燃料电池发动机氢气循环关键组件详解

氢气循环系统的作用是将电堆未反应的氢气再次循环到电堆的氢气入口,从而提升氢气的利用率及涉氢安全。同时,将电堆内部电化学反应生成的水也循环至燃料电池堆的入口,提升电堆的水润程度。

燃料电池堆

现阶段,常见的氢气循环装置分为主动循环和被动循环两种形式,其中,主动循环形式的关键部件是氢气循环泵,被动循环形式的关键部件是氢气引射器。

氢气循环泵

氢气循环泵方案

丰田Mirai采用的就是此类方案,与氢气引射器相比,氢气循环泵可进行主动调节、响应速度快、工作范围广。

Miria氢气循环泵位置示意

氢气循环泵示意图

由于氢气循环泵的主动循环形式,使其能够覆盖燃料电池发动机较广的功率范围,氢气循环效果较好。但由于其结构的复杂性导致其开发时技术难题也随之而来,如减振降噪、低温环境适应性等问题。

氢气引射器

氢气引射器

简单来说,氢气引射器共有三个进、出气口,即高压进气口、中压出气口和低压吸气口。

氢气引射器结构图

根据伯努利定理:在水流或气流里,如果速度小,压强就大,如果速度大,压强就小。氢气引射器就是很好地运用了这一定理,高压氢气源经A口进入引射器,在(2)位置高速喷出,使得(3)腔体内的压力较低,进而吸入电堆中未反应完的氢气,高压气源的氢气和未反应的氢气经混合后再喷入电堆。

引射器中氢气流速与压力的对应关系

与氢气循环泵相比,氢气引射器没有运动部件,是个“死物”,节省能耗,无需额外润滑,振动噪音较小,更加容易开发,也更易于维护。

但氢气引射器的先天缺陷也同样明显,由于氢气引射器是被动吸气循环,一般而言,氢气引射器在进行开发时仅针对燃料电池发动机的额定工作点进行设计,而难以覆盖燃料电池的全部工况需求。导致的结果就是,当燃料电池发动机在较低功率下运行时,引射器的引射效果较差,为弥补该缺陷,国内外均在探索增加移动部件的引射器结构,或与氢气循环泵并联使用。

 

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