氢燃料电池供氢回路能效分析

张宏超 高海洋 张启城 刘双喜

（1-中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司 天津 300300 2-中国汽车技术研究中心有限公司）

引言

氢燃料电池是一种把氢气的化学能直接转化为电能的能源转换装置，与传统内燃机相比，氢燃料电池不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，因此具有能量转化效率高，环境友好等传统内燃机车辆不可比拟的优点。在续航方面，氢燃料电池车又不存在现阶段电动车的里程焦虑和充电焦虑，一般只需加氢3 min 左右，续航里程即可达到700 km。由于这些优点，氢燃料电池被普遍认为是未来车辆动力发展的理想方向之一。氢燃料电池系统一般由电堆、氢气供给系统、空气供给系统、增湿系统、水热管理系统、电控系统组成[1-8]。

1 氢气供给系统和氧气供给系统

氢气供给系统和氧气供给系统如图1 和图2 所示，2 系统是氢燃料电池的重要组成部分，对燃料电池的输出功率变化和使用寿命有重要影响。

图1 供氢回路

图2 供氧回路

如图1 所示，氢气储存在高压气罐中后，需要经过手动阀，减压阀和电动调节阀（将输出压力控制在0.2 MPa 左右）和加湿器进入燃料电池电堆。化学反应过后未参加反应的氢气通过气水分离器和氢气循环泵重新循环到氢气供给端来提高氢气的利用率。由于在化学反应过程中，空气中的氮气可以通过质子交换膜，因此供氢回路末端还设有尾气阀来定时排出氮气，防止氮气积累。在氢气罐附近安装氢气流量传感器，监测氢气是否泄漏，在电堆的入口处，装有压力传感器和流量传感器，以检测进入电堆的氢气是否符合电堆正常工作的要求。电化学反应中未反应完的氢气，需要由氢气循环泵再次送入氢气进气道，避免氢气的泄漏和浪费。

如图2 所示，在燃料电池的反应中，除了氢气外，还需要同等压力的空气。空气首先要经过空气滤清器过滤，去除里面的杂质，以免破坏质子交换膜，然后经过空压机升压（升压到0.2 MPa），达到反应气体所需的压力，最后经过焓轮加湿器，加湿后进入电堆。同样在阴极入口处，也要加装气体流量计和压力计，用以检测进入电堆的空气是否满足正常工作要求。

2 供氢系统损失的膨胀功计算

氢燃料电池中氢燃料的存储是通过压缩机将氢气压缩到35～70 MPa，这个过程需要消耗很大的压缩功，然后再在使用过程中再通过节流膨胀的方式，最终通过可控电磁阀将氢气的供给压力降低到0.2 MPa 以供燃料电池堆反应。从能量角度看，这样压缩和膨胀的过程只消耗了能量而未利用起来，产生了膨胀功损失，因此本节对节流阀减压的调节方式进行能量损失分析，计算其能量损失的量并判断是否具有重新利用的价值。由于氢燃料电池车还未实现大规模量产，因此本次计算以已经批量生产的丰田MIRAI 汽车的整车参数来进行计算。MIRAI 的整车基本参数如表1 所示。

表1 MIRAI 氢燃料电池车整车参数

因此可假设条件为供氢加压阀减压前压力为70 MPa，减压后最终压力为0.2 MPa。温度为常温20 ℃（293.15 K）。由于减压阀利用的是节流原理，所以节流前后物质状态参数变化为h1=h2，P1＞P2，v1＜v2，s1＜s2，并且气体的流速基本不变。根据氢气的焦-汤系数可以判断出氢气节流后温度会升高，但由于本次计算的是能量损失，升高的热能基本也会以热能的方式损失在外界环境中，所以此次可以按恒温变化处理。

根据热力学第二定律，有效能损失计算公式为

式中：I 为有效能；m 为流通的氢气介质质量；T0为氢气介质在完全静止状态下的温度；ΔSg为节流前后单位质量介质熵的变化量。

1）压力变化前后单位质量氢气熵的变化量

根据熵的变化量计算公式

式中：P1、P2为节流后压力变化；Rg为气体常数。

对于氢气Rg=8.314/2=4.157 kJ/（kg·K）

2）氢气质量

因为常态下氢气密度为0.089 3 g/L，70 MPa 表压力=681 个大气压力（绝对压力），由T0=T1可得所以m1=681m0=0.089 3×681=60.81 g/L，因此可得氢气的质量为m=122.4×60.81=7 443.144 g=7.443 144 kg。

3）氢气用尽后压力变化的有效能损失

I=7.443 144×293.15×24.351=53 133.795 kJ。由此可得汽车100 km 平均有效能损失为i=I/6.5=8 174.43 kJ。当汽车以60 km/h 车速行驶时，每s 的平均损失功为

