燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)
2023-10-18 10:10:35
氫氣供給系統(tǒng)影響車輛的安全性與壽命
氫氣循環(huán)系統(tǒng)是燃料電池發(fā)動機(jī)供氫系統(tǒng)核心部件之一，其作用是將電堆陽極出口的高濕氣體循環(huán)輸送至電堆入口，與此同時, 該循環(huán)過程能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的陽極入口氣體加濕作用，使得氫氣入口省去了額外的加濕系統(tǒng)，精簡了燃料電池系統(tǒng)。目前主流的氫氣循環(huán)泵類型分別羅茨式、爪式、渦旋式及葉片式四種，其中葉片式在國內(nèi)市場較為少見。
優(yōu)質(zhì)供氫系統(tǒng)必須具備儲氫量大、穩(wěn)定性好、安全性高等特點(diǎn)，才能保證燃料電池車的高續(xù)航里程及耐久性。車載供氫系統(tǒng)包括壓力流量調(diào)整元件、氫氣泄漏傳感器、供氫管路、控制系統(tǒng)、氫氣再循環(huán)系統(tǒng)等（通常不包括儲氫瓶）。供氫系統(tǒng)的工作過程可以分為加氫、儲氫和輸氫三個過程：加氫站的加氫系統(tǒng)通過單向閥向車載儲氫瓶注入氫氣；儲氫瓶儲存高純度（99.999%）、高壓力（35或70MPa）的氫氣；燃料電池需要?dú)錃鈺r，經(jīng)過減壓/穩(wěn)壓閥后，壓力降為所需要求，再通過電動調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器、流量計(jì)和加濕器進(jìn)入電堆進(jìn)行反應(yīng)，少量多余的氫氣進(jìn)入氫氣再循環(huán)系統(tǒng)，或經(jīng)過處理后排入大氣。
1) 供氫的穩(wěn)定性好有助于燃料電池耐久性：儲氫氣瓶氫氣的出口壓力為35/70MPa，燃料電池車的電池反應(yīng)堆要求氫氣壓力為遠(yuǎn)小于出口壓力，而壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)易造成質(zhì)子交換膜的永久損壞，因此氫氣壓力調(diào)整裝置要保證壓力穩(wěn)定性；
2) 安全性高是必備條件：氫氣是一種易燃易爆的氣體，為防止氫氣出現(xiàn)泄露、超壓、超溫和過流等情況，保證系統(tǒng)正常工作，需要對系統(tǒng)的壓力、溫度和氫氣流量進(jìn)行檢測，采用起安全作用的元件或措施。
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氫氣再循環(huán)裝置可提高氫氣利用率，同時解決電堆水管理問題，影響燃料電池發(fā)動機(jī)的耐久性。為了保證燃料電池的正常運(yùn)行，通常采用氫氣循環(huán)的方法，把電池內(nèi)部生成的水帶出電池后經(jīng)過水氣分離裝置，將液態(tài)水分出后，再將氫氣循環(huán)回到電池重復(fù)使用。一方面可以實(shí)現(xiàn)把反應(yīng)氣尾氣的水分帶入電池起到增濕作用；另一方面可以提高氫氣在燃料電池陽極流道內(nèi)流速，防止陽極水的累積，避免陽極水淹，此外還能提高氫氣利用率。
氫氣循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)有多種形式，目前比較常見的是氫氣循環(huán)泵和回氫引射裝置。有的燃料電池單獨(dú)使用這兩種裝置中的一種，有的同時使用兩種裝置：
1.氫氣循環(huán)泵：采用電機(jī)變頻控制電機(jī)，使回流能力根據(jù)不同功率進(jìn)行響應(yīng)，可以有效改善氫循環(huán)、靈活性高，但是需消耗額外的電以維持其運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.引射器：不需要消耗額外的電力，且結(jié)構(gòu)簡單因此運(yùn)行可靠、壽命較長，但是回流能力是固定的，因此只能在一定的輸出功率范圍內(nèi)有效。
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以引射器為例，一臺引射器的價(jià)格在2005年時約為300美元，但是大規(guī)模生產(chǎn)后，成本會有大幅度下降，有望達(dá)到20美元/臺。國外已有投入使用的氫循環(huán)裝置，國內(nèi)目前仍處于開發(fā)階段，尚無成熟產(chǎn)品。
1) 美國Park公司開發(fā)出了氫氣循環(huán)泵，可用于不同的燃料電池汽車；
2) 美國H2Systems公司開發(fā)并提供氫氣循環(huán)泵的系列產(chǎn)品（Hyrdogen Recirculation Blower Series ）；
3) 美國的Argoone國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了氫氣引射裝置（Ejector）及氫氣泵混合循環(huán)系統(tǒng)；
4) 各大汽車公司也開發(fā)了相應(yīng)的氫氣循環(huán)裝置，并用于燃料電池發(fā)動機(jī)，例如氫氣回流泵在豐田汽車公司Mirai燃料電池車上得到了實(shí)施。
5) 國內(nèi)正處于研發(fā)階段，有一些發(fā)明專利，還并沒有成熟產(chǎn)品。
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