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引射器or循环泵？一文看懂燃料电池系统氢循环方案

势银能链 · 公众号 · · 2020-09-30 11:47

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来源：捷氢科技

一般来说，发动机是汽车的“心脏”，燃料是汽车的“血液”。只有“血液”保持纯净并有效循环，才能保证汽车的高效运作和长使用寿命。

作为现在流行、未来可期的新能源动力系统，氢燃料电池以高效、环保著称。那氢燃料电池为何如此高效？关键在于高效的“血液”循环系统。

氢燃料电池“血液”循环的作用和意义

为了提高燃料电池的反应效率，减少燃料电池在加速工况的反应时间，燃料电池运行时氢燃料的供应量必须大于反应消耗量。如果没有阳极循环，则会导致氢气的浪费，降低氢气利用率。

以一种典型的燃料电池系统运行工况为例，在一个循环测试工况下，电堆阳极侧理论消耗的氢气量为2.35kg，而氢瓶实际消耗的氢气量高达3.87kg。其中有近40%的氢气没有被利用，因此，非常有必要采用阳极循环来提高氢气利用率。

图1 典型燃料电池系统运行工况的燃料消耗量

另外，阳极循环可以将电化学反应生成水(包括水蒸气)供应到电堆阳极入口，改善电堆湿润水平和提高水管理能力，特别是采用自增湿(阳极循环增湿)的燃料电池系统，高效的阳极循环尤为重要。

同时，阳极循环还能提升燃料电池系统的氢安全性能。

图2 典型阳极循环示意图

氢燃料电池“血液”循环方案

目前燃料电池系统主要的阳极循环方案有：单级氢循环泵、单级引射器、双级引射器并联、引射器与氢循环泵串联、引射器与氢循环泵并联等。当前国内外各大燃料电池系统制造商采用的阳极循环方案也不尽相同。

01单级氢循环泵方案

丰田燃料电池阳极循环一直采用的是单级氢循环泵方案。

从2002年的第一代涡旋式氢循环泵，到2008年面向FCHV-adv的第二代罗茨式氢循环泵，到2014年面向MIRAI一代的第三代罗茨式氢循环泵，再到2020年面向MIRAI二代的第四代罗茨式氢循环泵，丰田氢循环泵技术不断升级，在体积、重量、NVH以及效率方面均得到了大幅提高。

图3 丰田MIRAI单级氢循环泵方案与氢气泄漏量计算

上海捷氢科技目前量产的大功率燃料电池系统PROME P390的阳极循环同样采用单级氢循环泵方案。其氢循环泵为捷氢科技与国内先进氢循环泵供应商联合开发的2叶罗茨式，目前已经搭载系统完成耐久测试，运行状态良好。

氢循环泵的主要优势在于主动可调节、快速响应和较宽的工作区间，但是其降噪、密封、低温破冰、需要消耗电能以及成本等问题，让许多燃料电池系统制造商选择采用引射器的技术路线。

引射器是一种基于文丘里效应，利用高速喷射的工作流体造成的压差，将引射流体吸入再排出的纯机械部件，相比氢循环泵，引射器结构简单、噪声低、可靠性高并且无寄生功率。

图4 引射器结构和工作原理

02 单级引射器方案

单级引射器方案的典型代表是现代NEXO燃料电池系统。

虽然单级引射器在低功率时几乎无引射效果，但是NEXO燃料电池系统采用的是阴极外增湿方案，其对阳极循环增湿需求较低，阳极循环流量较小。

同时，现代汽车基于单级引射器方案开发了阳极氢浓度估算器和吹扫控制器，来精确控制NEXO燃料电池系统阳极子系统中的氢气浓度。

图5 现代NEXO燃料电池辅助系统示意图

最新一代的本田Clarity燃料电池阳极循环方案也采用单级引射器，区别在于其采用的是喷射器旁通引射器方案，即双喷射器并联来精确控制压力和流量。与上一代的双级可变喷嘴引射器方案相比，现方案在成本、可靠性、体积、重量等方面明显提升。

图6 本田2009款FCX阳极循环架构图

图7 本田Clarity燃料电池阳极循环架构图

燃料电池系统的增湿方式，直接决定了阳极循环量的需求及阳极循环技术路线的选择。

如上述所介绍的现代NEXO和本田Clarity燃料电池系统，其均采用阴极外增湿方式，因此其阳极循环可采用单级引射器方案。然而当燃料电池系统采用阳极自增湿方案时，单引射器不能完全覆盖所有工况点，此时可采用引射器+氢循环泵串/并联方案，或者采用多级引射器方案。

03 单级引射器+氢循环泵串联方案

典型的引射器+氢循环泵串联方案有国内某公司开发的阳极循环模块，模块包括氢喷射器、引射器、氢循环泵、分水器、排氢/排水阀等，其通过氢循环泵串联来提高引射器的循环路入口压力，增加引射量，从而满足大功率电堆的循环流量和升压要求。

其优点在于体积小、集成度高，但其缺点在于全工况运行范围内，氢循环泵都需要运转、耗能，同时系统布置不太灵活。

图8 燃料电池阳极循环串联方案示意图

04 单级引射器+氢循环泵并联方案

目前引射器+氢循环泵并联方案也是超大功率燃料电池系统的主流方向。

其中，单级引射器可覆盖50%以上工况（中、高功率）点，低功率段通过氢循环泵补充。此方案较单氢循环泵方案，阳极循环功耗减小60%,系统效率提升约1.0%。同时氢循环泵也可向小型化开发，预计体积将缩小近一半。

需要提醒的是，在低温环境下，大功率运行时引射器内部容易产生冷凝水，会影响电堆一致性和寿命，需在引射器设计时综合考虑水热管理策略，尽量避免冷凝水的产生，为电堆创造舒适的运行环境。

图9 燃料电池阳极循环并联方案示意图

高效的“血液”循环，保证了汽车良好的“新陈代谢”。