由此可见，供氢系统在使用过程中，节流损失的能量是比较可观的。以60 km/h 车速行驶时，每s的平均损失功相当于整车行驶功率的7.9%，增加了整车携有能量的浪费，降低了车辆行驶里程。

3 压缩氢气能量回收的2 种方法分析

对于损失能量的回收，本节给出了2 种能量回收方法的计算，即使用气动机的回收方式和使用涡轮机的回收方式，并对其能量回收率进行了分析。

3.1 气动机回收方式的能效计算

气动机的本质就是利用具有压缩能的压缩气体在气缸内膨胀来推动活塞做功的一种设备，其原理和内燃机类似，但不需要承受燃料燃烧的高温，因此使用普通钢材即可，成本较低，结构上也比内燃机简单，可靠性高。对于气动机的缸数，一般来说，级数较多时，由于级间有吸热的过程，气动机能量转化率就越高。

因为MIRAI 氢燃料电池整车的气瓶容积为V=122.4 L，气瓶储气压力为P0=70 MPa，氢气续航里程为L=650 km，温度为常温T=20 ℃（293.15 K），氢气减压后压力为0.2 MPa，因此可假设气动机排气压力为P2=0.2 MPa，气动机为n 级膨胀，每级落压比均为ε（落压比相等时做功最大），则气动机第一级进气压力为P1=0.2εn，气动机膨胀过程以多变过程进行，多变指数为N=1.25。

多变过程膨胀功计算公式为

式中：Wts为总的膨胀功；m 为氢气的质量；Rg为气体常数。

其中，

所以

在本情况中，由于气动机属于附属设备，考虑空间及成本限制，缸数不宜过多，因此本次以3 级气动机为例进行热力学计算。当气动机为3 级膨胀，即n=3 时，式（5）的函数图为

图3 3 级膨胀的单级落压比与总输出功关系

由函数曲线可得，气动机最佳单级落压比为3.9，此时最大总输出功为20.35 MJ，若按气动机的机械效率90%计算，则膨胀功为2 035 kJ×0.9=1 831.5 kJ，即一罐氢气可降低能耗1 831.5 kJ。经过换算，若将此能量通过电机等来驱动车辆，可提高续航里程约17 km。

3.2 涡轮机回收方式的能效计算

由于氢燃料电池供氢系统温度接近于常温，并不像发动机排气温度较高对涡轮叶片材料有较高的要求，并且供氢管路流量变化较为平稳，因此涡轮机的设计和加装成本不会太高。

利用涡轮机回收氢气的具体方法为首先使管路中的高压氢气流入具有一定角度的喷管中，以此来提升氢气的流速并使其能够平顺地流入到涡轮机的蜗壳，然后使高速氢气流体流经叶轮使其动能转化为机械能。氢气流体在整个过程中状态参数变化如图4 所示。

图4 气流在涡轮机中的参数变化

如图4 所示，高压氢气在流过喷管后，压力从P1 下降到P2，流速从C1 提升到C2，将高压氢气的压力能转化为动能；而在到达叶轮出口时，氢气的流速C3 要远小于C2，意味着氢气在流经喷管后转化成的动能很大程度上传递给了叶轮，从而转化为机械功。涡轮的效率ηT一般表示为

式中：WT为单位气体在涡轮机轴输出的有用功；HT为单位气体所具有的能量。

由于当流体在涡轮导向器最小截面处或者喷管出口处不处于临界或超临界状态时，涡轮的落压比并不是常数，氢气的初终状态参数难以通过计算进行确定，并且涡轮具有一定的低速迟滞性，因此对于涡轮的效率需通过实验的方法进行精确计算。通过查询其他参考文献，现代的涡轮能量转化效率ηT一般可以达到65%[8]。考虑到氢气瓶中的压力变化随着使用气体的减少而逐渐降低并考虑涡轮的迟滞效应，所以能够用来驱动涡轮的压力能在50%左右，因此涡轮能够产生的能量大致为W=53 133.795×65%×0.5=17 268.483 kJ，同样可以作为一个回收方案进行参考。

4 结论与展望

氢燃料电池车在我国目前还处于研发试制阶段，尚未有成熟量产的产品，同时我国也在对氢燃料电池车进行大力的发展。本文以成熟产品MIRAI 为例，对其燃料电池供氢系统进行膨胀功能量损失分析，分析得出整罐氢气的膨胀功损失为53 133.795 kJ，损失功率相当于整车在以60 km/h 行驶时总功率的7.9%，有一定的能量利用空间。然后又给出了2 种能量回收方案，并对其能量回收效果进行分析，为提高氢燃料电池车续航里程开辟了新的思路。