車(chē)用PEMFC系統(tǒng)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

南澤群，許思傳，章道彪，劉文熙

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海201804；2.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司乘用車(chē)分公司，上海201804)

車(chē)用PEMFC系統(tǒng)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

南澤群1，許思傳1，章道彪2，劉文熙1

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海201804；2.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司乘用車(chē)分公司，上海201804)

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)(Hydrogen Supply System,HSS)的調(diào)壓、排水、排氣、加濕作用對(duì)于提高質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的性能與壽命有著重要影響。通過(guò)對(duì)比目前國(guó)內(nèi)外燃料電池系統(tǒng)采用的不同氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及性能，分析了不同氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)燃料電池系統(tǒng)性能的影響，最后指出了未來(lái)高性能質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的研究和發(fā)展方向。

PEMFC；HSS；氫氣循環(huán)；引射器

1 HSS概述

在PEMFC系統(tǒng)中，氫氣儲(chǔ)存在高壓瓶中，典型的存儲(chǔ)壓力約為20～45 MPa，甚至高達(dá)70 MPa[1]。雖然更高的反應(yīng)氣體壓力可以提高電堆性能，但陰陽(yáng)極壓差大到一定程度，質(zhì)子交換膜就可能破裂，使電堆的安全性和可靠性下降。因此，當(dāng)陽(yáng)極的氫氣壓力增大時(shí)，陰極的空氣也必須通過(guò)空壓機(jī)增壓，以保證陰陽(yáng)極壓差維持在一定范圍內(nèi)。另一方面，由于空壓機(jī)會(huì)消耗電堆產(chǎn)生的功率，因此氫氣壓力不能過(guò)高，必須控制在一定范圍才能供入電堆。

在PEMFC中，保持質(zhì)子交換膜的水平衡對(duì)電堆的壽命有重要意義。一方面，水含量過(guò)低會(huì)產(chǎn)生干膜現(xiàn)象，妨礙質(zhì)子的傳輸；另一方面，水含量過(guò)高會(huì)產(chǎn)生水淹現(xiàn)象，阻礙多孔介質(zhì)中氣體的擴(kuò)散，導(dǎo)致電堆輸出電壓降低[2-3]。此外，從陰極側(cè)穿透到陽(yáng)極的雜質(zhì)氣體不斷累積，也會(huì)對(duì)電堆的性能造成影響[4]。

針對(duì)以上堵水和氣體滲透的問(wèn)題，通常采用排氫的方法，將電堆內(nèi)部生成的水和累積的雜質(zhì)氣體排出。排氫頻率太低，容易導(dǎo)致堵水和雜質(zhì)氣體累積，從而導(dǎo)致電堆性能下降；排氫頻率太高，則既浪費(fèi)了氫氣，又帶來(lái)潛在危險(xiǎn)[5-8]。為保證PEMFC穩(wěn)定高效運(yùn)行，同時(shí)提高氫氣利用率，通常采用氫氣循環(huán)的方法，即氫氣把電堆內(nèi)部生成的水帶出后，經(jīng)水氣分離裝置將液態(tài)水分離，再將氫氣循環(huán)送回到電堆陽(yáng)極重復(fù)使用，同時(shí)對(duì)新鮮氫氣進(jìn)行加濕。

典型的HSS包括高壓儲(chǔ)氫瓶、減壓閥、壓力調(diào)節(jié)閥、循環(huán)裝置(循環(huán)泵或引射器)、穩(wěn)壓罐、傳感器、各種電磁閥及管路等。HSS通過(guò)高壓儲(chǔ)氫瓶提供電堆所需的氫氣，根據(jù)電堆的工況特性，對(duì)氫氣進(jìn)行調(diào)壓、加熱、加濕，并通過(guò)循環(huán)裝置對(duì)電堆出口氫氣進(jìn)行循環(huán)利用。對(duì)于高壓HSS而言，對(duì)氫氣進(jìn)行壓力調(diào)整和循環(huán)利用是設(shè)計(jì)的兩大難題。

2 HSS研究和發(fā)展現(xiàn)狀

目前主要的氫氣循環(huán)模式有單級(jí)引射器、雙級(jí)引射器并聯(lián)、單級(jí)循環(huán)泵、引射器和循環(huán)泵并聯(lián)等，在此基礎(chǔ)上通過(guò)優(yōu)化引射器結(jié)構(gòu)和控制策略等方法來(lái)提高循環(huán)效果。

2.1 多級(jí)引射器并聯(lián)

