摘要：氢气供给系统是燃料电池发动机的核心子系统之一，起着调节燃料电池堆入口氢气流量和压力，实现氢气循环利用、促进燃料电池堆内部水平衡管理的作用。氢气供给系统的方案设计是否合理直接决定着燃料电池发动机的性能和寿命。针对行业内多种氢气供给技术路线并存的现状，通过对燃料电池阳极氢气供给系统的不同方案进行对比，总结了不同氢气供给方案的优缺点，并分析了未来的发展趋势。
引言
氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能直接转化为电能的发电装置，其具有启动速度快、零污染、比功率高、电效率高、噪声低、可实现低温冷启动等优点。氢气供给系统是燃料电池发动机的核心子系统之一，起着为燃料电池发动机提供稳定流量和压力的氢气，实现燃料电池堆内部水平衡管理的作用。燃料电池系统在实际运行过程中，阳极侧的氢气一直处于过量状态，同时阴极侧产生的水也会一直向阳极渗透。因此，燃料电池阳极侧过量氢气的循环和水的管理对燃料电池的性能起着至关重要的作用。一方面，氢气直排造成氢气浪费且存在安全隐患，而氢气反复循环又会造成杂质累积降低氢气纯度。另一方面，阳极含水量过高和过低都会影响燃料电池的性能和寿命，含水量过低会导致质子交换膜过干，影响质子的传输，而阳极水分过多，会影响氢气在阳极的扩散，造成水淹，引起局部氢饥饿。因此，有必要通过对燃料电池供氢系统进行研究与优化，增加燃料电池的氢气利用率，优化燃料电池阳极的水管理，提高燃料电池发动机的性能和寿命。
1 非循环式氢气供给模式分析
1.1 直排流通模式
直排流通模式指的是燃料电池发动机在运行过程中将未反应的氢气直接排放到外界环境中。此种方法结构简单，成本较低不需要氢气循环装置。受传质阻力和反应效率限制，燃料电池阳极侧通入的氢气不能完全参与电化学反应，将电堆内未反应的氢气直接排放到环境中，不仅会造成一定的氢安全隐患，而且还会降低燃料电池发动机的氢气利用率和发电效率。另一方面，电堆中未反应的氢气中含有大量的水分，因此在没有阳极加湿系统存在的情况下，直接排放会引起质子交换膜出现膜干现象，进而导致燃料电池水分失衡，降低燃料电池的性能和寿命。
1.2 死端模式
CHEN等提出了燃料电池供氢系统死端模式，即将燃料电池供氢系统的出口进行封堵，使供氢系统形成封闭的系统。由于对供氢系统出口进行封堵，氢气会在电堆内部停留更长的时间，降低了氢气的浪费，提高了氢气的利用率，但是燃料电池在正常工作过程中，阴极侧氮气和惰性气体在压差或浓度梯度作用下，反扩散至阳极聚集，随着氢气循环时间的加长，杂质在阳极侧累积程度也会增加，降低了氢气纯度。与此同时，阴极侧反扩散至阳极侧的水也极易导致阳极侧发生水淹，造成氢气饥饿。这些都会降低燃料电池的发电性能，因此死端供氢模式难以满足燃料电池发动机耐久性及可靠性的使用要求。
2 带氢气循环供给模式分析
2.1 压力变化回氢模式
压力变化回氢模式如图1所示。日本宇宙航天研究开发机构的南泽群等提出一种新的氢气供给模式，其主要由两个单向阀、水汽分离器和流量控制器等组成。该方案利用燃料电池堆进出口的压力变化实现氢气循环。通过控制氢气供应量来改变燃料电池堆进出口压力差，并利用单向阀实现氢气的自发循环。压力变化回氢模式，具有系统结构简单、控制策略简单、容易实现的优点。但压力回氢模式响应速度较慢，压力波动较大，对质子交换膜的耐压性能要求较高，容易造成质子交换膜机械疲劳，且压力变化回氢模式会导致电堆性能一致性较差，很难满足商业化应用。
2.2 单氢气循环泵回氢模式
单氢气循环泵回氢模式如图2所示。单氢气循环泵回氢模式在燃料电池供氢回氢系统设计中属于传统设计方案，其特点是响应速度快，工作区间范围广，且可以根据燃料电池工作状况进行主动调节。单氢气循环泵模式的典型应用代表为丰田汽车公司，其在Mirai燃料电池乘用车上应用的为两叶罗茨式氢气循环泵技术也已经开发到第三代。但是氢气循环泵也面临着成本高、体积大、质量大、额外的能量消耗、振动以及噪声等问题，这些都制约着氢气循环泵在燃料电池发动机上的集成与应用。
2.3 单引射器回氢模式
