质子交换膜燃料电池阳极排放研究进展

2023-05-24陈奔,刘阳

江苏大学学报(自然科学版) 2023年3期

陈奔, 刘阳

(武汉理工大学汽车工程学院, 湖北武汉 430070)

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是一种以氢气和氧气为燃料的能源转换装置,它将燃料中的化学能直接转换为电能,具有零污染、高效率、噪声小和易于模块化等优点[1].

PEMFC系统包括电堆、氢气供给子系统、空气供给子系统和热管理子系统等部分.电堆是发生电化学反应和进行能量转换的场所;空气供给子系统为PEMFC提供流量合适、压力足够的湿空气;热管理子系统将电池温度控制在合适范围内;氢气供给子系统为PEMFC阳极供给燃料和排出阳极尾气.不同类型的氢气供应子系统在结构和功能上有差异,这种差异主要表现为阳极工作模式的不同.常见的阳极工作模式有开口(流通)模式、闭口模式和再循环模式.阳极开口模式是指氢气连续流过阳极,未反应的过量氢气从电堆直接排出;阳极闭口模式是指电堆阳极出口封闭;再循环模式是指阳极出口未反应的氢气被循环至阳极进气管路.不同阳极工作模式下的阳极排放方式也有所不同.

质子交换膜的膜内水传输主要有3种形式:扩散作用、电拖曳作用和水力渗透.电池工作时阴极的水浓度远高于阳极,此时扩散作用占主导地位,水不断通过膜从阴极向阳极扩散,并在毛细压力的作用下流向阳极流道.液态水的出现会严重阻碍氢气与催化剂的接触,造成电化学反应的有效活性面积减少.质子交换膜多孔且薄,允许氮气透过膜从阴极向阳极渗透,这种现象称为氮渗透,氮渗透会造成阳极氢气浓度降低.水扩散和氮渗透不仅会导致电池性能的下降,还会造成催化剂活性表面积损失、离聚物溶解、腐蚀、污染以及膜电极和气体扩散层的形态损伤,电池发生不可逆转的衰退.

为了尽量减小水扩散和氮渗透对电池造成的不良影响,有必要对PEMFC阳极进行排放来除去阳极积聚的液态水和氮气.阳极排放方式不仅决定着排放效果,影响着电池的性能和寿命,同时还关乎PEMFC的氢气利用率,影响着PEMFC的效率.笔者主要对现有阳极工作模式下的PEMFC阳极排放研究进行总结和分析.

1 阳极开口模式

在早期的研究中,开口模式是最常见的PEMFC阳极工作模式.这种模式下的氢气供给子系统结构简单,高压氢气流过流量控制器和减压阀后,流量和压力被调节至合适范围内,随后进入电堆阳极,尾气经背压阀排入环境中,如图1所示.

图1 阳极开口模式示意图

PEMFC阳极处于开口模式时,阳极尾气直接排出,从阴极扩散至阳极的水和渗透至阳极的氮气被氢气流带出电堆,能有效避免阳极侧出现局部缺气.M.RAHIMI-ESBO等[2]对比了稳态下阳极开口模式和闭口模式测得的极化曲线,发现阳极开口模式时PEMFC性能更好.HUNG C.Y.等[3]发现在阳极开口模式下电池的局部电流密度分布均匀.在这种排放方式下,阳极氢气浓度保持在较高水平,阳极液态水含量较小,PEMFC的性能表现良好.

即使阳极开口模式下部分液态水随着尾气排出,PEMFC在高电流密度下长时间运行时阳极也会出现“水淹”现象,造成电池性能下降.增加阳极进气化学计量比可以提高阳极排放流量,从而进一步改善阳极的水管理.M.HOSSEINI等[4]通过数值模拟发现将氢气的化学计量比从1.5增大到2.0和从2.0增大到2.3,燃料电池的输出功率将分别提高1.68%和0.53%.此外,增强阳极液态水蒸发也能改善阳极开口PEMFC阳极的水管理.ZHANG S.Z.等[5]提出了一种阳极水蒸气凝结的新方法,将冷凝器设置在阳极出口,加速阳极液态水的蒸发,降低“水淹”的风险.该方法能改善高电流密度下PEMFC的性能.

