技术专题|提高氢效率KPI，如何在燃料电池系统上做文章？

目前阳极回流主流技术路线为在阳极出口使用氢气回流泵，或者使用氢气回流泵与引射器及其相结合的方式。

回流泵工作原理：

回流泵类型主要分为罗茨泵、旋涡泵、爪泵等，爪泵通过吸入阳极出口氢气，两个相互作用的爪片形成一个容积变化的空间，当爪片旋转时，在泵体内形成密闭空间，当容积变小时，气体压缩，容积变大时，气体排除泵体，增压后的氢气进入阳极入口。

引射器的工作原理：

引射器为文丘里管结构，通过在减缩式喷嘴处，在吸入区形成低压区，以此来卷吸 PEMFC 阳极出口未消耗完的潮湿的氢气， 经混合室充分混合和扩散室减速增压后输送到燃料电池阳极入口。

回流泵加引射器工作原理：

根据各自工作原理及工作特点，结合燃料电池具体使用工况，在低电密运行使用引射器，中高电密运行使用回流泵加引射器。

单独使用氢气回流泵

优势：控制相对容易，系统结构相对简单；

弊端：一方面，在低载工况下，与引射器相比，二者电堆性能差别不大，另一方面，全工况下，增加寄生功率。

使用单引射器

优势：系统成本较低，单引射器外形尺寸较小，系统布局相对容易；

弊端：引射范围较小，无法兼顾全工况条件使用。

引射器与氢回流泵相结合方式，该方式分为并联和串联。并联的工作原理为：

优势：在低载工况下使用引射器，高载工况下使用氢回流泵和引射器，满足全工况使用；

弊端：一方面增加寄生功率，降低系统效率，另一方面增加系统成本及结构复杂性。

引射器与氢回流泵相结合方式，串联的工作原理为：

优势：增加引射量范围，满足更大运行工况；

弊端：一方面增加寄生功率，降低系统效率，另一方面增加系统复杂性，实际运行中，并未达到预计效果。

在阳极供氢回路中，通过增加测试采集点，并搭载电堆进行实际测试，测试流程图如下图，根据电堆各个工况需求，调节两个引射器引射量、回流泵转数及其他零部件参数，使系统性能达到最优，同时对上述技术路线进行对比分析，双引射技术性能优于引射器与回流泵结合方式及回流泵方式,优于单引射方式（注：由于单引射引射范围小，单引射不适用。）。

新源动力HYSYS系统采用双引射器技术路线，满足全工况条件使用，其优势：

1、全工况降低氢回流寄生功率。回流泵为电器元件，需要从电堆产生电能为其供电，进而产生寄生功率，随着负载功率增大，寄生功率也随之增大，去掉回流泵可降低寄生功率，提高系统输出功率，与其他两种方式相比，双引射在高电密工况时可降低功耗，燃料电池性能更优异，如下图所示。

2、系统集成度高。与回流泵及回流泵加引射器方案相比，双引射器结构更加紧凑，外围最大尺寸220×97×97mm，便于系统集成；

3、精准控制。在不同工况条件下，氢气的回流量是不同的，可根据当前电堆需求，实时提供所需回流量，低载运行时，主阀工作，高载运行时，辅阀加以辅助，以提升电堆性能，在全工况下，单体平均电压基本相同，在高电密下，双引射器单体偏差更小，性能更优；

4、研发及维护成本较低。目前氢回流泵单台造价近万元，且回流泵需匹配控制器使用，部分厂商将控制器集成在DCDC内部，增加研发成本，若使用回流泵加引射器方案，系统成本将更高。同时，考虑泵头及电机寿命，将增加后续维护成本；

5、噪音更小。与回流泵相比，引射器为文丘里管结构，在工作中几乎不会产生噪音，而回流泵为旋涡泵，运行时机械件摩擦产生的噪音较大。