韓濟泉，孔祥程，馮健美，彭學院

（西安交通大學能源與動力工程學院，西安 710049）

前言

隨著我國碳中和目標的提出，我國的能源領域正在面臨關鍵機遇與挑戰(zhàn)，發(fā)展清潔能源已經成為新趨勢，其中氫能是公認的清潔能源，加速發(fā)展氫能可以推動實現(xiàn)碳中和重要使命進展。在氫能發(fā)展中，氫燃料電池汽車是推動氫能應用的重要突破口，中國、日韓和歐美等已加大對氫燃料電池汽車的研發(fā)投入。根據使用對象的不同，汽車可以分為乘用車和商用車。乘用車的電堆功率一般比較小，比如以豐田Mirai、本田Clarity 和現(xiàn)代NEXO 為代表的乘用車峰值功率在100～120 kW 之間，而以豐田Alpha 和現(xiàn)代Xcient 為代表的氫能重型商用車功率在200 kW 左右。由于燃料電池乘用車昂貴的價格成本和加氫站等基礎設施的限制，乘用車的推廣受到了較大阻礙。而大功率商用車運行在相對固定的路線，對加氫站分布的廣度及數(shù)量依賴性低，同時對于長距離行駛、高動力性能要求，商用燃料電池汽車更具優(yōu)勢。因此在燃料電池技術的初期發(fā)展階段，我國把研發(fā)目標聚焦于大功率燃料電池商用車。

對于大功率燃料電池堆，系統(tǒng)中未消耗的氫氣需要再次循環(huán)利用以節(jié)約氫燃料提高續(xù)航里程，因此氫循環(huán)系統(tǒng)的性能對燃料電池的效率與壽命有著關鍵影響。目前燃料電池氫循環(huán)核心裝置主要采用機械氫循環(huán)泵或引射器。引射器具有無運動部件、結構簡單、可靠性高、體積和質量小、成本低、無寄生功率等突出優(yōu)點，但是其很難適應大功率燃料電池系統(tǒng)在寬功率范圍內變化的要求，而氫氣循環(huán)泵可以通過調節(jié)轉速以適應不同的電堆功率范圍，但是其體積大、噪聲高且會產生較大寄生功率，同時由于循環(huán)氫氣要求絕對無油，而氫氣又極易泄漏，因此氫泵的設計難度大、制造成本高。

總之，對于大功率燃料電池系統(tǒng)，其特點是大流量和高壓升，這對氫循環(huán)系統(tǒng)的設計提出很大的挑戰(zhàn)。本研究針對200 kW 大功率燃料電池系統(tǒng)，分析了4 種氫氣循環(huán)系統(tǒng)設計方案，如圖1 所示，分別包括引射器、氫泵、引射器與氫泵并聯(lián)、引射器與氫泵串聯(lián)模式。研究基于理論分析和CFD 模擬，建立了氫循環(huán)裝置的評價指標，從不同方面分析總結了各氫循環(huán)方案的特點。

圖1 4種不同氫循環(huán)方案系統(tǒng)示意圖

1 性能評估模型

1.1 引射器

燃料電池系統(tǒng)中氫循環(huán)裝置用來循環(huán)利用電堆未消耗的氫氣，氫循環(huán)裝置的氫循環(huán)比定義為需要被循環(huán)的氫氣流量與供應氫氣流量之比，其與電堆化學計量比之間的關系如式（1）所示。

對于引射器，被引射的氫氣流量與一次流流量之比即定義為氫引射比，如式（2）所示。所以在一定功率下，評判引射器性能的指標是引射器的氫引射比要大于要求的氫循環(huán)比，即≥。

式中：和分別為一次流和二次流流量，kg/s；為二次流中氫氣質量分數(shù)。

由于引射器在燃料電池系統(tǒng)中工作在非常寬的功率范圍區(qū)間，隨著功率由高到低變化，其工況狀態(tài)由穩(wěn)定的臨界工況變化為不穩(wěn)定的亞臨界工況，最后變成失效的回流工況。常規(guī)的半經驗熱力學模型很難準確預測引射器在如此寬范圍工況下的工作性能，因此本文中使用CFD 流體動力學模型預測引射器性能，所使用的引射器的CFD 模型見表1。

表1 引射器CFD模型［13］

1.2 氫循環(huán)泵

目前用于燃料電池汽車中氫泵的類型主要有羅茨式和爪式氫泵，兩者都具有體積小、無油適應性好和成本相對較低等優(yōu)勢。與引射器相比，氫泵可以通過調節(jié)轉速很好地滿足所需的氫循環(huán)比，氫泵的性能指標主要由功率表示。爪式和羅茨泵均屬于容積式壓縮機，性能評價方法相同，本研究都用絕熱壓縮理論和絕熱效率評價氫泵性能。

