摘要：大功率氫燃料電池商用車是推動氫能應(yīng)用的聚焦點，而設(shè)計高效可靠的氫循環(huán)系統(tǒng)對其性能至關(guān)重要。本文中以200 kW大功率燃料電池系統(tǒng)為例，研究分析了4種氫循環(huán)系統(tǒng)方案，基于理論分析和CFD模擬結(jié)果，建立了氫循環(huán)裝置性能評價指標(biāo)，從不同方面分析總結(jié)了各氫循環(huán)方案的特點。結(jié)果表明，引射器和氫泵聯(lián)合使用可以顯著減小氫泵的功率消耗，相比于僅氫泵模式，在并聯(lián)模式下氫泵最大功率下降81. 4%，串聯(lián)模式下最大功率下降85. 3%。通過循環(huán)氫貢獻(xiàn)率和功耗的分析表明，引射器和氫泵的串聯(lián)模式更能充分利用引射器的性能。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車；氫循環(huán)系統(tǒng)；引射器；氫循環(huán)泵

前言

隨著我國碳中和目標(biāo)的提出，我國的能源領(lǐng)域正在面臨關(guān)鍵機遇與挑戰(zhàn)，發(fā)展清潔能源已經(jīng)成為新趨勢，其中氫能是公認(rèn)的清潔能源，加速發(fā)展氫能可以推動實現(xiàn)碳中和重要使命進(jìn)展。在氫能發(fā)展中，氫燃料電池汽車是推動氫能應(yīng)用的重要突破口，中國、日韓和歐美等已加大對氫燃料電池汽車的研發(fā)投入。根據(jù)使用對象的不同，汽車可以分為乘用車和商用車。乘用車的電堆功率一般比較小，比如以豐田 Mirai、本田 Clarity 和現(xiàn)代 NEXO 為代表的乘用車峰值功率在 100 ~ 120 kW 之間，而以豐田Alpha 和現(xiàn)代 Xcient為代表的氫能重型商用車功率在 200 kW 左右。由于燃料電池乘用車昂貴的價格成本和加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的限制，乘用車的推廣受到了較大阻礙。而大功率商用車運行在相對固定的路線，對加氫站分布的廣度及數(shù)量依賴性低，同時對于長距離行駛、高動力性能要求，商用燃料電池汽車更具優(yōu)勢。因此在燃料電池技術(shù)的初期發(fā)展階段，我國把研發(fā)目標(biāo)聚焦于大功率燃料電池商用車。

對于大功率燃料電池堆，系統(tǒng)中未消耗的氫氣需要再次循環(huán)利用以節(jié)約氫燃料提高續(xù)航里程，因此氫循環(huán)系統(tǒng)的性能對燃料電池的效率與壽命有著關(guān)鍵影響。目前燃料電池氫循環(huán)核心裝置主要采用機械氫循環(huán)泵或引射器。引射器具有無運動部件、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、體積和質(zhì)量小、成本低、無寄生功率等突出優(yōu)點，但是其很難適應(yīng)大功率燃料電池系統(tǒng)在寬功率范圍內(nèi)變化的要求，而氫氣循環(huán)泵可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以適應(yīng)不同的電堆功率范圍，但是其體積大、噪聲高且會產(chǎn)生較大寄生功率，同時由于循環(huán)氫氣要求絕對無油，而氫氣又極易泄漏，因此氫泵的設(shè)計難度大、制造成本高。

總之，對于大功率燃料電池系統(tǒng)，其特點是大流量和高壓升，這對氫循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計提出很大的挑戰(zhàn)。本研究針對200 kW大功率燃料電池系統(tǒng)，分析了 4種氫氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計方案，如圖 1所示，分別包括引射器、氫泵、引射器與氫泵并聯(lián)、引射器與氫泵串聯(lián)模式。研究基于理論分析和 CFD 模擬，建立了氫循環(huán)裝置的評價指標(biāo)，從不同方面分析總結(jié)了各氫循環(huán)方案的特點。

