燃料電池氫氣循環系統
2023-10-18 10:10:35
氫氣供給系統影響車輛的安全性與壽命
氫氣循環系統是燃料電池發動機供氫系統核心部件之一，其作用是將電堆陽極出口的高濕氣體循環輸送至電堆入口，與此同時, 該循環過程能夠實現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，精簡了燃料電池系統。目前主流的氫氣循環泵類型分別羅茨式、爪式、渦旋式及葉片式四種，其中葉片式在國內市場較為少見。
優質供氫系統必須具備儲氫量大、穩定性好、安全性高等特點，才能保證燃料電池車的高續航里程及耐久性。車載供氫系統包括壓力流量調整元件、氫氣泄漏傳感器、供氫管路、控制系統、氫氣再循環系統等（通常不包括儲氫瓶）。供氫系統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；燃料電池需要氫氣時，經過減壓/穩壓閥后，壓力降為所需要求，再通過電動調節閥、壓力傳感器、流量計和加濕器進入電堆進行反應，少量多余的氫氣進入氫氣再循環系統，或經過處理后排入大氣。
1) 供氫的穩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堆要求氫氣壓力為遠小于出口壓力，而壓力調節不當易造成質子交換膜的永久損壞，因此氫氣壓力調整裝置要保證壓力穩定性；
2) 安全性高是必備條件：氫氣是一種易燃易爆的氣體，為防止氫氣出現泄露、超壓、超溫和過流等情況，保證系統正常工作，需要對系統的壓力、溫度和氫氣流量進行檢測，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，影響燃料電池發動機的耐久性。為了保證燃料電池的正常運行，通常采用氫氣循環的方法，把電池內部生成的水帶出電池后經過水氣分離裝置，將液態水分出后，再將氫氣循環回到電池重復使用。一方面可以實現把反應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。
氫氣循環供應系統有多種形式，目前比較常見的是氫氣循環泵和回氫引射裝置。有的燃料電池單獨使用這兩種裝置中的一種，有的同時使用兩種裝置：
1.氫氣循環泵：采用電機變頻控制電機，使回流能力根據不同功率進行響應，可以有效改善氫循環、靈活性高，但是需消耗額外的電以維持其運轉。
2.引射器：不需要消耗額外的電力，且結構簡單因此運行可靠、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有效。
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以引射器為例，一臺引射器的價格在2005年時約為300美元，但是大規模生產后，成本會有大幅度下降，有望達到20美元/臺。國外已有投入使用的氫循環裝置，國內目前仍處于開發階段，尚無成熟產品。
1) 美國Park公司開發出了氫氣循環泵，可用于不同的燃料電池汽車；
2) 美國H2Systems公司開發并提供氫氣循環泵的系列產品（Hyrdogen Recirculation Blower Series ）；
3) 美國的Argoone國家實驗室開發了氫氣引射裝置（Ejector）及氫氣泵混合循環系統；
4) 各大汽車公司也開發了相應的氫氣循環裝置，并用于燃料電池發動機，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施。
5) 國內正處于研發階段，有一些發明專利，還并沒有成熟產品。
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