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氢能及燃料电池科普系列:氢气循环系统

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-12-18 13:39:46    浏览次数:217
导读

氢气循环系统是燃料电池发动机供氢系统核心部件之一,其作用是将电堆阳极出口的高湿气体循环输送至电堆入口,与此同时, 该循环过程能够实现一定程度的阳极入口气体加湿作用,使得氢气入口省去了额外的加湿系统,精简了燃料电池系统。

氢气供给系统影响车辆的安全性与寿命

氢气循环系统是燃料电池发动机供氢系统核心部件之一,其作用是将电堆阳极出口的高湿气体循环输送至电堆入口,与此同时, 该循环过程能够实现一定程度的阳极入口气体加湿作用,使得氢气入口省去了额外的加湿系统,精简了燃料电池系统。目前主流的氢气循环泵类型分别罗茨式、爪式、涡旋式及叶片式四种,其中叶片式在国内市场较为少见。

图 1 氢气循环泵类型

优质供氢系统必须具备储氢量大、稳定性好、安全性高等特点,才能保证燃料电池车的高续航里程及耐久性。车载供氢系统包括压力流量调整元件、氢气泄漏传感器、供氢管路、控制系统、氢气再循环系统等(通常不包括储氢瓶)。供氢系统的工作过程可以分为加氢、储氢和输氢三个过程:加氢站的加氢系统通过单向阀向车载储氢瓶注入氢气;储氢瓶储存高纯度(99.999%)、高压力(35或70MPa)的氢气;燃料电池需要氢气时,经过减压/稳压阀后,压力降为所需要求,再通过电动调节阀、压力传感器、流量计和加湿器进入电堆进行反应,少量多余的氢气进入氢气再循环系统,或经过处理后排入大气。

1) 供氢的稳定性好有助于燃料电池耐久性:储氢气瓶氢气的出口压力为35/70MPa,燃料电池车的电池反应堆要求氢气压力为远小于出口压力,而压力调节不当易造成质子交换膜的永久损坏,因此氢气压力调整装置要保证压力稳定性;

2) 安全性高是必备条件:氢气是一种易燃易爆的气体,为防止氢气出现泄露、超压、超温和过流等情况,保证系统正常工作,需要对系统的压力、温度和氢气流量进行检测,采用起安全作用的元件或措施。

图2 氢气循环系统图

氢气再循环装置:影响氢气利用率、解决水管理问题

氢气再循环装置可提高氢气利用率,同时解决电堆水管理问题,影响燃料电池发动机的耐久性。为了保证燃料电池的正常运行,通常采用氢气循环的方法,把电池内部生成的水带出电池后经过水气分离装置,将液态水分出后,再将氢气循环回到电池重复使用。一方面可以实现把反应气尾气的水分带入电池起到增湿作用;另一方面可以提高氢气在燃料电池阳极流道内流速,防止阳极水的累积,避免阳极水淹,此外还能提高氢气利用率。

氢气循环供应系统有多种形式,目前比较常见的是氢气循环泵和回氢引射装置。有的燃料电池单独使用这两种装置中的一种,有的同时使用两种装置:

1.氢气循环泵:采用电机变频控制电机,使回流能力根据不同功率进行响应,可以有效改善氢循环、灵活性高,但是需消耗额外的电以维持其运转。

图 3 氢气循环泵工作原理图

2.引射器:不需要消耗额外的电力,且结构简单因此运行可靠、寿命较长,但是回流能力是固定的,因此只能在一定的输出功率范围内有效。

图 4 回氢引射装置工作原理图

再循环装置的规模化生产有助于成本的大幅下降

以引射器为例,一台引射器的价格在2005年时约为300美元,但是大规模生产后,成本会有大幅度下降,有望达到20美元/台。国外已有投入使用的氢循环装置,国内目前仍处于开发阶段,尚无成熟产品。

1) 美国Park公司开发出了氢气循环泵,可用于不同的燃料电池汽车;

2) 美国H2Systems公司开发并提供氢气循环泵的系列产品(Hyrdogen  Recirculation Blower Series );

3) 美国的Argoone国家实验室开发了氢气引射装置(Ejector)及氢气泵混合循环系统;

4) 各大汽车公司也开发了相应的氢气循环装置,并用于燃料电池发动机,例如氢气回流泵在丰田汽车公司Mirai燃料电池车上得到了实施。

5) 国内正处于研发阶段,有一些发明专利,还并没有成熟产品。


 
(文/小编)
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