2010年，美國(guó)技術(shù)咨詢(xún)公司DTI(Direct Technology Incorporation)進(jìn)行了燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造成本分析[9]。DTI的燃料電池氫氣供應(yīng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1，其中HSS包含高壓儲(chǔ)氫瓶、氣動(dòng)控制閥、氫氣過(guò)濾器、氫氣分流閥、高流量引射器、低流量引射器、過(guò)壓切斷閥、排氫閥和單向閥。該系統(tǒng)使用氫氣分流閥，使氫氣在高、低功率時(shí)分別通過(guò)大、小流量引射器。利用高壓氫氣對(duì)陽(yáng)極尾氣進(jìn)行抽吸，既提高了氫氣利用率，又利用尾氣對(duì)新鮮氫氣進(jìn)行加濕，從而省去了陽(yáng)極加濕器。同時(shí)雙級(jí)引射器并聯(lián)，彌補(bǔ)了單級(jí)引射器工作范圍窄的缺陷。該系統(tǒng)保留了排氫閥，是基于降低雜質(zhì)累積的考慮。

圖1 DTI公司2010年燃料電池氫氣供應(yīng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 引射器與循環(huán)泵并聯(lián)

美國(guó)Argonne實(shí)驗(yàn)室在2010年提出的燃料電池系統(tǒng)布置圖如圖2所示[10]。其中氫氣循環(huán)系統(tǒng)包含儲(chǔ)氫瓶、減壓閥、引射器、氫氣循環(huán)泵、水分離器、單向閥和排氫閥等相關(guān)部件。采用氫氣循環(huán)泵和引射器并聯(lián)的方式彌補(bǔ)了單級(jí)引射器無(wú)法在全工況范圍內(nèi)工作的缺陷。

圖2 Argonne實(shí)驗(yàn)室2010年燃料電池系統(tǒng)布置圖

圖3對(duì)比了陽(yáng)極廢氣(水、氫氣、氮?dú)?中，在引射器單獨(dú)工作時(shí)可被引射的氣體量，和為保持氫氣70%的單次通過(guò)利用率所必須被引射的氣體量。圖3表明單個(gè)引射器可以在25%～100%的流量范圍內(nèi)工作，在低于25%的流量范圍內(nèi)則需要一個(gè)氫氣循環(huán)泵來(lái)輔助循環(huán)。

圖3 引射器性能示意圖

2.3 利用引射器前端壓力脈沖

2013年瑞士Belenos Clean Power Holding AG公司公開(kāi)一項(xiàng)專(zhuān)利，該專(zhuān)利描述了一個(gè)含有引射器的燃料電池系統(tǒng)[11]，其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4。該HSS在儲(chǔ)氫瓶60和引射器113之間設(shè)置了控制閥110，當(dāng)在大功率工況時(shí)，控制閥保持開(kāi)啟，此時(shí)引射器的引射效果明顯；在小功率工況時(shí)，控制閥在開(kāi)關(guān)狀態(tài)間切換，使引射器前端壓力呈脈沖變化，在控制流量的同時(shí)保證引射性能，并拓寬工作范圍。控制閥開(kāi)關(guān)的頻率和脈寬由控制回路15設(shè)置。

圖4 Belenos Clean Power Holding AG公司燃料電池系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.4 被動(dòng)控制式引射器

美國(guó)Nuvera Fuel Cell,Inc公司于2014年獲得被動(dòng)式氫氣循環(huán)裝置的專(zhuān)利[12]，該裝置的實(shí)質(zhì)是一個(gè)可變流量的引射器。

循環(huán)裝置(引射器)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括440和450兩部分，并以某種機(jī)械形式耦合。新鮮氫氣120從進(jìn)口260進(jìn)入，陽(yáng)極排氣220從進(jìn)口250進(jìn)入，二者在混合室470混合，混合氣從出口270排出。530為活塞，430為活塞腔體，活塞530與活塞缸壁480相配合，活塞530可以沿軸線(xiàn)460移動(dòng)，并保證密封?；钊?30一端為錐面，該錐面與座體600相配合，活塞上有若干圓孔610，活塞內(nèi)部為氣體通道560活塞另一端與噴嘴的空腔520相連。噴嘴狹縫490將活塞頭570與混合室470連通?；钊?30有兩個(gè)受力面，一個(gè)受力面是與座體600相配合的錐面，受到新鮮氫氣120的壓力，另一個(gè)受力面是活塞頭570，受到陽(yáng)極排氣220的壓力?；钊?30的位置取決于兩個(gè)受力面的平衡。該裝置依靠陽(yáng)極排氣220的壓力，被動(dòng)地控制引射器的循環(huán)流量，可以增大引射器的工作范圍。