1  性能評估模型

1. 1 引射器

燃料電池系統(tǒng)中氫循環(huán)裝置用來循環(huán)利用電堆未消耗的氫氣，氫循環(huán)裝置的氫循環(huán)比HR定義為需要被循環(huán)的氫氣流量與供應(yīng)氫氣流量之比，其與電堆化學(xué)計量比SR之間的關(guān)系如式（1）所示。

HR = SR - 1（1）

對于引射器，被引射的氫氣流量與一次流流量之比即定義為氫引射比ERH2，如式（2）所示。所以在一定功率下，評判引射器性能的指標(biāo)是引射器的氫引射比要大于要求的氫循環(huán)比，即ERH2≥ HR。

ERH2= ms yH2mp（2）式中：mp 和ms分別為一次流和二次流流量，kg/s；yH2為二次流中氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由于引射器在燃料電池系統(tǒng)中工作在非常寬的功率范圍區(qū)間，隨著功率由高到低變化，其工況狀態(tài)由穩(wěn)定的臨界工況變化為不穩(wěn)定的亞臨界工況，最后變成失效的回流工況。常規(guī)的半經(jīng)驗熱力學(xué)模型很難準(zhǔn)確預(yù)測引射器在如此寬范圍工況下的工作性能，因此本文中使用CFD 流體動力學(xué)模型預(yù)測引射器性能，所使用的引射器的CFD 模型見表1.

1. 2 氫循環(huán)泵

目前用于燃料電池汽車中氫泵的類型主要有羅茨式和爪式氫泵，兩者都具有體積小、無油適應(yīng)性好和成本相對較低等優(yōu)勢。與引射器相比，氫泵可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速很好地滿足所需的氫循環(huán)比，氫泵的性能指標(biāo)主要由功率表示。爪式和羅茨泵均屬于容積式壓縮機，性能評價方法相同，本研究都用絕熱壓縮理論和絕熱效率評價氫泵性能。

1. 3 模型驗證

使用實驗數(shù)據(jù)對所建立的引射器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可靠性分析，其中實驗數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)。引射器的模型計算結(jié)果與實驗之間的對比如圖 2 所示，其中圖 2（a）和圖 2（b）分別表示引射器的流量和引射比的結(jié)果?？梢钥吹綌?shù)值計算得到的引射器的一次流和二次流流量與實驗值相比都偏小，這是由實驗用引射器的噴嘴加工精度偏差引起的誤差，而圖2（b）表示的引射比計算值與實驗值偏差則在±3%以內(nèi)，表明所使用的引射器模型是可靠的。

需要說明的是，氫泵的性能分析計算使用的是經(jīng)典的等熵絕熱理論，并通過等熵絕熱效率來修正計算的實際功耗，其大小與絕熱效率的選取相關(guān)，本文對絕熱效率的討論分析在2. 3小節(jié)給出。

2 結(jié)果與討論

2. 1 燃料電池氫循環(huán)系統(tǒng)

使用所建立的氫循環(huán)裝置性能評估模型對某一200 kW 氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行分析。氫循環(huán)裝置的工況條件根據(jù)燃料電池堆的工況條件確定，主要包括氫氣消耗量、壓力、溫度和流體組分，其中，該電堆的氫氣消耗量和化學(xué)計量比需求如圖 3 所示，電堆的進(jìn)出口壓力及壓力損失如圖 4 所示，其中壓力值為絕對壓力。

控制策略有關(guān)?；旌衔餁怏w包含未消耗的氫氣、從氧氣側(cè)滲入陽極的氮氣和飽和水蒸氣，另外還可能包含有產(chǎn)生的液態(tài)水滴，但經(jīng)過高效水分離器后液態(tài)水滴幾乎可以被完全分離。飽和水蒸氣的體積濃度與電堆溫度有關(guān)，車用燃料電池工作溫度在 60 ~ 80 ℃范圍內(nèi)變動，在本研究中溫度取70 ℃。氮氣的體積濃度與電堆質(zhì)子交換膜滲透性和吹掃周期有關(guān)，高性能電堆的氮氣濃度要求不高于 10%，本 研 究 循 環(huán) 氣 體 的 氮 氣 濃 度 選 擇 為10%。

