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 2023 提高氫效率KPI


燃料電池系統效率,

沒有最高只有更高。


技術專題|提高氫效率KPI,如何在燃料電池系統上做文章?


這一年,氫燃料電池行業的技術似乎看不到盡頭,自新源動力在行業首推160千瓦燃料電池系統以來,2023年,業內已然開啟了幾輪頗具高功效的產品戰。撥開真假難分的系統效率數字,真正回歸到產品本質,燃料電池系統全工況引射器的技術是氫利用效率的重要“KPI”之一。之所以這么說,是因為質子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極氫氣供給對于燃料電池系統的正常運行至關重要。PEMFC陽極氫氣通常以過量供氫方式供氫,因此存在殘余氫氣排出,將這部分氫氣回收,一方面可以提高燃料利用率,另一方面對電堆性能有極大改善,同時降低系統安全性隱患。


陽極回流

技術路線

2023 提高氫效率KPI


01

目前陽極回流主流技術路線為在陽極出口使用氫氣回流泵,或者使用氫氣回流泵與引射器及其相結合的方式。


回流泵工作原理:

回流泵類型主要分為羅茨泵、旋渦泵、爪泵等,爪泵通過吸入陽極出口氫氣,兩個相互作用的爪片形成一個容積變化的空間,當爪片旋轉時,在泵體內形成密閉空間,當容積變小時,氣體壓縮,容積變大時,氣體排除泵體,增壓后的氫氣進入陽極入口。


引射器的工作原理:

引射器為文丘里管結構,通過在減縮式噴嘴處,在吸入區形成低壓區,以此來卷吸 PEMFC 陽極出口未消耗完的潮濕的氫氣, 經混合室充分混合和擴散室減速增壓后輸送到燃料電池陽極入口。


回流泵加引射器工作原理:

根據各自工作原理及工作特點,結合燃料電池具體使用工況,在低電密運行使用引射器,中高電密運行使用回流泵加引射器。


PART/1

 技術路線工作方式 

單獨使用氫氣回流泵

技術專題|提高氫效率KPI,如何在燃料電池系統上做文章?

優勢:控制相對容易,系統結構相對簡單;

弊端:一方面,在低載工況下,與引射器相比,二者電堆性能差別不大,另一方面,全工況下,增加寄生功率。


使用單引射器

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優勢:系統成本較低,單引射器外形尺寸較小,系統布局相對容易;

弊端:引射范圍較小,無法兼顧全工況條件使用。


引射器與氫回流泵相結合方式,該方式分為并聯和串聯。并聯的工作原理為:

技術專題|提高氫效率KPI,如何在燃料電池系統上做文章?

優勢:在低載工況下使用引射器,高載工況下使用氫回流泵和引射器,滿足全工況使用;

弊端:一方面增加寄生功率,降低系統效率,另一方面增加系統成本及結構復雜性。


引射器與氫回流泵相結合方式,串聯的工作原理為:

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優勢:增加引射量范圍,滿足更大運行工況;

弊端:一方面增加寄生功率,降低系統效率,另一方面增加系統復雜性,實際運行中,并未達到預計效果。


回流技術

測試應用

2023 提高氫效率KPI


02

在陽極供氫回路中,通過增加測試采集點,并搭載電堆進行實際測試,測試流程圖如下圖,根據電堆各個工況需求,調節兩個引射器引射量、回流泵轉數及其他零部件參數,使系統性能達到最優,同時對上述技術路線進行對比分析,雙引射技術性能優于引射器與回流泵結合方式及回流泵方式,優于單引射方式(注:由于單引射引射范圍小,單引射不適用。)。


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技術路線對比

2023 提高氫效率KPI


03

新源動力HYSYS系統采用雙引射器技術路線,滿足全工況條件使用,其優勢:

1、全工況降低氫回流寄生功率。回流泵為電器元件,需要從電堆產生電能為其供電,進而產生寄生功率,隨著負載功率增大,寄生功率也隨之增大,去掉回流泵可降低寄生功率,提高系統輸出功率,與其他兩種方式相比,雙引射在高電密工況時可降低功耗,燃料電池性能更優異,如下圖所示。

技術專題|提高氫效率KPI,如何在燃料電池系統上做文章?

圖↑:全工況條件下,雙引射、引射器加回流泵、回流泵,系統輸出功率及效率對比。


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圖↑:全工況條件下,雙引射、引射器加回流泵、回流泵,單體電壓及單體偏差對比。


技術專題|提高氫效率KPI,如何在燃料電池系統上做文章?

圖↑:全工況條件下,雙引射、引射器加回流泵、回流泵,氫-空壓差對比

2、系統集成度高。與回流泵及回流泵加引射器方案相比,雙引射器結構更加緊湊,外圍最大尺寸220×97×97mm,便于系統集成;


技術專題|提高氫效率KPI,如何在燃料電池系統上做文章?


3、精準控制。在不同工況條件下,氫氣的回流量是不同的,可根據當前電堆需求,實時提供所需回流量,低載運行時,主閥工作,高載運行時,輔閥加以輔助,以提升電堆性能,在全工況下,單體平均電壓基本相同,在高電密下,雙引射器單體偏差更小,性能更優;


技術專題|提高氫效率KPI,如何在燃料電池系統上做文章?


4、研發及維護成本較低。目前氫回流泵單臺造價近萬元,且回流泵需匹配控制器使用,部分廠商將控制器集成在DCDC內部,增加研發成本,若使用回流泵加引射器方案,系統成本將更高。同時,考慮泵頭及電機壽命,將增加后續維護成本;


5、噪音更小。與回流泵相比,引射器為文丘里管結構,在工作中幾乎不會產生噪音,而回流泵為旋渦泵,運行時機械件摩擦產生的噪音較大。



綜上所述,新源動力氫燃料電池系統采用此引射器方案,可將產品的系統功耗降低2%,進而提升氫利用效率。同時,兼顧系統穩定性、可靠性,最大程度降低系統研發成本和維護成本。未來,新源動力將繼續通過聯合開展燃料電池系統綜合研發,探索燃料電池綠色能源在市場應用、示范領域的最佳方案,使產品具有更強的市場競爭力。


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作者 808, ab

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