圖5 Nuvera Fuel Cell,Inc公司被動(dòng)式控制引射器結(jié)構(gòu)圖

2.5 利用壓力波動(dòng)及單向閥

日本宇宙航天研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的Masatoshi Uno等人采用了一種新的循環(huán)模式[13]，其原理是利用壓力的波動(dòng)完成循環(huán)。該模式主要部件有2個(gè)單向閥、水氣分離器和流量控制裝置。Masatoshi Uno認(rèn)為，采用氫氣循環(huán)泵或引射器有其難以克服的缺點(diǎn)。一方面，氫氣循環(huán)泵消耗電堆功率，且含有許多機(jī)械部件，伴隨有震動(dòng)和噪聲，并包含有軸承、潤(rùn)滑油等，耐久性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性并不滿(mǎn)足要求。另一方面，引射器雖然無(wú)運(yùn)動(dòng)部件且可靠性高，但其工作范圍較窄，無(wú)法在小流量下起到循環(huán)的效果。

該系統(tǒng)原理如圖6所示，該裝置有A和B兩種工作模式。A模式下，通過(guò)流量控制裝置調(diào)節(jié)陽(yáng)極入口壓力上升，部分未反應(yīng)完的氣體克服單向閥1的壓力進(jìn)入單向閥1和2間的管路，由于管路和單向閥1有壓損，此時(shí)氣體無(wú)法克服單向閥2的壓力回流到燃料電池陽(yáng)極入口；B模式下，調(diào)節(jié)陽(yáng)極入口壓力下降，未反應(yīng)完的氣體減少，壓力下降至無(wú)法克服單向閥1的壓力，此時(shí)單向閥1關(guān)閉。由于陽(yáng)極入口管路壓力下降，存儲(chǔ)于單向閥1和2之間的陽(yáng)極排氣克服壓力開(kāi)啟單向閥2，進(jìn)入循環(huán)回路。管路及各閥門(mén)的壓力變化幅度及周期如圖7。

圖6 壓力波動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)原理圖

2.6 含穩(wěn)壓罐的氫氣循環(huán)系統(tǒng)

上海神力科技有限公司發(fā)明了一種含穩(wěn)壓罐的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)[14]。如圖8所示，該系統(tǒng)中，氫氣從儲(chǔ)氫罐1出來(lái)后經(jīng)減壓并通過(guò)引射器4進(jìn)入穩(wěn)壓罐A5，穩(wěn)壓罐可使氫氣穩(wěn)壓，并對(duì)氫氣進(jìn)行水氣分離，之后氫氣進(jìn)入電堆6參與反應(yīng)。電堆的出口一端連接引射器的引射入口，另一端連接排氫電磁閥7，當(dāng)電堆中的氫氣過(guò)量較多時(shí)，引射器將過(guò)量氫氣吸回，輸送到電堆的氫氣入口重新參與反應(yīng)。當(dāng)電堆中的氫氣過(guò)量不多時(shí)，引射器難以產(chǎn)生引射效果，多余氫氣通過(guò)排氫電磁閥排出至穩(wěn)壓罐B8，使氫氣穩(wěn)壓去水，并通過(guò)氫氣循環(huán)泵9輸送至穩(wěn)壓罐A5進(jìn)行循環(huán)。該系統(tǒng)有助于提高引射性能并增大其工作范圍，但穩(wěn)壓罐會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜而成本增加。

圖7 壓力波動(dòng)循環(huán)理論工作波形圖

圖8 含有穩(wěn)壓罐的氫氣循環(huán)系統(tǒng)示意圖

2.7 含引射器的被動(dòng)式氫氣循環(huán)系統(tǒng)

2014年國(guó)立臺(tái)南大學(xué)的Jenn-Jiang Hwang針對(duì)被動(dòng)式氫氣循環(huán)系統(tǒng)提出了一種通過(guò)控制比例閥和電磁閥，對(duì)氫氣連續(xù)供應(yīng)(中高功率)和脈沖供應(yīng)(低功率)的方案[15]，該系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 被動(dòng)氫氣循環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)能夠排出陽(yáng)極中聚集水的最小氫氣流量，計(jì)算出電堆的功率，將此功率定義為臨界值。電堆功率高于臨界值時(shí)，電磁閥SV1關(guān)閉，使得氫氣通過(guò)比例閥PV進(jìn)入陽(yáng)極，并通過(guò)比例閥PV來(lái)控制氫氣流量增減，進(jìn)而控制陽(yáng)極入口壓力的增減，如圖10(a)所示。電堆功率低于臨界值時(shí)，比例閥PV關(guān)閉，電磁閥SV1開(kāi)啟，當(dāng)陽(yáng)極出入口的壓差大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，電磁閥SV1關(guān)閉，停止供應(yīng)氫氣；當(dāng)陽(yáng)極出入口的壓差小于預(yù)設(shè)值B(B

