燃料电池系统氢循环方案综述

郭伟静

摘 要：燃料电池氢循环主要作用是维持电堆内氢气循环量，保持堆内的水平衡。好的氢循环设计方案对提高燃料电池寿命、可靠性、以及整车的经济和动力性都有着至关重要的作用。文章从成本、效率、技术成熟度、资源可行性等角度分析了不同氢循环方案的优缺点，同时指出未来氢循环研发的热点和方向。

关键词：燃料电池 氢循环 氢气循环泵 引射器

Overview of Hydrogen Cycle Schemes for Fuel Cell Systems

Guo Weijing

Abstract：The main function of the fuel cell hydrogen cycle is to maintain the hydrogen circulation in the stack and maintain the water balance in the stack. A good hydrogen cycle design scheme plays a vital role in improving the life and reliability of fuel cells， as well as the economy and power of the vehicle. The article analyzes the advantages and disadvantages of different hydrogen cycle solutions from the perspectives of cost， efficiency， technological maturity， and resource feasibility， and points out the hot spots and directions for future hydrogen cycle research and development.

Key words：fuel cell， hydrogen circulation， hydrogen circulation pump， ejector

1 引言

近年来，传统的化学能源造成的环境污染问题日益严重，寻找替代能源的呼声也日益强烈。燃料电池作为一项非常有前景的能源技术，具有效率高、排放低等优点。燃料电池中的质子交换膜燃料电池除了前文提到的优点外，还具有启动快、常温常压工作条件下运行、功率密度高、电解质为固体膜、易密封的特点，因此具有更大的优越性和市场潜力。

燃料电池是一种化学能转化为电能的能量转换装置。质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂通过电化学反应产生能量和水。采用以氢为燃料的燃料电池，可以等温的按照化学式将化学能直接转化为电能，从而可以作为汽车动力替代传统发动机为汽车提供驱动力。燃料电池系统主要包括空气子系统、氢气子系统、冷却子系统。空气子系统主要为燃料电池提供充足的氧气，并达到燃料电池所需要的温度、压力和湿度。冷却子系统主要的作用是将电堆多余的热量带出，保证电堆在适宜的温度下稳定运行。氢气子系统主要通过减压器或者电子喷射装置，为燃料电池提供充足的氢气，同时要达到燃料电池所需要的压力，通过氢气循环装置保证电堆内氢气的过量系数，使得反应更充分，同时将电堆内的水带出，使得燃料电池系统能稳态的运行。所以一个好的氢循环的设计方案，对于燃料电池系统的稳定运行有至关重要的作用，并且对提高燃料电池发动机寿命、可靠性乃至电堆内部水管理等都有着至关重要的影响。

目前市场上典型的氢循环方案通常采用氢气循环泵、双引射器、单引射器、氢气循环泵和引射器集成、引射器加旁通幾种不同的形式。本文通过对比各大系统厂商氢气循环设计方案，分析不同方案的优缺点，同时指出未来氢气循环方案研发的热点与方向。

2 循环泵方案

目前市场上应用最多的技术方案就是单独使用氢气循环泵作为设计方案，详细架构图如图1：

该方案的主要优点是可通过氢泵转速实时控制循环量，在任何工况条件下，均能满足系统所需要的回流量，并且实时可调控。但是在实际应用过程中，越来越多的问题被暴露。其中目前最棘手的问题是氢气循环泵在低温下结冰，导致系统无法启动，此问题直接导致系统无法运行。另外噪音的问题也严重影响了客户的使用感受。此外目前的氢泵研发成本高，价格昂贵，也是影响其市场发展的最重要的原因。另外氢泵的重量大导致系统的功率密度降低，EMC干扰的问题直接影响了其在整车的应用，这些都是影响其广泛应用的关键因素。

3 单引射器方案

氢气循环泵的使用虽然可以有效的改善氢循环，但是需要额外的消耗功耗，并且也存在成本高、体积大、故障率高等问题。相比而言，引射器无移动部件，具有结构简单、运行可靠、成本低等优点，而且能避免产生寄生功率。