单引射器回氢模式如图3所示。利用高压高速氢气对燃料电池出口的氢气进行抽吸，实现氢气的循环，相比于氢气循环泵，引射器具有结构简单、运行可靠、噪声低、无额外功耗等特点。现代汽车公司在其Nexo燃料电池乘用车中采用的就是单引射器模式，且基于单引射器的模式，现代公司开发了阳极氢气浓度估算器和吹扫控制器来精确估算燃料电池阳极侧的氢气浓度。但是引射器在应用过程中存在工作区间窄，低功率工作区引射效果不佳，且工作稳定性差的问题。随着技术的进步和发展，出现了可变喷嘴引射器，其通过改变引射器喉口截面积实现可变氢气循环量，最终实现在不同工况下大、小流量氢气再循环。可变喷嘴引射器的典型应用代表是本田汽车公司，其在上一代燃料电池汽车FCX Clarity中采用了可变喷嘴引射器回氢的方案。可变喷嘴引射器虽然解决了普通引射器工作区间较窄的问题，但是可变喷嘴的结构也使其本身结构也更加复杂，体积和质量也更大。
2.4 双引射器并联回氢模式
图4为双引射器并联回氢模式。美国DTI公司提出一种双引射器并联回氢设计方案，该回氢系统主要由氢气分流阀和两个不同流量的引射器组成，根据电堆工作的不同功率，分别通过高、低流量引射器进行氢气循环，当电堆工作在高功率区间，采用高流量引射器进行氢气循环，当电堆工作在高功率区间，通过低流量引射器进行氢气循环。相对于单引射器回氢模式，双引射器并联回氢的模式，工作区间较大，能够满足电堆在不同功率下的使用需求。但是双引射器并联回氢模式，含有两个引射器，增加了系统体积、质量和成本，使系统结构和控制策略更加复杂。
2.5 氢气循环泵与引射器并联回氢模式
氢气循环泵与引射器并联回氢模式如图5所示。ARGONNE实验室的燃料电池系统阳极供氢方案采用了氢气循环泵和引射器并联的回氢模式。在低功率小流量阶段采用氢气循环泵进行氢气主动循环，在大功率大流量阶段采用引射器进行氢气被动循环。这种氢气循环方案避免了氢气循环泵在电堆大功率区间运行时的能量浪费，也解决了引射器的在电堆小功率区间引射效果不佳的问题，但是氢气循环泵与引射器并联的方案增加了系统复杂程度和成本,提高了系统控制难度。
2.6 引射器加旁路喷射回氢模式
引射器加旁路喷射回氢模式如图6所示。鉴于引射器的应用过程中存在着工作区间较窄及杂质及水分吹扫困难的问题，因此开发出一种在传统引射器的基础上添加旁路喷射器的方案。在燃料电池的工作过程中，水分、氮气及惰性气体会通过质子交换膜反渗到阳极侧，因此需要对燃料电池阳极侧进行定期吹扫，以保证燃料电池阳极侧充足的氢气供应和较高氢气浓度，旁路喷射器的作用就是在燃料电池运行过程中为阳极侧提供大量的氢气进行吹扫。引射器加旁路喷射回氢模式虽然解决了引射器吹扫的问题，但是仍未解决引射器在小功率小流量阶段引射效果不佳的问题。
3 氢气循环供氢模式对比
文中通过对国内外主要的供氢系统方案进行对比分析见表1，发现不同的供氢回氢方案都具有其特有的技术特点和优势，因此在燃料电池系统设计过程中，供氢回氢的方案选择需要考虑燃料电池系统功率大小、系统集成、成本及应用条件的综合影响。
4 结论与展望
燃料电池作为当前热门的研究方向，其具有高能源利用率并且造成较低的环境污染。燃料电池供氢系统作为燃料电池系统的重要组成部分起着为燃料电池提供稳定流量和压力的氢气的作用。
死端模式下，虽然结构简单、成本较低，但是会造成燃料电池阳极侧水分和杂质的聚集，导致燃料电池性能的不稳定，难以进行商业化应用。直排流通模式下，虽然能够保证燃料电池系统阳极侧较高的氢气浓度，但是在氢气直排的过程中，会带走大量水分造成质子交换膜的干燥，降低燃料电池的性能，而且氢气直排不仅会造成氢气浪费降低氢气利用率，还会有一定的安全隐患，难以进行燃料电池系统商业化装车应用。
燃料电池回氢系统是未来的主流发展方向，通过氢气的循环利用不仅能提高利用率和燃料经济性，而且能使阳极侧的水分分布得更加均匀，有利于优化阳极侧的水管理。目前行业内应用比较广泛的是氢气循环泵模式和引射器模式，这两种技术方案都拥有各自的特点和应用瓶颈，需要集成商和主机厂根据设计需求进行选择应用。
作者：马明辉,郝冬,郭帅帅，刘子伟
中汽研汽车检验中心(天津)有限公司
原文始发于微信公众号（汽车燃料电池之家）：燃料电池发动机氢气供给系统技术分析
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