圖10 氫氣連續(xù)供應(yīng)和脈沖供應(yīng)

此外，該系統(tǒng)還提出了利用陽(yáng)極廢氣對(duì)空氣進(jìn)行加濕。陽(yáng)極廢氣通過(guò)排氫孔及排氫電磁閥進(jìn)入陰極入口前端對(duì)空氣進(jìn)行加濕。每當(dāng)電堆處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，排氫電磁閥保持開(kāi)啟，這樣可以有效防止停機(jī)后電堆中殘留氫氣緩慢反應(yīng)而帶來(lái)的真空。

2.8 閉端陽(yáng)極模式(無(wú)循環(huán))

密歇根大學(xué)的Jixin Chen等人采用閉端陽(yáng)極(Dead-Ended Anode，DEA)模式[16]。該模式由于外部組件的減少簡(jiǎn)化了HSS，使得系統(tǒng)成本降低。DEA可以減輕陰極碳腐蝕，但排氫使得系統(tǒng)整體效率降低，因此需要對(duì)排氫間隔和排氫持續(xù)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。DEA與流通陽(yáng)極(Flow-Through Anode，F(xiàn)TA)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖11所示。FTA依靠循環(huán)回路中對(duì)流傳質(zhì)，使得氫氣利用率較高，這需要引射器或鼓風(fēng)機(jī)、除水裝置等實(shí)現(xiàn)，這些輔助裝置增加了質(zhì)量、體積和成本。但由于DEA只能提供電堆需要的氫氣量，而出口必須定時(shí)打開(kāi)排出雜質(zhì)氣體，因此電堆的性能較差，氫氣利用率低，且?guī)?lái)堵水等不可避免的問(wèn)題，使得其難以滿(mǎn)足PEMFC系統(tǒng)的性能和壽命要求。

圖11 FTA與DEA系統(tǒng)復(fù)雜程度比較

3 總結(jié)與展望

本文通過(guò)文獻(xiàn)研究，分析了HSS的主要作用，指出了氫氣循環(huán)對(duì)于提高燃料電池性能與壽命的必要性，并總結(jié)了當(dāng)前的多種HSS方案。各方案的對(duì)比結(jié)果如表1所示。

閉端陽(yáng)極模式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但其必須定期排氫來(lái)排出雜質(zhì)氣體和富集水，使得氫氣利用率低，且系統(tǒng)整體效率降低，難以滿(mǎn)足PEMFC的性能和壽命要求。為保證PEMFC穩(wěn)定運(yùn)行，又能提高氫氣利用率，通常采用氫氣循環(huán)的方法，即陽(yáng)極排氣把電堆內(nèi)部生成的水帶出后，經(jīng)水氣分離裝置將液態(tài)水分離，再循環(huán)回到電堆陽(yáng)極重復(fù)使用，以提高氫氣利用率。

綜上所述，建立一種合理的氫氣循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)用于實(shí)踐中有重要意義。在未來(lái)高性能PEMFC系統(tǒng)中，HSS應(yīng)采用多級(jí)循環(huán)裝置(引射器或氫氣循環(huán)泵)并聯(lián)的循環(huán)模式。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化引射器的結(jié)構(gòu)，提高引射性能，擴(kuò)大引射器工作范圍；同時(shí)可以?xún)?yōu)化控制策略，如在氫氣流量低難以產(chǎn)生引射效果時(shí)，產(chǎn)生脈沖噴射，保證循環(huán)效果；此外，優(yōu)化多級(jí)循環(huán)裝置之間的匹配策略也對(duì)提高系統(tǒng)的循環(huán)效果有著重要作用。

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Development and prospect of hydrogen supply system in vehicle PEMFC

NAN Ze-qun1,XU Si-chuan1,ZHANG Dao-biao2,LIU Wen-xi1
(1.Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.SAIC MOTOR Corporation Limited Passenger Vehicle Co.,Ltd.,Shanghai 201804,China)

The pressure-regulating,water-discharging,gas-discharging and humidification of the hydrogen supply system(HSS)has a crucial effect on the performance and life of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC).Through comparing structure and performance of current HSSs,the advantages and disadvantages of different HSSs and the effect on PEMFC system performance were analyzed.The future research and development directions of the HSS in the high-performance PEMFC system were proposed.

PEMFC;HSS;hydrogen-recirculation;ejector

TM 911

A

1002-087 X(2016)08-1726-05

2016-01-22

南澤群(1992—)，男，山西省人，碩士生，主要研究方向?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)。