阳极开口模式下尾气的直接排放导致氢气的严重浪费,PEMFC的燃料利用率低,同时大量未反应氢气流入环境中会有很大的安全隐患.M.G.ESKIN等[6]提出了一种新型阳极排放方式——blee-ding模式,如图2所示.阳极bleeding模式是指PEMFC阳极出口增加流量控制装置,使阳极出口保持一定流量持续排气,bleeding模式时的排气流量远远小于传统阳极开口模式时的排气流量.

图2 阳极bleeding模式示意图

M.G.ESKIN等[6]通过试验研究发现在blee-ding模式下,活性面积为25.00、8.17 cm2的单电池分别在50、35 μL/min的排气速率下可以维持稳定的电压,氢气利用率分别为99.88%和99.74%.电池在低电流高电位条件工作时,以超低流速进行阳极排气,电池的电化学活性面积没有出现明显的衰减.O.B.RIZYANDI等[7]发现即使采用氢气利用率99.80%以上的bleeding模式进行阳极排放,也可以实现电池稳定运行,且没有明显的碳腐蚀和电池电压下降.由于排气流量的减小,阳极bleeding模式提高了系统的氢气利用率,同时只要排气流量设置合理,气流可以及时带走阳极的液态水和杂质,避免阳极出现“水淹”和氮积聚,缓解电池性能衰退.此外,H.NISHIKAWA等[8]将级联阳极设计应用在阳极开口PEMFC系统中.级联阳极是指电堆阳极被分成几段,上一段的尾气经过处理后进入下一段,实现氢气的再利用,整个PEMFC系统的氢气利用率显著提高,如图3所示.H.NISHIKAWA等[8]将5 kW的电堆阳极分成2段,系统的氢气利用率达到了96.00%.

图3 级联阳极PEMFC示意图

阳极开口模式下PEMFC阳极尾气的直接排放使电池具有良好性能,但其燃料利用率低的缺点较突出.而bleeding模式和级联设计能有效提高系统的燃料利用率,但并不适用于现有的PEMFC系统.

2 阳极闭口模式

2.1 阳极闭口PEMFC的特点

阳极闭口模式能在不增加氢气供给子系统复杂程度的前提下有效提高PEMFC的燃料利用率,如图4所示.阳极闭口PEMFC的阳极出口安装有常闭电磁阀,PEMFC闭口运行期间,电磁阀关闭,入口以一定压力进行供气,氢气利用率达到100%.

图4 阳极闭口模式示意图

由于阳极出口封闭,水扩散和氮渗透现象带来的水和氮气会一直在阳极积累,长期运行后阳极有“水淹”以及氮气浓度过高的风险,最终导致阳极出现严重缺气.S.ABBOUS等[9]监测了带参比电极的分段阳极闭口PEMFC的局部电势和电流密度,结果表明水扩散和氮渗透是造成缺气的关键原因.液态水和氮气积聚造成的缺气不仅会导致电池性能下降,还会导致催化剂载体碳的腐蚀,是造成电池性能衰退的主要原因之一.碳腐蚀导致催化剂烧结及电化学表面积的减小,甚至导致电极多孔结构的解体.

为了对阳极闭口PEMFC的特点有进一步的了解,研究人员致力于阳极闭口PEMFC水气分布的研究.J.B.SIEGEL等[10]利用中子成像技术确定了液态水的大致位置,发现随着液态水的出现和累积,电池电压显著下降,并将气相色谱仪与数学模型相结合以研究阳极闭口PEMFC的氮气分布.Q.MEYER等[11]利用重建阻抗技术,研究发现由于水管理恶化和氮气的积聚造成了传质损失增加,电池性能不断下降.HU Z.等[12]使用质谱仪在线测量阳极闭口PEMFC阳极出口处氮气浓度,发现随着电流密度增大,氮气积累速率增大.此外,使用透明材料来制作燃料电池也可以对阳极液态水进行可视化,来直观地监测液态水的运输、聚集和分布.上述研究均是通过试验方法研究阳极闭口PEMFC的水气分布,也可以采用数值模拟的方法.PENG Y.P.等[13]建立了阳极闭口PEMFC的三维瞬态传热传质模型,结果表明阳极缺气和电池性能衰退与阳极流道中水的积聚和氮浓度的增加有关.H.MAHYARI等[14]发现水和氮的积聚速率与电流密切相关.

上述文献主要研究了阳极闭口PEMFC运行期间阳极侧物质组分变化及分布,发现电池性能的下降与水扩散和氮渗透存在直接联系.因此可以采取一定的排放措施来减少阳极侧的液态水和氮气,以恢复电池性能或减缓电池性能下降速度.