随着引射器技术的不断发展和研究，目前市场上也有部分厂商采用单引射器的方案，实现了系统的结构和体积进一步优化。引射器主要是基于文丘里管的原理，并以索科洛夫的引射器设计方法位基础，使用Matlab和Fluent仿真软件，进行大量的仿真和计算来设计出一款最优的尺寸。详细架构图如下。但是目前引射器在系统的应用情况还不太成熟，在低负载工况和高负载工况很难同时兼顾，按低负载工况设计引射器基本尺寸，可能会导致在高负载工况下引射器工作流压力过高，在混合室内产生激波;按照高负载工况设计引射器的基本尺寸，可能会导致在低负载工况下引射器的升压不满足系统需求，引射效果差，故其在使用范围存在很大的局限性。单引射器受工况的影响很大，在系统启停、变载情况下工作稳定性很难保障。所以如何能使得引射器能覆盖全工况点成为了研究的重要方向。以下是单引射器的架构图：

引射器的基本原理：引射器是一种机械结构的增压装置，其组成及工作原理如下图。在引射器工作时，根据进入引射器内流体压力的高低，流体可分为高压工作流体与低压引射流体。工作流体从喷嘴高速流出后进入等压混合室，喷嘴出口处出现低压区，低压区与引射流体间巨大的压差将引射流体卷吸入引射器内。工作流体和引射流体在等压混合室和等容混合室内完成均匀混合及能量交换，而后从扩压段排出。

4 双引射器方案

由于单引射器存在无法覆盖所有工况点的弊端，各个系统供应商纷纷开始寻求其它的解决方案。2010年，美国一家技术公司提出双引射器的方案。此方案利用高低压两个引射器来实现氢气循环功能，在高、低工况下进行喉口的切换，通过切换喉口，改变截留面积，改变喷射流量，从而影响喷射流速，影响循环量的变化，来满足电堆不同功率下的循环量需求。随后基于对系统集成度和体积的考虑，又提出可变喷嘴式引射器，但是此方案又存在结构复、故障率高、控制难度高等问题。

5 引射器和氢泵并联方案

针对以上研发难点和应用问题，又提出了引射器和氢泵并联的方案，详细架构图见下图。当引射器工作在低工况点时，通过打开氢气循环泵来提高循环量。当在高工况点时，如果引射器能力足够，关闭循环泵。这种方案主要是通过氢泵补偿引射器能力不足的区域，弥补单引射器工作范围窄的缺陷，同时氢泵主要在低功率点工作，不存在能耗高的问题，且氢泵能够主动控制，可根据实际的需求实时补充不同工况点的循环量，使得循环比可控可调整。但此方案对氢气循环泵和引射器的匹配和控制提出了新的要求和挑战，同时又带来了集成难度高、体积大、重量大、EMC等问题。

6 引射器加旁通喷射器方案

以上方案虽然满足了使用的要求，但是其是在牺牲了系统体积和重量的基础上进行的，所以如何能使得引射器覆盖全部的工作点，并实现实时可调控，成为了之后研发的重点方向。随后，本田提出引射器加旁通方案，并在Clarity燃料电池汽车中进行了实际的应用，此方案与2009款燃料电池汽车中采用的由引射器-减压器-调节阀组成的氢气供给系统结构性比，体积降低了40%。并且可根据工况的变化，实时调节循环量。

工作原理：通過减压器控制氢喷入口的压力，一次流氢喷控制引射器入口的压力，该压力直接影响了一次流流量的大小，流量的变化直接影响流体从喷嘴喷出时的流速，从而影响引射器的引流能力。但是由于在同一个工况点，电堆的消耗量是一样的，当通过调节引射器入口压力调整回流量时，进入电堆的气量又发生了变化，所以要通过二次氢喷补偿进入电堆的气量，保证电堆内的压力维持在需求范围内，维持系统的正常运行。该方案使得引射器在系统的应用更加的灵活，使得回流量实时可控可调整，打破了引射器定工况定压力点工作的特性，这使得引射器在系统的应用迈出了重大的一步。

7 优缺点归整

根据以上几种氢循环方案，归纳总结了各自的优缺点（表1）：

8 结论和启发

以上几种技术方案从成本、效率、技术成熟度、资源可行性等不同的角度进行了分析，综合考量的结果，引射器将成为未来发展的热点，越来越多的整车厂将设计研发的重点放在了全功率范围工作的引射器上，并且在应用层面逐步优化控制策略，从而提高系统应用的合理性和寿命。

参考文献：

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