2. 2 僅引射器模式

首先對適應(yīng) 200 kW 電堆的引射器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于引射器的幾何參數(shù)、流體物性和工作條件等多種參數(shù)都會影響引射性能，因此引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化非常復(fù)雜。在一些常用的引射器熱力學(xué)理論模型中，噴嘴喉部直徑（D）和混合室直 t徑（Dm）是最重要的幾何參數(shù)，對引射器性能具有決定性的影響。同時，Expósito Carrillo 等對引射器幾何參數(shù)的優(yōu)化分析研究也表明，只有Dt和Dm對引射性能有著顯著影響。由于本研究的主要內(nèi)容并不是針對引射器復(fù)雜的優(yōu)化設(shè)計方法，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計主要計算關(guān)鍵幾何參數(shù) Dt和 Dm，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)參考已有優(yōu)化設(shè)計研究。圖 5 表示了針對 200 kW 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計的引射器的主要幾何參數(shù)，其中喉部直徑根據(jù)噴嘴等熵流動方程，即式（6）確定，計算得到Dt= 1. 84 mm。

引射器的混合段直徑Dm對引射器性能有著顯著影響，因此為使 200 kW 電堆引射器有較好性能，研究了混合段直徑的影響。當(dāng)混合段直徑在6~9 mm之間變化時，引射器的氫循環(huán)比隨電堆功率的變化如圖 6 所示?？梢钥吹诫S著 Dm的增大，引射器在高功率下可以實現(xiàn)的氫循環(huán)比越大，但是在低功率下的氫循環(huán)比減小。這是因為在高功率下，引射器的一次流流量較大，一次流在混合腔中膨脹流動所占用的流通面積較大，使得二次流的流通面積相對減小，因此只有較大的混合段直徑使得二次流有足夠?qū)捲５牧魍娣e，從而能夠引射較大的二次流流量。比如Dm為9 mm的引射器在200 kW時的氫循環(huán)比達(dá)到0. 59，而Dm為6 mm的引射器氫循環(huán)比只有0. 23；但是當(dāng)功率降低至40 kW時，Dm為9 mm的引射器卻不能引射而失效。

通過引射器能夠產(chǎn)生的氫循環(huán)比與電堆所需的氫循環(huán)比（即目標(biāo)值）作比較可以發(fā)現(xiàn)，在200 kW下選擇Dm為8或9 mm時的引射性能滿足目標(biāo)值，而Dm為8 mm的引射器可以滿足的功率范圍是80~200 kW，略寬于 Dm為 9 mm 時的性能，所以最終選擇的混合段直徑為8 mm。

從圖6可以看到，無論引射器的Dm如何變化，依然很難滿足80 kW以下電堆的氫循環(huán)需求。一方面是因為引射器本身特性限制，低功率條件下一次流流量較小，較小的流速產(chǎn)生較小的剪切力作用，造成引射的二次流流量較??；另一方面則是因為電堆在低功率下對氫循環(huán)比的需求很高，所以引射器很難適應(yīng)電堆低功率工況

2. 3 僅氫循環(huán)泵模式

氫泵的經(jīng)濟(jì)性即氫泵功耗是重要性能評價標(biāo)準(zhǔn)，使用等熵絕熱公式和絕熱效率來計算氫泵功率，即式（3）~式（5）。該方法的準(zhǔn)確性依賴于絕熱效率的選取，針對氫氣循環(huán)泵的研究表明，氫泵的絕熱效率與氫泵的轉(zhuǎn)速、工質(zhì)組分和氫循環(huán)系統(tǒng)壓力損失相關(guān)，在0. 30 ~ 0. 60之間變化。

圖7表示氫泵功率隨電堆功率的變化及絕熱效率的影響。可以看到，在相同的絕熱效率下，氫泵功率隨著電堆功率的降低而下降，同時在高功率下的氫泵功率變化梯度較大，而低功率下的變化較小，這是因為低功率下電堆的化學(xué)計量比更大，這使得氫氣循環(huán)流量減小的幅度更小。