2.2 阳极吹扫排放

对阳极闭口PEMFC进行阳极吹扫排放能恢复电池的性能和减少电池的不可逆衰退.吹扫是指阳极出口的电磁阀打开,阳极流道与环境之间存在的压差使气体快速排出,流道内积聚的液态水和氮气被气流带出流道.从电磁阀打开到关闭这段时间为吹扫持续时间,电磁阀关闭电池闭口运行这段时间为吹扫间隔,吹扫持续时间与吹扫间隔之和为1个吹扫周期.

吹扫持续时间过短会导致液态水和氮气不能完全排尽,电池性能不能恢复到最佳状态;吹扫持续时间过长或吹扫间隔过短会导致氢气损失增加,达不到提高燃料利用率的目的;吹扫间隔过长会加剧局部缺气现象的发生,加速电池的衰退.因此阳极闭口PEMFC吹扫策略的制定尤为重要,良好的吹扫策略能够在保证电池良好性能输出的情况下,也能维持较高的电池效率,达到平衡两者的目的,值得进行深入的研究.

在制定最佳吹扫策略时应该考虑到PEMFC的工作条件.K.NIKIFOROW等[15]研究了不同进气湿度下的最佳吹扫策略,发现当湿度较大时,吹扫间隔应该更短.R.OMRANI等[16]通过试验研究了工作温度对最佳吹扫间隔的影响,发现在较低的操作温度下,需要通过更频繁地吹扫来去除液态水.CHEN B.等[17]也研究过不同运行条件下阳极闭口PEMFC吹扫过程中的性能下降和恢复的特性,结果表明增加电流密度、阴极相对湿度和工作温度可以缩短电压恢复时间,增加吹扫持续时间和阳极压力会延长电压恢复时间.LIN Y.F.等[18]发现吹扫持续时间应随着电流密度的增加而减少,这和A.GOMEZ等[19]的结论一致.A.GOMEZ等[19]评估了吹扫策略对运行在欧洲驾驶循环工况下的阳极闭口PEMFC的影响,发现高电流密度下较短的吹扫持续时间可以避免电池性能下降.

在优化吹扫策略时,提高电池性能和提高燃料利用率往往不可兼得,不同文献中吹扫策略优化的侧重点不同.JIAN Q.F.等[20]提出了一种吹扫策略优化方法,在考虑输出电压稳定性的基础上选择氢气利用率最高的策略,确定了所研究的阳极闭口电堆的最佳吹扫间隔和吹扫时间分别为14.86、0.44 s.HUNG C.Y.等[3]监测阳极闭口PEMFC流道末端的局部电流密度与电池整体电流密度的比值,比值小于阈值时触发吹扫;当阈值为0.8时,电池可以稳定运行;当阈值为0.6时,电池电压下降到0.4 V以下.

上述文献优化吹扫策略是从提高电池性能的角度入手,还有研究侧重于提高燃料的利用率.I.DASHTI等[21]开发了一个数学模型,该模型考虑了氮渗透和水扩散,并引入“总浪费能量”的概念,确定了最佳吹扫持续时间和吹扫间隔分别为25 ms和260 s.LIU Z.Y.等[22]提出了一种通用的阳极吹扫策略,根据实时监测得到的阳极氮浓度数据来确定吹扫间隔,通过数值模拟分析确定吹扫持续时间.最后分别在未使用过和老化后的商用PEMFC上验证了所提出的阳极吹扫策略的有效性和可靠性.试验结果表明,所提出的阳极吹扫策略将PEMFC系统的氢气利用率提高到99%,并大大延长了吹扫间隔.F.MIGLIARDINI等[23]优化了额定功率6 kW的阳极闭口PEMFC的吹扫策略,使系统的氢气利用率达到92%.A.RANNANI等[24]所提出的吹扫策略能够将PEMFC的氢气利用率提高到97%,并将阳极流道的氮气体积分数控制在1%以下.HU Z.等[12]利用快速数据采集技术和先进的观测工具研究了不同吹扫策略对系统效率的影响,并制定了能够提高系统氢气利用率的最佳吹扫策略.

还有部分研究利用数学方法对吹扫策略进行优化.PAN T.Y.等[25]提出了一种改进的迭代学习控制方案,该方案可以通过学习以前的动作来反复优化吹扫策略.A.P.SASMITO等[26]利用最小二乘法确定了1.5 kW电堆的最佳吹扫周期为3 min,吹扫持续时间为4 s.

