车用PEMFC系统氢气供应系统发展现状及展望

南泽群，许思传，章道彪，刘文熙

(1.同济大学新能源汽车工程中心，上海201804；2.上海汽车集团股份有限公司乘用车分公司，上海201804)

车用PEMFC系统氢气供应系统发展现状及展望

南泽群1，许思传1，章道彪2，刘文熙1

(1.同济大学新能源汽车工程中心，上海201804；2.上海汽车集团股份有限公司乘用车分公司，上海201804)

氢气供应系统(Hydrogen Supply System,HSS)的调压、排水、排气、加湿作用对于提高质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的性能与寿命有着重要影响。通过对比目前国内外燃料电池系统采用的不同氢气供应系统的结构及性能，分析了不同氢气供应系统的优缺点及对燃料电池系统性能的影响，最后指出了未来高性能质子交换膜燃料电池系统中氢气供应系统的研究和发展方向。

PEMFC；HSS；氢气循环；引射器

1 HSS概述

在PEMFC系统中，氢气储存在高压瓶中，典型的存储压力约为20～45 MPa，甚至高达70 MPa[1]。虽然更高的反应气体压力可以提高电堆性能，但阴阳极压差大到一定程度，质子交换膜就可能破裂，使电堆的安全性和可靠性下降。因此，当阳极的氢气压力增大时，阴极的空气也必须通过空压机增压，以保证阴阳极压差维持在一定范围内。另一方面，由于空压机会消耗电堆产生的功率，因此氢气压力不能过高，必须控制在一定范围才能供入电堆。

在PEMFC中，保持质子交换膜的水平衡对电堆的寿命有重要意义。一方面，水含量过低会产生干膜现象，妨碍质子的传输；另一方面，水含量过高会产生水淹现象，阻碍多孔介质中气体的扩散，导致电堆输出电压降低[2-3]。此外，从阴极侧穿透到阳极的杂质气体不断累积，也会对电堆的性能造成影响[4]。

针对以上堵水和气体渗透的问题，通常采用排氢的方法，将电堆内部生成的水和累积的杂质气体排出。排氢频率太低，容易导致堵水和杂质气体累积，从而导致电堆性能下降；排氢频率太高，则既浪费了氢气，又带来潜在危险[5-8]。为保证PEMFC稳定高效运行，同时提高氢气利用率，通常采用氢气循环的方法，即氢气把电堆内部生成的水带出后，经水气分离装置将液态水分离，再将氢气循环送回到电堆阳极重复使用，同时对新鲜氢气进行加湿。

典型的HSS包括高压储氢瓶、减压阀、压力调节阀、循环装置(循环泵或引射器)、稳压罐、传感器、各种电磁阀及管路等。HSS通过高压储氢瓶提供电堆所需的氢气，根据电堆的工况特性，对氢气进行调压、加热、加湿，并通过循环装置对电堆出口氢气进行循环利用。对于高压HSS而言，对氢气进行压力调整和循环利用是设计的两大难题。

2 HSS研究和发展现状

目前主要的氢气循环模式有单级引射器、双级引射器并联、单级循环泵、引射器和循环泵并联等，在此基础上通过优化引射器结构和控制策略等方法来提高循环效果。

2.1 多级引射器并联

2010年，美国技术咨询公司DTI(Direct Technology Incorporation)进行了燃料电池系统设计及制造成本分析[9]。DTI的燃料电池氢气供应系统拓扑结构图如图1，其中HSS包含高压储氢瓶、气动控制阀、氢气过滤器、氢气分流阀、高流量引射器、低流量引射器、过压切断阀、排氢阀和单向阀。该系统使用氢气分流阀，使氢气在高、低功率时分别通过大、小流量引射器。利用高压氢气对阳极尾气进行抽吸，既提高了氢气利用率，又利用尾气对新鲜氢气进行加湿，从而省去了阳极加湿器。同时双级引射器并联，弥补了单级引射器工作范围窄的缺陷。该系统保留了排氢阀，是基于降低杂质累积的考虑。

