同排氣周期對應的氮氣體積分數如圖6所示。由圖6可知：排氣周期為8 s時，電池內部積累的氮氣較少，氮氣體積分數隨排氣時間增大而下降，排氣時間對氮氣體積分數變化影響微弱，考慮到排氣時間越長，氫氣泄漏也就越多，所以在排氣周期為8 s時，應盡可能減小排氣時間以減少氫氣泄漏；排氣周期為10 s時，氮氣體積分數隨排氣時間先增大后減小，氮氣體積分數變化最明顯時排氣效果最佳，因此對應排氣時間為1 s；排氣周期為20 s時，氮氣體積分數隨排氣時間增大而增加，排氣時間越短氮氣體積分數變化越小?？偟膩砜?，排氣周期小于10 s時，適當減小排氣時間更有利；排氣周期大于10 s時，應適當增大排氣時間，有利于排出積累的氮氣。

負載電流為105 A時，不同試驗方案氮氣體積分數隨時間變化趨勢如圖7所示。

由圖7可知：正交試驗設計方案中，從1、4、7組，2、5、8組，3、6、9組進行分析，在循環泵轉速相同時，氮氣體積分數變化較大，說明排氣周期和排氣時間對陽極氮氣體積分數影響較大，循環泵轉速對氮氣體積分數無影響；從1、6、8組，2、4、9組和3、5、7組來看，進入燃料電池電堆后的氣體經排氣后，在相同排氣周期下，氣體中的氮氣體積分數隨著排氣時間的增加而降低；從1、5、9組，2、6、7組，3、4、8組進行分析，在相同排氣時間下，經排氣后的氣體中氮氣體積分數隨排氣周期的減小而降低。

陽極氫氣體積流量與負載電流的關系如圖8所示，氫氣過量比和負載電流之間的關系如圖9所示。由圖8可知：排氣閥門開、關時，氫氣體積流量均隨負載電流增大而線性增大。排氣閥開啟前，氮氣在電池中積累，排氣閥開啟后，氮氣排出，儲氫罐和循環系統的氫氣共同流入陽極，氫氣流量增大。由圖9可知：排氣閥門關閉且低負載電流下，氫氣反應速度較慢，陽極壓力依靠氫氣維持，此時氫氣過量比較高；負載電流逐漸增大，反應消耗的氫氣增多，氫氣過量比迅速降低；當負載電流增大到200 A，氫氣過量比減小速度趨于平緩；排氣閥門打開，尾氣排出，氮氣體積分數下降，為了維持陽極壓力，進氣流量增加，氫氣過量比也有所增大。

3種工況下電堆輸出電壓和陽極壓力隨時間的變化如圖10所示。由圖10可知：模型運行50 s后，不同電流負載下的電堆輸出電壓和陽極壓力不再波動，趨于定值，此時可以認為模型達到了穩態狀態。這表明在排氣周期小于20 s、排氣時間小于1.5 s時，電堆的電壓和陽極壓力將在一定時間后維持在一個穩態值附近。

4 結論

基于改進后的循環式供氫系統，分析了供氫系統循環泵轉速、排氣周期、排氣時間、負載電流等參數對電堆特性的影響，得到以下結論。

1）在低負載電流下，陽極氮氣體積分數較小，隨負載電流增加，陽極氮氣體積分數增大；在中電流區間，氮氣體積分數開始出現波動；在高電流區間，波動現象消失，氮氣體積分數基本和電流呈正比。

2）當排氣周期小于10 s時，排氣時間應適當減小，減少氫氣浪費；當排氣周期大于20 s時，排氣時間應適當增大，保證陽極累積氮氣及時排出。

3）陽極氫氣的流量隨負載電流增大而增大，兩者呈線性關系；氫氣過量比隨負載電流增大而減小，低電流負載下，氫氣過量比迅速減??；在中高電流負載下，氫氣過量比減小速率趨于平緩。

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Design and analysis of hydrogen supply system for a fuel cell engine

LIU Liming1， REN Chongchong2， LIU Min2， WANG Guihua1，

BAI Shuzhan^1*， LI Guoxiang1

1. School of Nuclear Science， Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China;

2. Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China

Abstract：Analyze the characteristics of three hydrogen supply system layouts： circulation， closed-loop， and circulation. Based on a hydrogen fuel cell stack with a power of 150 kW， the layout scheme of the circulation hydrogen supply system is improved， a simulation model of the fuel cell engine system is built， and orthogonal experimental design method is used to simulate and analyze nine different battery working states. The effects of the rotational speed of the circulation pump， exhaust cycle， and exhaust time on the performance of the fuel cell system are investigated. The simulation results show that the volume fraction of nitrogen at the anode of the fuel cell increases with the increase of current; the rotational speed of the circulating pump has no effect on the volume fraction of nitrogen gas in the anode of the fuel cell stack; when the exhaust cycle is less than 10 s， the exhaust duration should be appropriately reduced; when the exhaust cycle is greater than 20 s， the exhaust duration should be appropriately increased; the volume flow rate of anode hydrogen increases with the increase of current， while the excess ratio of hydrogen decreases with the increase of current.

Keywords：hydrogen fuel cell; hydrogen recirculation system; anode; simulation

（責任編輯：臧發業）