同時圖7清楚地表示了絕熱效率對氫泵功率的影響，可以看到在一定電堆功率下，隨著絕熱效率的增大，氫泵功率減小。比如在 200 kW 電堆功率下，氫泵的絕熱效率從0. 30提升到0. 60，使得氫泵功率可由1 530 W降低到760 W。因此，提高絕熱效率可以顯著減小氫泵功耗。

2. 4 引射器和氫泵串/并聯(lián)模式

上述分析表明，針對200 kW的大功率燃料電池系統(tǒng)，僅使用引射器很難覆蓋如此寬的功率范圍，而使用氫泵則會產(chǎn)生較大的寄生功率，另外氫泵體積較大，以及可能產(chǎn)生的噪聲問題突出。所以對于大功率燃料電池系統(tǒng)，聯(lián)合使用引射器和氫泵的氫循環(huán)方案可能較優(yōu)。

按照圖 1（c）表示的引射器和氫泵的并聯(lián)模式，當(dāng)電堆功率在80 ~ 200 kW之間時，僅使用引射器即可滿足循環(huán)需求；當(dāng)電堆功率在80 kW以下時，引射器不能夠引射足夠的循環(huán)氣體，所以開啟氫泵并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速泵送氣體以彌補引射器的不足。引射器和氫泵在并聯(lián)模式下的泵送壓力相同，兩者泵送不同份額的流量以使得總的循環(huán)流量滿足需求，即引射器和氫泵的并聯(lián)模式特征是“等壓升，分流量”。

圖8表示了引射器和氫泵并聯(lián)模式下循環(huán)流量隨電堆功率的變化，兩者流量之和是總的循環(huán)流量。在 80 ~ 200 kW 下，只使用引射器泵送流量，即引射器泵送流量等于總循環(huán)流量；在80 kW以下，引射器泵送流量低于總循環(huán)流量，氫泵開始工作彌補流量；當(dāng)?shù)陀?nbsp;30 kW 時，引射器失效，全部流量經(jīng)過氫泵泵送。

引射器和氫泵還可以按照串聯(lián)方式聯(lián)合使用，如圖 1（d）所示。按照引射器的工作特性，在相同一次流流量下，減小壓升可以提升引射流量，所以串聯(lián)使用氫泵來減小引射器壓升。氫泵和引射器依次泵送相同流量的循環(huán)氣體，使之分擔(dān)不同份額的壓升，最終使得二者的總壓升等于氫循環(huán)系統(tǒng)的壓力損失。因此，與并聯(lián)模式相反的是，串聯(lián)模式的特征是“等流量，分壓升”。

圖9表示了引射器和氫泵串聯(lián)模式下壓升隨電堆功率的變化，在 80 ~ 200 kW 下，只使用引射器泵送循環(huán)氣體，即引射器的壓升等于系統(tǒng)阻力損失。與并聯(lián)模式相同，當(dāng)電堆功率降低至 80 kW 以下使得引射器不能引射足夠的循環(huán)氣體，開啟氫泵來減小引射器的工作壓升，使二者壓升之和滿足系統(tǒng)壓力損失。

2. 5 氫循環(huán)方案性能對比

并聯(lián)模式的特點是引射器和氫泵的工作壓力相同，氫泵的使用為引射器承擔(dān)部分不能引射的流量；串聯(lián)模式的特點是二者的工作流量相同，氫泵的作用是為引射器承擔(dān)部分壓力，減小引射器所承擔(dān)的壓升，從而提高引射流量。所以引射器和氫泵的作用都是為了對一定流量的循環(huán)氣體進(jìn)行增壓，流量和壓升是影響氫循環(huán)裝置的兩個關(guān)鍵因素。為比較氫循環(huán)裝置在聯(lián)合模式下對氫氣循環(huán)的貢獻(xiàn)性大小，定義無量綱參數(shù) Ch 表征氫循環(huán)裝置的貢獻(xiàn)率，表達(dá)式如式（7）所示。Ch = ?mi·?pimhph（7）式中：Ch 為引射器或氫泵的循環(huán)氫貢獻(xiàn)率；mh 和 ph分別為燃料電池堆需求的循環(huán)流量和壓力損失，即通過氫循環(huán)裝置的總流量和壓升；?mi和 ?pi分別為氫泵或引射器的流量和壓升。

