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提高氢气利用率和改善水平衡,燃料电池系统氢气再循环方案设计分析

时间:  2020-06-08 16:05   来源:  燃料电池干货    作者:  网络转载

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燃料电池电堆出口氢气再循环的主要目的是提高氢气利用率和改善水平衡。根据系统功率需求、零部件性能和效率等因素考虑,车载燃料电池系统的氢气再循环方案可作出变动。以本田汽车公司为例,最新一代FCV Clarity燃料电池汽车采用喷射器旁通引射器方案,取代上一代的两级可变喷嘴

在介绍燃料电池系统氢气再循环方案设计前,先来看一下引射器的工作原理。下面两幅动图生动展示了引射器的基本工作过程:左侧高压蓝色水流(储氢瓶出口)通过喉口段,流速增加压强减小,在红色引射流体(电堆出口)和喉口出口段形成负压,红色流体经抽吸进入管内与蓝色流体混合,完成引射(进入电堆)。其中,红色流体的质量流量与蓝色流体的质量流量之比,称为引射系数或引射比。

受传质阻力和反应效率限制,燃料电池电堆阴阳极侧通入的反应气体通常不能完全参与电化学反应。在阳极侧,将电堆出口处未参与电化学反应的残余氢气直接排放到外界环境(氢气直排法),不仅带来氢安全问题,还会降低氢气利用率和氢燃料经济性。此外,阳极出口处通常携带大量水分,氢气直排法可能造成电堆干燥和水分失衡(尤其对于自增湿电堆)。

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同样,阳极回路完全封闭更不可取。燃料电池发动机正常运行过程中,阴极侧氮气和惰性气体在压差或浓度梯度作用下反扩散至阳极聚集。此外,阴极侧扩散至阳极的液态水也会造成阳极水淹。因此,定期排水和排气亦同样重要。综上所述,为提高氢气利用率、氢安全性和改善电堆水平衡,合理的氢气再循环方案对于车载燃料电池系统至关重要

目前,车载燃料电池系统的阳极子系统主要有间隔排氢(dead-end)和氢气再循环两种方案。间隔排氢方法通过周期性启闭阳极出口电磁阀控制排氢间隔和排氢时间,虽然比氢气直排方案减少了氢气浪费,但一般无法实现较大的氢气计量比。此外,间隔排氢在出口端易引起堵水和电压脉冲。氢气再循环方案通常有氢气循环泵和引射器两种技术途径,两种方法各有优缺点。相比氢循环泵,引射器结构简单、运行可靠、无移动部件、噪音低、无额外功耗。相比引射器,氢循环泵在全工况范围内具有良好的循环效果,且主动可调节

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单氢气循环泵方案的典型代表为丰田汽车公司。丰田汽车公司在FCHV系列和Mirai车型上均采用了氢循环泵的回氢方案。目前,丰田汽车公司的氢循环泵技术已开发至第三代,氢循环泵叶轮从涡旋式转向罗茨式。单引射器方案的典型代表为现代汽车公司。现代汽车公司为精确估算和控制NEXO燃料电池阳极子系统内氢气浓度,基于单引射器的回氢方案开发了阳极氢气浓度估算器和吹扫控制器

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根据氢气循环泵和引射器的使用情况,氢气再循环方案又演变出喷射器旁通引射器引射器与氢循环泵并联多级引射器并联等方案。鉴于引射器工作范围较窄和吹扫等因素考虑,在传统喷射器和引射器基础上添加喷射器旁通路成为一种车载实用做法。下图展示了典型中型燃料电池车的阳极子系统示意图,在双堆系统中,为每个电堆配备了喷射器旁通引射器的氢气再循环方案。

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喷射器旁通引射器方案的典型代表为本田最新款FCV Clarity燃料电池车型。为精确控制阳极压力和气体流量,本田汽车公司取代了上一代FCX Clarity车型的两级可变喷嘴引射器+比例阀技术路线,转向喷射器旁通固定喷嘴引射器的供氢-回氢总成方案,性能和体积同步提升。与上一代FCX Clarity车型相比,京滨公司(Keihin)为本田新一代车型开发的燃料电池供氢系统实现体积降低40%。

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为弥补引射器工作区间窄的劣势,可使用多级引射器并联方案,即将大、小流量(或高压、低压)两个引射器分别在高、低负荷时工作,如下图所示。通常,在多级引射器并联方案中布置有换向阀(分流阀),通过换向阀控制大、小回路引射方案。

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为简化阳极氢循环系统和实现大小回路引射,使用单个可变喷嘴或喉口引射器亦可实现多级引射并联目标,如使用电磁阀控制探针位置改变喉口横截面积实现可变氢气循环量、使用压缩气体控制膜片位移带动针阀移动来实现喉口面积可控、使用多孔道喷嘴实现可变再循环量。这些方案通过电磁阀驱动探针、压差驱动探针和改变喷嘴流通孔道实现流体流经喉口面积大小变化,最终实现在不同负荷下大小流量氢气再循环。

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可变喷嘴引射器的典型代表有本田汽车公司上一代燃料电池汽车FCX Clarity使用的两级可变喷嘴引射器。FCX Clarity氢气再循环系统主要由减压阀(减压)、调节阀(压力调节)和两级可变喷嘴引射器(电磁阀驱动)组成。

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在引射器工作能力受限的低流量工作区域,也可引入氢气循环泵协同合作,即引射器和氢气循环泵并联方案,如下图所示。在燃料电池系统高载荷区间采用引射器回流,低负荷区间氢循环泵介入工作。该方案不仅可以实现燃料电池系统全工况区间较高的引射比,还可节省氢气循环泵的耗能需求。
 

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