图1 DTI公司2010年燃料电池氢气供应系统拓扑结构图

2.2 引射器与循环泵并联

美国Argonne实验室在2010年提出的燃料电池系统布置图如图2所示[10]。其中氢气循环系统包含储氢瓶、减压阀、引射器、氢气循环泵、水分离器、单向阀和排氢阀等相关部件。采用氢气循环泵和引射器并联的方式弥补了单级引射器无法在全工况范围内工作的缺陷。

图2 Argonne实验室2010年燃料电池系统布置图

图3对比了阳极废气(水、氢气、氮气)中，在引射器单独工作时可被引射的气体量，和为保持氢气70%的单次通过利用率所必须被引射的气体量。图3表明单个引射器可以在25%～100%的流量范围内工作，在低于25%的流量范围内则需要一个氢气循环泵来辅助循环。

图3 引射器性能示意图

2.3 利用引射器前端压力脉冲

2013年瑞士Belenos Clean Power Holding AG公司公开一项专利，该专利描述了一个含有引射器的燃料电池系统[11]，其系统拓扑结构图如图4。该HSS在储氢瓶60和引射器113之间设置了控制阀110，当在大功率工况时，控制阀保持开启，此时引射器的引射效果明显；在小功率工况时，控制阀在开关状态间切换，使引射器前端压力呈脉冲变化，在控制流量的同时保证引射性能，并拓宽工作范围。控制阀开关的频率和脉宽由控制回路15设置。

图4 Belenos Clean Power Holding AG公司燃料电池系统拓扑结构图

2.4 被动控制式引射器

美国Nuvera Fuel Cell,Inc公司于2014年获得被动式氢气循环装置的专利[12]，该装置的实质是一个可变流量的引射器。

循环装置(引射器)的结构如图5所示，包括440和450两部分，并以某种机械形式耦合。新鲜氢气120从进口260进入，阳极排气220从进口250进入，二者在混合室470混合，混合气从出口270排出。530为活塞，430为活塞腔体，活塞530与活塞缸壁480相配合，活塞530可以沿轴线460移动，并保证密封。活塞530一端为锥面，该锥面与座体600相配合，活塞上有若干圆孔610，活塞内部为气体通道560活塞另一端与喷嘴的空腔520相连。喷嘴狭缝490将活塞头570与混合室470连通。活塞530有两个受力面，一个受力面是与座体600相配合的锥面，受到新鲜氢气120的压力，另一个受力面是活塞头570，受到阳极排气220的压力。活塞530的位置取决于两个受力面的平衡。该装置依靠阳极排气220的压力，被动地控制引射器的循环流量，可以增大引射器的工作范围。

图5 Nuvera Fuel Cell,Inc公司被动式控制引射器结构图

2.5 利用压力波动及单向阀

日本宇宙航天研究开发机构的Masatoshi Uno等人采用了一种新的循环模式[13]，其原理是利用压力的波动完成循环。该模式主要部件有2个单向阀、水气分离器和流量控制装置。Masatoshi Uno认为，采用氢气循环泵或引射器有其难以克服的缺点。一方面，氢气循环泵消耗电堆功率，且含有许多机械部件，伴随有震动和噪声，并包含有轴承、润滑油等，耐久性和结构复杂性并不满足要求。另一方面，引射器虽然无运动部件且可靠性高，但其工作范围较窄，无法在小流量下起到循环的效果。

该系统原理如图6所示，该装置有A和B两种工作模式。A模式下，通过流量控制装置调节阳极入口压力上升，部分未反应完的气体克服单向阀1的压力进入单向阀1和2间的管路，由于管路和单向阀1有压损，此时气体无法克服单向阀2的压力回流到燃料电池阳极入口；B模式下，调节阳极入口压力下降，未反应完的气体减少，压力下降至无法克服单向阀1的压力，此时单向阀1关闭。由于阳极入口管路压力下降，存储于单向阀1和2之间的阳极排气克服压力开启单向阀2，进入循环回路。管路及各阀门的压力变化幅度及周期如图7。