虽然吹扫可以恢复电池的性能,但频繁的吹扫会对电池造成损伤.WU B.等[27]发现在进行阳极吹扫时,膜上产生的机械应变可能导致针孔和裂纹的形成,引起气体渗透导致电压骤降.CHEN B.等[28]通过试验研究发现经过1 000次吹扫循环后,膜电极组件表面产生裂纹,特别是在50 kPa下运行的膜电极组件.由于机械应力不均匀,膜边缘产生的裂纹比中心区域多.此外,还在吹扫过程中观察到膜电极组件出现了严重的碳腐蚀.1 000次吹扫循环后,Nafion 211膜比Nafion XL膜和Nafion 115膜降解得更少,但是Nafion 211的机械性能不太好,膜上出现了针孔并导致电池电压显著下降.

2.3 新型阳极闭口PEMFC排放方式

除了阳极吹扫排放这种最常见的排放方式,阳极变压供气、双向供气等新型排放方式也被用于缓解阳极闭口PEMFC性能的下降和衰退.

YANG Y.P.等[29]通过定时关闭和开启阳极进气电磁阀使阳极压力产生波动,在阳极通道中产生的振荡流能减少水和氮的局部积聚,这种策略被称为阳极变压供气.他发现变压供气可以显著缓解电池性能下降,减轻膜的降解.

由于在电压曲线中观察到尖峰,针对这种现象又提出了一种解决方案,即增加1个阳极出口槽,如图5所示.出口槽不仅可以储存液态水和氮气,还能增强氢气的回流,有效降低电压尖峰.他还发现压力波动幅度存在1个阈值,试验所用燃料电池的阈值约为5 kPa.

图5 增加出口槽的阳极变压供气模式示意图

ZHAO J.等[30]提出了双向供气模式来改善阳极闭口PEMFC的水管理,如图6所示.通过可视化技术发现双向供气模式能够增强液滴的运动并抑制水蒸气凝结,下游流道堵塞的可能性显著降低.

图6 阳极双向供气模式示意图

HUANG Z.P.等[31]提出了冷凝循环模式,以减少阳极室中液态水的积聚,有效缓解“水淹”引起的电压衰减,提高输出稳定性.上述缓解策略多是改善阳极闭口PEMFC的局部缺气,提高闭口运行的时间,但未彻底解决“水淹”和氮积聚现象,可以作为一种辅助手段与阳极吹扫相结合.有研究发现级联阳极设计能增强阳极闭口PEMFC排放,这种设计使每段电池阳极出口都保持较高的气体流速,有利于阳极流道氮气和液态水的排出.HAN I.S.等[32]发现级联阳极闭口PEMFC输出电压的波动比传统燃料电池低得多.E.ALIZADEH等[33]发现级联阳极闭口PEMFC与阳极开口PEMFC性能相当.

阳极闭口PEMFC具有结构简单、燃料利用率高的优点,但运行期间液态水和氮气的积聚会导致电池性能下降,加速电池衰退.阳极吹扫排放能有效缓解这种缺陷,在制定吹扫策略时应该兼顾燃料利用率和电池性能.此外,新型阳极闭口PEMFC排放方式也值得深入研究.

3 阳极再循环模式

采用阳极再循环模式时,PEMFC阳极供给过量的氢气,含有大量氢气的尾气经过处理后被循环至阳极入口重新利用.采用氢气再循环模式的PEMFC兼具阳极开口模式高性能和阳极闭口模式高燃料利用率的特点.阳极再循环分为主动循环和被动循环.主动循环消耗系统能量来实现氢气再循环,主要有机械循环泵方案和电化学氢泵方案;被动再循环无需消耗系统能量,主要有引射器方案.目前燃料电池汽车的氢气系统多基于氢气再循环,市面上主流燃料电池汽车的氢气循环方案如表1所示.

表1 主流燃料电池汽车的氢气循环方案

3.1 机械循环泵方案

机械循环泵方案是指阳极出口的低压尾气被机械循环泵加压后进入阳极进气歧管,实现氢气循环再利用.

3.1.1基于机械循环泵的阳极再循环模式

机械循环泵具有易于控制、工作范围广的优点,但由于存在高速旋转的运动部件,机械循环泵会给PEMFC系统带来额外的振动和噪声.同时由于运动部件的磨损、循环泵的效率和气密性等会随着工作时间的增加而恶化.通过调整机械循环泵的转速可以控制循环泵出口的流量和压力,以匹配PEMFC系统的工况,其基本原理如图7所示.