根據等熵絕熱理論，氫泵的絕熱功率由等熵絕熱壓縮公式計算：

式中：為混合氣體的絕熱指數(shù)；和分別為氫泵進出口壓力，Pa；為通過氫泵的循環(huán)氣體的容積流量，m/s。與氫氣循環(huán)比之間的關系為

式中為混合氣體的密度，kg/m。

實際氫泵功率要考慮存在壓力損失及泄漏的影響，通過絕熱效率表示如下：

1.3 模型驗證

使用實驗數(shù)據對所建立的引射器的數(shù)學模型進行可靠性分析，其中實驗數(shù)據來自文獻［13］。引射器的模型計算結果與實驗之間的對比如圖2 所示，其中圖2（a）和圖2（b）分別表示引射器的流量和引射比的結果。可以看到數(shù)值計算得到的引射器的一次流和二次流流量與實驗值相比都偏小，這是由實驗用引射器的噴嘴加工精度偏差引起的誤差，而圖2（b）表示的引射比計算值與實驗值偏差則在±3%以內，表明所使用的引射器模型是可靠的。

圖2 引射器模擬計算與實驗對比

需要說明的是，氫泵的性能分析計算使用的是經典的等熵絕熱理論，并通過等熵絕熱效率來修正計算的實際功耗，其大小與絕熱效率的選取相關，本文對絕熱效率的討論分析在2.3小節(jié)給出。

2 結果與討論

2.1 燃料電池氫循環(huán)系統(tǒng)

使用所建立的氫循環(huán)裝置性能評估模型對某一200 kW 氫燃料電池系統(tǒng)進行分析。氫循環(huán)裝置的工況條件根據燃料電池堆的工況條件確定，主要包括氫氣消耗量、壓力、溫度和流體組分，其中，該電堆的氫氣消耗量和化學計量比需求如圖3 所示，電堆的進出口壓力及壓力損失如圖4 所示，其中壓力值為絕對壓力。

圖3 200 kW燃料電池堆氫氣消耗量和化學計量比

圖4 200 kW電堆進出口壓力與氫循環(huán)系統(tǒng)壓力損失

電堆排出的混合氣體組分與溫度、工況和系統(tǒng)的控制策略有關?；旌衔餁怏w包含未消耗的氫氣、從氧氣側滲入陽極的氮氣和飽和水蒸氣，另外還可能包含有產生的液態(tài)水滴，但經過高效水分離器后液態(tài)水滴幾乎可以被完全分離。飽和水蒸氣的體積濃度與電堆溫度有關，車用燃料電池工作溫度在60～80 ℃范圍內變動，在本研究中溫度取70 ℃。氮氣的體積濃度與電堆質子交換膜滲透性和吹掃周期有關，高性能電堆的氮氣濃度要求不高于10%，本研究循環(huán)氣體的氮氣濃度選擇為10%。

2.2 僅引射器模式

首先對適應200 kW 電堆的引射器進行結構設計。由于引射器的幾何參數(shù)、流體物性和工作條件等多種參數(shù)都會影響引射性能，因此引射器結構參數(shù)的設計和優(yōu)化非常復雜。在一些常用的引射器熱力學理論模型中，噴嘴喉部直徑（）和混合室直徑（）是最重要的幾何參數(shù)，對引射器性能具有決定性的影響。同時，Expósito Carrillo 等對引射器幾何參數(shù)的優(yōu)化分析研究也表明，只有和對引射性能有著顯著影響。由于本研究的主要內容并不是針對引射器復雜的優(yōu)化設計方法，所以結構設計主要計算關鍵幾何參數(shù)和，其余結構參數(shù)參考已有優(yōu)化設計研究。圖5 表示了針對200 kW 燃料電池系統(tǒng)設計的引射器的主要幾何參數(shù)，其中喉部直徑根據噴嘴等熵流動方程，即式（6）確定，計算得到=1.84 mm。

圖5 引射器結構參數(shù)示意圖

式中：為一次流流量，等于電堆氫氣消耗量，kg/s；為一次流壓力，其值越大則引射性能越高，但受到供氫閥能力的限制，本文取值為2.0 MPa；為流體的等熵膨脹系數(shù)；為氫氣的氣體常數(shù)；為一次流溫度，K。

引射器的混合段直徑對引射器性能有著顯著影響，因此為使200 kW 電堆引射器有較好性能，研究了混合段直徑的影響。當混合段直徑在6～9 mm之間變化時，引射器的氫循環(huán)比隨電堆功率的變化如圖6 所示?？梢钥吹诫S著的增大，引射器在高功率下可以實現(xiàn)的氫循環(huán)比越大，但是在低功率下的氫循環(huán)比減小。這是因為在高功率下，引射器的一次流流量較大，一次流在混合腔中膨脹流動所占用的流通面積較大，使得二次流的流通面積相對減小，因此只有較大的混合段直徑使得二次流有足夠寬裕的流通面積，從而能夠引射較大的二次流流量。比如為9 mm的引射器在200 kW時的氫循環(huán)比達到0.59，而為6 mm 的引射器氫循環(huán)比只有0.23；但是當功率降低至40 kW 時，為9 mm 的引射器卻不能引射而失效。