引射器和氫泵在串/并聯(lián)模式下的循環(huán)氫貢獻(xiàn)率如圖10所示。可以看到在串聯(lián)模式下，當(dāng)電堆功率在 80 kW 以上，引射器的循環(huán)氫貢獻(xiàn)率占 100%，隨著功率降低，引射器性能下降，其循環(huán)貢獻(xiàn)率隨之降低，而氫泵的貢獻(xiàn)率逐漸增大。串并聯(lián)模式的差別主要在低電堆功率下對循環(huán)需求的貢獻(xiàn)份額，為了盡可能利用引射器性能，應(yīng)該使引射器在低電堆功率下維持較高的循環(huán)氫貢獻(xiàn)率?？梢钥吹皆?0 kW 以下，引射器在串聯(lián)模式下的貢獻(xiàn)率比并聯(lián)模式下的占比更大，所以在串聯(lián)模式更能充分利用引射器的性能。

在氫循環(huán)系統(tǒng)中使用氫泵會帶來寄生功率，減小系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此要盡可能減小氫泵的功耗。圖11比較了僅使用氫泵、串并聯(lián)模式之間功耗的差別，其中氫泵的絕熱效率按照 0. 45 計算。結(jié)果表明，僅使用氫泵時的最大功耗是 1 020 W，而并聯(lián)模式下的最大功耗是 190 W，同比降低 81. 4%；串聯(lián)模式下的最大功耗是 150 W，同比降低 85. 3%。顯然，聯(lián)合引射器的使用可以大大降低氫泵功耗。氫泵功率的降低不僅僅可以提升整個系統(tǒng)的效率，更重要的是有利于氫泵的設(shè)計與選型，因為小功率小流量氫泵的技術(shù)難度相對較低、成本較低、可靠性更高。

從圖 11 中也可以看到引射器和氫泵在串聯(lián)模式下的平均功耗低于并聯(lián)模式，所以在串聯(lián)模式下更大可能發(fā)揮引射器的性能，這與圖10根據(jù)循環(huán)氫貢獻(xiàn)率分析得到的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

本文中以 200 kW 大功率燃料電池汽車氫循環(huán)系統(tǒng)為例，研究并對比分析了 4 種不同的氫循環(huán)方案的性能特點。結(jié)果表明，僅使用引射器很難適應(yīng)大功率燃料電池汽車寬功率范圍運行，通過優(yōu)化設(shè)計能滿足氫循環(huán)需求的功率范圍為80 ~ 200 kW，而當(dāng)?shù)陀?0 kW時，引射器性能快速下降，無法滿足氫循環(huán)需求。

引射器和氫泵并聯(lián)模式特征為“等壓升，分流量”，串聯(lián)模式特征是“等流量，分壓升”。引射器聯(lián)合使用氫泵可以減小氫泵的功率消耗，相比于僅氫泵運行模式，在并聯(lián)模式下氫泵最大功率下降81. 4%，串聯(lián)模式下氫泵最大功率下降 85. 3%。通過聯(lián)合使用引射器和氫泵，可以提高系統(tǒng)效率，使得氫泵的設(shè)計難度降低、成本降低。

根據(jù)循環(huán)氫貢獻(xiàn)率和功耗的分析表明，引射器和氫泵的串聯(lián)模式更能充分利用引射器的性能，因此從經(jīng)濟(jì)性角度，建議使用串聯(lián)模式用于大功率燃料電池汽車的氫循環(huán)系統(tǒng)。本研究為大功率燃料電池汽車氫循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計提供了有價值的參考。

聲明：文章來源于汽車工程，作者為韓濟(jì)泉 孔祥程 馮健美 彭學(xué)院  西安交通大學(xué)能源與動力學(xué)院。