得益于氢气的循环再利用,基于机械循环泵方案的PEMFC系统的效率很高.J.J.HWANG[34]对比了阳极再循环模式和闭口模式下电堆和系统的效率,研究发现:当电堆功率小于1.2 kW时,两种模式的电堆效率和系统效率均差距不大;当电堆功率大于1.2 kW时,采用再循环模式时的电堆效率和系统效率均高于阳极闭口模式,基于机械循环泵循环方案的PEMFC系统效率最高可以达到40%,而闭口模式下的系统效率最高只能达到35%.P.KOSKI等[35]利用单电池进行氢气再循环试验,发现系统的氢气利用率高达98%～99%,不仅系统效率有所提高,PEMFC的性能也得到了改善.WANG B.W.等[36]通过数值模拟研究发现阳极再循环和阳极闭口模式都具有自增湿效果,但与阳极闭口模式相比,阳极再循环模式具有电流密度分布更均匀和性能下降更缓慢的优点.

3.1.2基于机械循环泵方案的阳极排放

水扩散和氮渗透导致阳极的湿度和氮气浓度不断增加,在电堆阳极出口增加水汽分离器可以降低尾气的湿度,但氮气会一直参与循环,随着系统运行时间的增加,过高的氮气浓度会导致电池性能下降.因此采用机械循环泵方案的氢气供应子系统也需要进行阳极吹扫,以除去积聚的氮气和可能存在的液态水.F.MIGLIARDINI等[23]在安装有隔膜式氢气循环泵的电堆上进行了试验,认为有必要对氢气再循环系统进行吹扫排放.WANG B.W.等[37]分别分析了基于电压降和基于氮气浓度的两种吹扫策略,认为对氮气浓度进行实时测量很困难,基于电压降的吹扫策略更适合实际应用,当排放率为3%时,建立的PEMFC系统模型达到最佳效率.SHEN K.Y.等[38]在Matlab/Simulink环境下开发了氢气再循环系统的仿真模型,发现吹扫周期为10 s、吹扫持续时间为0.3 s时,PEMFC的性能和氢气利用率都优于其他吹扫策略.LEE H.Y.等[39]提出了一种新的再循环模式,如图8所示,该模式具有闭口、再循环、压缩和吹扫4个阶段.采用这种气体管理策略,再循环运行的持续时间增加了6.5倍.

图8 阳极再循环模式

阳极吹扫时PEMFC阳极侧的氢气压力会骤降,导致电池电压的瞬时波动,造成阴阳极压力差增大,质子交换膜出现变形,甚至破裂.为了减小吹扫带来的阳极压力波动,需要对吹扫排放过程进行合理有效控制.目前具有吹扫排放功能的氢气再循环系统的控制多采用自动控制,控制方法主要基于比例积分微分(PID)控制.SHEN K.Y.等[38]以PEMFC系统动态模型为基础开发了一个PID控制器来控制氢气循环泵和吹扫阀,以维持供气歧管的压力和阳极氢气浓度.ZHANG Q.G.等[40]建立了一个考虑氮渗透和水扩散的PEMFC系统模型,将前馈控制与比例积分(PI)控制结合起来,通过控制阳极再循环率和尾排阀开度来调节阳极入口处的相对湿度和压力.

除了阳极吹扫排放,还有一些研究采用连续排气的方式进行阳极排放,如图9所示.P.KOSKI等[35]通过试验对比了吹扫和连续排气两种排放方式,发现PEMFC的电流恒定时,连续排气模式更适合维持电池性能稳定.M.STEINBERGER等[41]在电堆阳极出口安装氢气浓度传感器,根据尾气中氢气浓度来实时控制连续排气的流量.并与传统阳极吹扫进行对比,结果表明:当使用氢气体积分数低于98%的混合气作为阳极反应气时,连续排气模式比传统吹扫效果更好,电堆性能和效率得到了改善.