通過引射器能夠產生的氫循環(huán)比與電堆所需的氫循環(huán)比（即目標值）作比較可以發(fā)現(xiàn)，在200 kW 下選擇為8或9 mm時的引射性能滿足目標值，而為8 mm的引射器可以滿足的功率范圍是80～200 kW，略寬于為9 mm 時的性能，所以最終選擇的混合段直徑為8 mm。

從圖6可以看到，無論引射器的如何變化，依然很難滿足80 kW 以下電堆的氫循環(huán)需求。一方面是因為引射器本身特性限制，低功率條件下一次流流量較小，較小的流速產生較小的剪切力作用，造成引射的二次流流量較小；另一方面則是因為電堆在低功率下對氫循環(huán)比的需求很高，所以引射器很難適應電堆低功率工況。

圖6 混合段直徑對引射性能的影響

2.3 僅氫循環(huán)泵模式

氫泵的經濟性即氫泵功耗是重要性能評價標準，使用等熵絕熱公式和絕熱效率來計算氫泵功率，即式（3）～式（5）。該方法的準確性依賴于絕熱效率的選取，針對氫氣循環(huán)泵的研究表明，氫泵的絕熱效率與氫泵的轉速、工質組分和氫循環(huán)系統(tǒng)壓力損失相關，在0.30～0.60之間變化。

圖7 表示氫泵功率隨電堆功率的變化及絕熱效率的影響。可以看到，在相同的絕熱效率下，氫泵功率隨著電堆功率的降低而下降，同時在高功率下的氫泵功率變化梯度較大，而低功率下的變化較小，這是因為低功率下電堆的化學計量比更大，這使得氫氣循環(huán)流量減小的幅度更小。

同時圖7 清楚地表示了絕熱效率對氫泵功率的影響，可以看到在一定電堆功率下，隨著絕熱效率的增大，氫泵功率減小。比如在200 kW 電堆功率下，氫泵的絕熱效率從0.30提升到0.60，使得氫泵功率可由1 530 W 降低到760 W。因此，提高絕熱效率可以顯著減小氫泵功耗。

圖7 氫泵功率及絕熱效率隨電堆功率變化

2.4 引射器和氫泵串/并聯(lián)模式

上述分析表明，針對200 kW 的大功率燃料電池系統(tǒng)，僅使用引射器很難覆蓋如此寬的功率范圍，而使用氫泵則會產生較大的寄生功率，另外氫泵體積較大，以及可能產生的噪聲問題突出。所以對于大功率燃料電池系統(tǒng)，聯(lián)合使用引射器和氫泵的氫循環(huán)方案可能較優(yōu)。

按照圖1（c）表示的引射器和氫泵的并聯(lián)模式，當電堆功率在80～200 kW 之間時，僅使用引射器即可滿足循環(huán)需求；當電堆功率在80 kW 以下時，引射器不能夠引射足夠的循環(huán)氣體，所以開啟氫泵并調節(jié)轉速泵送氣體以彌補引射器的不足。引射器和氫泵在并聯(lián)模式下的泵送壓力相同，兩者泵送不同份額的流量以使得總的循環(huán)流量滿足需求，即引射器和氫泵的并聯(lián)模式特征是“等壓升，分流量”。

圖8 表示了引射器和氫泵并聯(lián)模式下循環(huán)流量隨電堆功率的變化，兩者流量之和是總的循環(huán)流量。在80～200 kW 下，只使用引射器泵送流量，即引射器泵送流量等于總循環(huán)流量；在80 kW 以下，引射器泵送流量低于總循環(huán)流量，氫泵開始工作彌補流量；當?shù)陀?0 kW 時，引射器失效，全部流量經過氫泵泵送。

圖8 并聯(lián)模式下循環(huán)流量隨電堆功率的變化

引射器和氫泵還可以按照串聯(lián)方式聯(lián)合使用，如圖1（d）所示。按照引射器的工作特性，在相同一次流流量下，減小壓升可以提升引射流量，所以串聯(lián)使用氫泵來減小引射器壓升。氫泵和引射器依次泵送相同流量的循環(huán)氣體，使之分擔不同份額的壓升，最終使得二者的總壓升等于氫循環(huán)系統(tǒng)的壓力損失。因此，與并聯(lián)模式相反的是，串聯(lián)模式的特征是“等流量，分壓升”。