图6 压力波动循环系统原理图

2.6 含稳压罐的氢气循环系统

上海神力科技有限公司发明了一种含稳压罐的氢气密闭循环系统[14]。如图8所示，该系统中，氢气从储氢罐1出来后经减压并通过引射器4进入稳压罐A5，稳压罐可使氢气稳压，并对氢气进行水气分离，之后氢气进入电堆6参与反应。电堆的出口一端连接引射器的引射入口，另一端连接排氢电磁阀7，当电堆中的氢气过量较多时，引射器将过量氢气吸回，输送到电堆的氢气入口重新参与反应。当电堆中的氢气过量不多时，引射器难以产生引射效果，多余氢气通过排氢电磁阀排出至稳压罐B8，使氢气稳压去水，并通过氢气循环泵9输送至稳压罐A5进行循环。该系统有助于提高引射性能并增大其工作范围，但稳压罐会使系统复杂而成本增加。

图7 压力波动循环理论工作波形图

图8 含有稳压罐的氢气循环系统示意图

2.7 含引射器的被动式氢气循环系统

2014年国立台南大学的Jenn-Jiang Hwang针对被动式氢气循环系统提出了一种通过控制比例阀和电磁阀，对氢气连续供应(中高功率)和脉冲供应(低功率)的方案[15]，该系统如图9所示。

图9 被动氢气循环系统

根据能够排出阳极中聚集水的最小氢气流量，计算出电堆的功率，将此功率定义为临界值。电堆功率高于临界值时，电磁阀SV1关闭，使得氢气通过比例阀PV进入阳极，并通过比例阀PV来控制氢气流量增减，进而控制阳极入口压力的增减，如图10(a)所示。电堆功率低于临界值时，比例阀PV关闭，电磁阀SV1开启，当阳极出入口的压差大于预设值A时，电磁阀SV1关闭，停止供应氢气；当阳极出入口的压差小于预设值B(B

图10 氢气连续供应和脉冲供应

此外，该系统还提出了利用阳极废气对空气进行加湿。阳极废气通过排氢孔及排氢电磁阀进入阴极入口前端对空气进行加湿。每当电堆处于停机状态时，排氢电磁阀保持开启，这样可以有效防止停机后电堆中残留氢气缓慢反应而带来的真空。

2.8 闭端阳极模式(无循环)

密歇根大学的Jixin Chen等人采用闭端阳极(Dead-Ended Anode，DEA)模式[16]。该模式由于外部组件的减少简化了HSS，使得系统成本降低。DEA可以减轻阴极碳腐蚀，但排氢使得系统整体效率降低，因此需要对排氢间隔和排氢持续时间进行优化。DEA与流通阳极(Flow-Through Anode，FTA)相比结构简单，如图11所示。FTA依靠循环回路中对流传质，使得氢气利用率较高，这需要引射器或鼓风机、除水装置等实现，这些辅助装置增加了质量、体积和成本。但由于DEA只能提供电堆需要的氢气量，而出口必须定时打开排出杂质气体，因此电堆的性能较差，氢气利用率低，且带来堵水等不可避免的问题，使得其难以满足PEMFC系统的性能和寿命要求。

图11 FTA与DEA系统复杂程度比较

3 总结与展望

本文通过文献研究，分析了HSS的主要作用，指出了氢气循环对于提高燃料电池性能与寿命的必要性，并总结了当前的多种HSS方案。各方案的对比结果如表1所示。

闭端阳极模式虽然结构简单，成本低廉，但其必须定期排氢来排出杂质气体和富集水，使得氢气利用率低，且系统整体效率降低，难以满足PEMFC的性能和寿命要求。为保证PEMFC稳定运行，又能提高氢气利用率，通常采用氢气循环的方法，即阳极排气把电堆内部生成的水带出后，经水气分离装置将液态水分离，再循环回到电堆阳极重复使用，以提高氢气利用率。

综上所述，建立一种合理的氢气循环供应系统对其运用于实践中有重要意义。在未来高性能PEMFC系统中，HSS应采用多级循环装置(引射器或氢气循环泵)并联的循环模式。在此基础上，通过优化引射器的结构，提高引射性能，扩大引射器工作范围；同时可以优化控制策略，如在氢气流量低难以产生引射效果时，产生脉冲喷射，保证循环效果；此外，优化多级循环装置之间的匹配策略也对提高系统的循环效果有着重要作用。

[1]FRANO B.PEM fuel cells:theory and practice[M].Burlington,MA:Elsevier Academic Press,2005.