图9 连续排气模式的阳极再循环系统示意图

3.2 电化学氢泵方案

电化学氢泵与PEMFC在结构上非常相似,它通过消耗电能来提纯和增压氢气,如图10所示,其中:p1为增压前气体的压力;p2为增压后气体的压力.氢气在电化学氢泵阳极侧被氧化成质子,质子透过质子交换膜到达阴极侧,在阴极侧质子和电子重组为氢气.因此有研究人员将电化学氢泵作为实现氢气再循环的装置.基于电化学氢泵循环方案的PEMFC系统具有较好的性能、稳定性和较高的效率,如图11所示.F.BARBIR等[42]评估了电化学氢泵在PEMFC系统中的应用效果.虽然电化学氢泵给PEMFC系统造成了电压损失,但使电池本身的性能和稳定性更佳.S.TOGHYANI等[43]通过数值模拟发现在任何工况下,电化学氢泵方案的系统效率都高于机械循环泵方案;在低电流密度下,电化学氢泵方案的系统效率接近引射器方案.

图10 电化学氢泵的工作原理图

图11 基于电化学氢泵的阳极再循环系统示意图

质子交换膜只允许质子(氢离子)穿过,电化学氢泵阴极重组的氢气纯度很高,采用电化学氢泵方案的氢气再循环系统可减少吹扫排放频率,提高系统燃料利用率.WANG B.W.等[37]发现用电化学氢泵代替机械循环泵后,吹扫排放的电能损失从559 W·h减少到27 W·h,这意味着电能损失减少了95%,燃料电池汽车的效率可从37%提高到39%.

3.3 引射器方案

引射器是一种理想的氢气再循环装置,它利用高压氢气的势能实现阳极尾气的被动再循环,如图12所示.高压氢气(一次流)进入引射器后,势能转换为动能,在吸入室内形成低压区,将电堆排出的未反应氢气(二次流)吸入,实现氢气再循环,一次流与二次流在混合室混合后进入扩压管,最后进入电堆阳极.

图12 引射器的结构示意图

与主动循环方案相比,基于引射器的被动循环方案具有可靠性高、无寄生功率和维护成本低等优点,如图13所示.KUO J.K.等[44]通过Comsol与Simulink的联合仿真发现引射器方案比机械循环泵方案供氢的稳定性更好,同时还提高了系统的氢气利用率.S.TOGHYANI等[45]将引射器方案、机械循环泵方案和电化学氢泵方案进行对比研究,发现引射器方案的系统效率较高,在电流密度为0.6 A·cm-2时,基于机械循环泵、电化学泵和引射器的系统效率分别为32.92%、33.19%和33.35%.

图13 基于引射器的阳极再循环系统示意图

由于尾气中氮气和部分水汽也会参与再循环,和机械循环泵方案一样,基于引射器的氢气再循环系统也需要进行吹扫,但这方面的研究很少,且多侧重于吹扫过程中的系统控制.YE X.C.等[46]通过模糊控制来调节共轨喷射器的脉冲宽度以减小吹扫排放过程中的阳极压力波动.YUAN H.等[47]提出了一种基于模糊逻辑的比例积分(PI)控制器,控制对象为调节一次流流量的比例阀,发现模糊逻辑PI控制显著改善吹扫过程中氢气压力的动态响应.为了进一步减少吹扫排放带来的压力波动,还将吹扫作为前馈补偿加入模糊逻辑PI控制中.

引射器的工作范围受到工作条件和自身形状尺寸的制约,往往不能完全满足PEMFC系统的工况需求.HWANG J.J.[48]通过将连续流模式和脉冲流模式结合起来扩大引射器的工作范围,如图14所示.瞬态结果表明,在1.45 kW的恒定负载下,阳极进气化学计量比可以稳定在1.4～1.6的范围内,引射器的引射比为40%～50%.

图14 连续流模式和脉冲流模式示意图

D.A.BRUNNER等[49]开发了一种主喷嘴尺寸可变的引射器,扩大了引射器的工作范围.D.JENSSEN等[50]在其基础上进行了进一步研究,将这种引射器应用在级联阳极PEMFC系统上,系统在低功率输出时也表现出良好的氢气再循环效果.此外,还有一些研究通过扩大一次流的流量范围来扩大引射器工作范围.XUE H.Y.等[51]提出了一种多喷嘴引射器,切换喷嘴即可扩大引射器的工作范围.K.NIKIFOROW等[52]设计了一种基于3个电磁阀的一次流流量控制方案,测试结果表明该引射器可以在较宽的PEMFC负载范围内获得足够高的氢气再循环率.

基于引射器的被动循环方案在系统效率、可靠性、成本等方面都优于主动循环方案,但工作范围较窄是引射器方案亟须解决的问题.相较于其他两种工作模式,阳极再循环模式下进行阳极排放更为复杂,目前的排放方式多以阳极吹扫排放为主,部分研究也采用连续排气方式.