圖9 表示了引射器和氫泵串聯(lián)模式下壓升隨電堆功率的變化，在80～200 kW 下，只使用引射器泵送循環(huán)氣體，即引射器的壓升等于系統(tǒng)阻力損失。與并聯(lián)模式相同，當電堆功率降低至80 kW 以下使得引射器不能引射足夠的循環(huán)氣體，開啟氫泵來減小引射器的工作壓升，使二者壓升之和滿足系統(tǒng)壓力損失。

圖9 串聯(lián)模式下壓力隨電堆功率的變化

2.5 氫循環(huán)方案性能對比

并聯(lián)模式的特點是引射器和氫泵的工作壓力相同，氫泵的使用為引射器承擔部分不能引射的流量；串聯(lián)模式的特點是二者的工作流量相同，氫泵的作用是為引射器承擔部分壓力，減小引射器所承擔的壓升，從而提高引射流量。所以引射器和氫泵的作用都是為了對一定流量的循環(huán)氣體進行增壓，流量和壓升是影響氫循環(huán)裝置的兩個關鍵因素。為比較氫循環(huán)裝置在聯(lián)合模式下對氫氣循環(huán)的貢獻性大小，定義無量綱參數(shù)表征氫循環(huán)裝置的貢獻率，表達式如式（7）所示。

式中：為引射器或氫泵的循環(huán)氫貢獻率；和分別為燃料電池堆需求的循環(huán)流量和壓力損失，即通過氫循環(huán)裝置的總流量和壓升；Δ和Δ分別為氫泵或引射器的流量和壓升。

引射器和氫泵在串/并聯(lián)模式下的循環(huán)氫貢獻率如圖10 所示?？梢钥吹皆诖?lián)模式下，當電堆功率在80 kW 以上，引射器的循環(huán)氫貢獻率占100%，隨著功率降低，引射器性能下降，其循環(huán)貢獻率隨之降低，而氫泵的貢獻率逐漸增大。串并聯(lián)模式的差別主要在低電堆功率下對循環(huán)需求的貢獻份額，為了盡可能利用引射器性能，應該使引射器在低電堆功率下維持較高的循環(huán)氫貢獻率?？梢钥吹皆?0 kW 以下，引射器在串聯(lián)模式下的貢獻率比并聯(lián)模式下的占比更大，所以在串聯(lián)模式更能充分利用引射器的性能。

圖10 引射器和氫泵在串/并聯(lián)模式下的循環(huán)氫貢獻率

在氫循環(huán)系統(tǒng)中使用氫泵會帶來寄生功率，減小系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此要盡可能減小氫泵的功耗。圖11 比較了僅使用氫泵、串并聯(lián)模式之間功耗的差別，其中氫泵的絕熱效率按照0.45 計算。結果表明，僅使用氫泵時的最大功耗是1 020 W，而并聯(lián)模式下的最大功耗是190 W，同比降低81.4%；串聯(lián)模式下的最大功耗是150 W，同比降低85.3%。顯然，聯(lián)合引射器的使用可以大大降低氫泵功耗。氫泵功率的降低不僅僅可以提升整個系統(tǒng)的效率，更重要的是有利于氫泵的設計與選型，因為小功率小流量氫泵的技術難度相對較低、成本較低、可靠性更高。

從圖11 中也可以看到引射器和氫泵在串聯(lián)模式下的平均功耗低于并聯(lián)模式，所以在串聯(lián)模式下更大可能發(fā)揮引射器的性能，這與圖10 根據循環(huán)氫貢獻率分析得到的結論一致。

圖11 不同氫循環(huán)方案下的氫泵功耗

3 結論

本文中以200 kW 大功率燃料電池汽車氫循環(huán)系統(tǒng)為例，研究并對比分析了4 種不同的氫循環(huán)方案的性能特點。結果表明，僅使用引射器很難適應大功率燃料電池汽車寬功率范圍運行，通過優(yōu)化設計能滿足氫循環(huán)需求的功率范圍為80～200 kW，而當?shù)陀?0 kW 時，引射器性能快速下降，無法滿足氫循環(huán)需求。

引射器和氫泵并聯(lián)模式特征為“等壓升，分流量”，串聯(lián)模式特征是“等流量，分壓升”。引射器聯(lián)合使用氫泵可以減小氫泵的功率消耗，相比于僅氫泵運行模式，在并聯(lián)模式下氫泵最大功率下降81.4%，串聯(lián)模式下氫泵最大功率下降85.3%。通過聯(lián)合使用引射器和氫泵，可以提高系統(tǒng)效率，使得氫泵的設計難度降低、成本降低。

根據循環(huán)氫貢獻率和功耗的分析表明，引射器和氫泵的串聯(lián)模式更能充分利用引射器的性能，因此從經濟性角度，建議使用串聯(lián)模式用于大功率燃料電池汽車的氫循環(huán)系統(tǒng)。本研究為大功率燃料電池汽車氫循環(huán)系統(tǒng)的設計提供了有價值的參考。