[2]CHEN F,SU Y G,SOONG C Y,et al.Transient behavior of water transport in the membrane of a PEM fuel cell[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,2004,566(1):85-93.

[3]崔东周，肖金生，潘牧，等.质子交换膜燃料电池水，热，气管理[J].电池，2005，34(5)：373-375.

[4]PROMISLOW K,ST-PIERRE J,WETTON B.A simple,analytic model of polymer electrolyte membrane fuel cell anode recirculation at operating power including nitrogen crossover[J].Journal of Power Sources,2011,196(23):10050-10056.

[5]HIMANEN O,HOTTINEN T,TUURALA S.Operation of a planar free-breathing PEMFC in a dead-end mode[J].Electrochemistry Communications,2007,9(5):891-894.

[6]CARLSON E J,KOPF P,SINHA J,et al.Cost analysis of PEM fuel cell systems for transportation[R].Cambridge,Massachusetts:TIAX LLC,2005.

[7]刘明义，蒋利军，黄倬，等.便携式质子交换膜燃料电池系统集成研究[J].电源技术，2006，30(6)：446-449.

[8]谢晋.质子交换膜燃料电池(PEMFC)控制和管理系统的研究[D].上海：上海海事大学，2005.

[9]JAMES B D,SPISAK A B,COLELLA W G.Design for manufacturing and assembly cost estimate methodology for transportation fuel cell systems[J].Journal of Manufacturing Science&Engineering,2014,136(2):325-325.

[10]AHLUWALIA R K,WANG X.Fuel cell systems for transportation:status and trends[J].Journal of Power Sources,2008,177(1):167-176.

[11]Belenos Clean Power Holding AG.Fuel cell system comprising an ejector for recirculating off-gas from a stack:EP,2 565 970 A1[P].2013-03-06.

[12]LUNT B S.Passive recirculation device:US,20140045083[P].2014-02-13.

[13]UNO M,SHIMADA T,TANAKA K.Reactant recirculation system utilizing pressure swing for proton exchange membrane fuel cell[J].Journal of Power Sources,2011,196(5):2558-2566.

[14]胡里清，王泽民.用于燃料电池的氢气密闭循环系统：中国，CN101887981A[P].2010-05-13.

[15]HWANG J J.Passive hydrogen recovery schemes using a vacuum ejector in a proton exchange membrane fuel cell system[J].Journal of Power Sources,2014,247:256-263.

[16]CHEN J,SIEGEL J B,STEFANOPOULOU A G,et al.Optimization of purge cycle for dead-ended anode fuel cell operation[J].International Journal of Hydrogen Energy,2013,38(12):5092-5105.

Development and prospect of hydrogen supply system in vehicle PEMFC

NAN Ze-qun1,XU Si-chuan1,ZHANG Dao-biao2,LIU Wen-xi1
(1.Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.SAIC MOTOR Corporation Limited Passenger Vehicle Co.,Ltd.,Shanghai 201804,China)

The pressure-regulating,water-discharging,gas-discharging and humidification of the hydrogen supply system(HSS)has a crucial effect on the performance and life of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC).Through comparing structure and performance of current HSSs,the advantages and disadvantages of different HSSs and the effect on PEMFC system performance were analyzed.The future research and development directions of the HSS in the high-performance PEMFC system were proposed.

PEMFC;HSS;hydrogen-recirculation;ejector

TM 911

A

1002-087 X(2016)08-1726-05

2016-01-22

南泽群(1992—)，男，山西省人，硕士生，主要研究方向为燃料电池系统氢气供应子系统。