燃料电池氢气再循环方案优化

下图为美国重型车用燃料电池的指标。燃料电池的耐久性和效率是制约PEMFC竞争力的关键问题。

其中，氢气再循环（Hydrogen Recirculation）是一个关键的技术。一个好的氢气再循环技术应该满足以下要求：

1)能够为燃料电池提供足够的氢气量

2)满足水管理的要求

3)能够维持要求的工况（如压力、温度、电流……）

4)结构紧凑且节能

氢气管理一般包含高压氢气供应、氢气再循环、脱水器、以及吹扫等内容。本文主要研究氢气再循环、引射器以及吹扫策略。

本文所用模型如下图所示，主要集中在氢气回路的模拟。氢气再循环模拟的有几个关键特征：①多组分，包含H2O、H2、N2；②水蒸气的冷凝；③吹扫的动力学。

下图为阳极压损的校核结果，阳极压损最大偏差 11mbar

下图为N2在不同温度和压力下的渗透流量的校核结果，最大偏差15%。

所用于标定模型的参数有阳极的沿程阻力损失、节流系数、以及N2渗透系数，如下图所示

由于引射器内部流动的复杂性，在系统仿真中一般采用基于map的引射器。SYMBIO采用纯氢气介质进行了测试，下图为性能map。

GT-SUITE将会通过下式将上述map修正到其他介质。

SYMBIO同步进行了CFD计算，所采用的介质为H2/N2/H2O的混合气。用于对比基于map的引射器模型与CFD计算的差异。下图为GT-SUITE和CFD计算结果的对比。其中GT-SUITE通过调整上式的Rx值进行标定，最终Rx = 0.5（也是软件默认值）时与CFD计算结果基本一致。

SYMBIO 设计了3个引射器，通过对比不同负载下的阳极计量比进行评价。如下图所示，随着电流负载的减小，阳极的计量比会达到下限，即怠速。随着电流的增加，阳极计量比先增加后减小，在最大功率附近减小至计量比的下限。

最佳的引射器应该能够具有最大的功率范围，即能够循环更多的氢气。如下表所示，2号引射器是最佳设计方案。

吹扫因子的敏感性分析

所谓吹扫因子（Purge Factor）是指在吹扫过程中浪费的氢气比例。如下图所示，高的吹扫因子将会降低N2浓度，有利于耐久性；但同时增大计量比，不利于能耗。低的吹扫因子将会减小计量比，有利于能耗但降低耐久性。

吹扫因子的优化

如下图所示，优化的原则是：

①中低功率区域，在保证计量比在最优区域的同时，尽可能减小吹扫，以提高经济性。

②在高功率区域，可以适当增大吹扫因子，提高计量比至最优区域。