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獨家解析本田Clarity燃料電池汽車雙噴射器氫氣供給系統(tǒng)

2019-09-14 19:48:52·  來源：燃料電池干貨  
　
導讀：車用燃料電池系統(tǒng)一般由空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電堆組成。其中，廣義上的車用氫氣供給系統(tǒng)由氫氣加注口(hydrogen filling po
導讀：車用燃料電池系統(tǒng)一般由空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電堆組成。其中，廣義上的車用氫氣供給系統(tǒng)由氫氣加注口(hydrogen filling port)、氫瓶、氫氣管路、氫氣噴射器、引射器、氫出閥、氫進閥和氫循環(huán)泵等組成，如下圖紅色部分所示。狹義上，車用燃料電池系統(tǒng)的氫氣供給系統(tǒng)則主要由氫氣循環(huán)泵(recirculation pump)、氫氣噴射器(injector)、引射器(ejector)、氫進閥、氫出閥等組成或部分組成(不作特殊聲明，本文指狹義定義)。

本田Clarity燃料電池汽車動力系統(tǒng)原理圖

車用燃料電池系統(tǒng)的氫氣供給系統(tǒng)功能為將車載供氫系統(tǒng)提供的氫氣通過噴射器、引射器和氫氣循環(huán)泵等調節(jié)后以一定壓力、流量和濕度進入電堆參與電化學反應。氫氣供給系統(tǒng)不僅需要精確提供電堆反應所需特定條件下的氫氣，往往還起著提高燃料利用率、改善電堆水管理、增強自增濕性能(取消加濕器)等作用(如豐田Mirai燃料電池汽車實現(xiàn)自增濕性能原因之一為通過氫氣循環(huán)泵來增加氫氣循環(huán)使用量)。

本田Clarity燃料電池汽車車載供氫系統(tǒng)原理圖

本田Clarity燃料電池系統(tǒng)原理圖

為了提高燃料利用率、確保氫安全(氫氣溢出在外界環(huán)境中引起不安全因素)、改善水管理和提高電堆輸出性能，通常對燃料電池堆陽極氫氣進行閉端操作。閉端操作有DEA(Dead End Anode)和FTA(Flow Through Anode)兩種模式。DEA模式中，通常在電堆陽極出口安裝常閉電磁閥。由于陽極出口處于常閉狀態(tài)，陽極出口氫氣量排出較少，陽極壓力較高，氫氣利用率高。注意該種模式易引起陽極“水淹”(堵塞氣體通道，影響反應氣傳質，性能下降)。FTA模式的總體思路是將沒有參與電化學反應的多余氫氣再次回送到電堆陽極入口重復使用，同時加濕電堆入口氣體，改善氣體分布。需要注意，循環(huán)過程中，陽極氣體中的雜質、陰極空氣中的氮氣和水分會在陽極端累積，長時間運行易造成陽極反應氣分壓降低，性能下降，嚴重甚至引起反極現(xiàn)象。因此，氫氣供給系統(tǒng)的設計至關重要。

DEA和FTA對比(該圖僅為示例，與Clarity無關)
 
 
本田汽車公司在最新一代Clarity燃料電池汽車中采用了雙噴射器氫氣供給系統(tǒng)(Hydrogen Supply System with Two Gas Injectors)，該氫氣供給系統(tǒng)與2009款燃料電池汽車中采用的由引射器(Ejector)-減壓閥(Relief valve)-調節(jié)閥(Regulator)組成的氫氣供給系統(tǒng)結構相比，體積降低了40%。

 
本田兩代氫氣供給系統(tǒng)體積對比

本田汽車公司在最新一代燃料電池汽車Clarity和上一代燃料電池汽車的氫氣供給系統(tǒng)中均采用了引射器零件。需要注意，在2009款燃料電池汽車上采用了可變噴嘴引射器(Variable nozzle ejector)，而在Clarity燃料電池汽車上取消了隱射器的可變噴嘴功能，轉而采用固定噴嘴隱射器。下圖為Clarity燃料電池系統(tǒng)的原理圖(僅展示氫空系統(tǒng))。氫瓶中的壓縮氫氣壓力最高可到70Mpa左右，解壓至30psi后給燃料電池堆提供陽極的反應氣。

本田Clarity燃料電池系統(tǒng)獨家原理圖(僅展示氫空系統(tǒng))

本田2009款燃料電池汽車上，電堆入口側氫氣的壓力和流量通過隱射器、調節(jié)器安全閥(regulator relief valve)實現(xiàn)。Clarity燃料電池汽車轉而使用兩個噴射器來精確控制壓力和流量，實現(xiàn)氫氣供給系統(tǒng)體積減少40%。

本田2009款FCX氫氣供給系統(tǒng)示意圖

本田Clarity氫氣供給系統(tǒng)示意圖

如下圖所示，本田上一代燃料電池汽車氫氣供給系統(tǒng)包括泄壓閥(decompression valve)、減壓閥(調節(jié)泄壓閥壓力用)、兩級可變噴嘴(控制氫氣再循環(huán)用)、電磁閥(可變控制用)。

本田2009款燃料電池汽車氫氣供給系統(tǒng)三維示意

Clarity燃料電池汽車氫氣供給系統(tǒng)的泄壓、壓力調整和氫氣再循環(huán)都是通過噴射器來實現(xiàn)。氫氣供給系統(tǒng)沒有調節(jié)閥、減壓閥和可變噴嘴。

本田Clarity燃料電池汽車氫氣供給系統(tǒng)三維示意
 
 
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