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独家解析本田Clarity燃料电池汽车双喷射器氢气供给系统

2019-09-14 19:48:52·  来源：燃料电池干货  
　
导读：车用燃料电池系统一般由空气供给系统、氢气供给系统、热管理系统、控制系统和电堆组成。其中，广义上的车用氢气供给系统由氢气加注口(hydrogen filling po
导读：车用燃料电池系统一般由空气供给系统、氢气供给系统、热管理系统、控制系统和电堆组成。其中，广义上的车用氢气供给系统由氢气加注口(hydrogen filling port)、氢瓶、氢气管路、氢气喷射器、引射器、氢出阀、氢进阀和氢循环泵等组成，如下图红色部分所示。狭义上，车用燃料电池系统的氢气供给系统则主要由氢气循环泵(recirculation pump)、氢气喷射器(injector)、引射器(ejector)、氢进阀、氢出阀等组成或部分组成(不作特殊声明，本文指狭义定义)。

本田Clarity燃料电池汽车动力系统原理图

车用燃料电池系统的氢气供给系统功能为将车载供氢系统提供的氢气通过喷射器、引射器和氢气循环泵等调节后以一定压力、流量和湿度进入电堆参与电化学反应。氢气供给系统不仅需要精确提供电堆反应所需特定条件下的氢气，往往还起着提高燃料利用率、改善电堆水管理、增强自增湿性能(取消加湿器)等作用(如丰田Mirai燃料电池汽车实现自增湿性能原因之一为通过氢气循环泵来增加氢气循环使用量)。

本田Clarity燃料电池汽车车载供氢系统原理图

本田Clarity燃料电池系统原理图

为了提高燃料利用率、确保氢安全(氢气溢出在外界环境中引起不安全因素)、改善水管理和提高电堆输出性能，通常对燃料电池堆阳极氢气进行闭端操作。闭端操作有DEA(Dead End Anode)和FTA(Flow Through Anode)两种模式。DEA模式中，通常在电堆阳极出口安装常闭电磁阀。由于阳极出口处于常闭状态，阳极出口氢气量排出较少，阳极压力较高，氢气利用率高。注意该种模式易引起阳极“水淹”(堵塞气体通道，影响反应气传质，性能下降)。FTA模式的总体思路是将没有参与电化学反应的多余氢气再次回送到电堆阳极入口重复使用，同时加湿电堆入口气体，改善气体分布。需要注意，循环过程中，阳极气体中的杂质、阴极空气中的氮气和水分会在阳极端累积，长时间运行易造成阳极反应气分压降低，性能下降，严重甚至引起反极现象。因此，氢气供给系统的设计至关重要。

DEA和FTA对比(该图仅为示例，与Clarity无关)
 
 
本田汽车公司在最新一代Clarity燃料电池汽车中采用了双喷射器氢气供给系统(Hydrogen Supply System with Two Gas Injectors)，该氢气供给系统与2009款燃料电池汽车中采用的由引射器(Ejector)-减压阀(Relief valve)-调节阀(Regulator)组成的氢气供给系统结构相比，体积降低了40%。

 
本田两代氢气供给系统体积对比

本田汽车公司在最新一代燃料电池汽车Clarity和上一代燃料电池汽车的氢气供给系统中均采用了引射器零件。需要注意，在2009款燃料电池汽车上采用了可变喷嘴引射器(Variable nozzle ejector)，而在Clarity燃料电池汽车上取消了隐射器的可变喷嘴功能，转而采用固定喷嘴隐射器。下图为Clarity燃料电池系统的原理图(仅展示氢空系统)。氢瓶中的压缩氢气压力最高可到70Mpa左右，解压至30psi后给燃料电池堆提供阳极的反应气。

本田Clarity燃料电池系统独家原理图(仅展示氢空系统)

本田2009款燃料电池汽车上，电堆入口侧氢气的压力和流量通过隐射器、调节器安全阀(regulator relief valve)实现。Clarity燃料电池汽车转而使用两个喷射器来精确控制压力和流量，实现氢气供给系统体积减少40%。

本田2009款FCX氢气供给系统示意图

本田Clarity氢气供给系统示意图

如下图所示，本田上一代燃料电池汽车氢气供给系统包括泄压阀(decompression valve)、减压阀(调节泄压阀压力用)、两级可变喷嘴(控制氢气再循环用)、电磁阀(可变控制用)。

本田2009款燃料电池汽车氢气供给系统三维示意

Clarity燃料电池汽车氢气供给系统的泄压、压力调整和氢气再循环都是通过喷射器来实现。氢气供给系统没有调节阀、减压阀和可变喷嘴。

本田Clarity燃料电池汽车氢气供给系统三维示意
 
 
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