三分钟看懂燃料电池(一) ——氢气子系统
（以下内容从国金证券《三分钟看懂燃料电池(一) ——氢气子系统》研报附件原文摘录）
三分钟看懂燃料电池（一） ——氢气子系统 前言：国金燃料电池团队推出《三分钟看懂燃料电池》系列文章，详细的解读燃料电池各项技术的发展现状与未来趋势，希望读者可以建立起对燃料电池技术的系统性理解。 丰田的燃料电池系统 一、燃料电池系统 质子交换膜燃料电池以氢气作为燃料，质子交换膜作为电解质，通过电化学反应将氢气中的化学能转化为电能，本质上是电解水的逆反应。典型的燃料电池系统包括氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统、燃料电池电堆和控制子系统。 燃料电池原理 二、燃料电池氢气供应子系统 今天我们先来讲一下氢气供应子系统。 氢气供应子系统（下图红色虚线内）的作用是为电堆提供适当温度、压力和流量的氢气，主要零部件包括高压储氢瓶、氢气控制装置（电控喷氢阀或者比例阀）、氢气循环装置（循环泵或引射器）以及各类管路和阀门。 燃料电池氢气供应子系统 氢气供应子系统根据氢气流通方式的不同可以分为三类。 01 流通模式 第一类是流通模式，模型由氢气控制装置（比例阀）、电堆、排气阀构成，优点是结构简单、成本低，但因为氢气会直接排出燃料电池系统，因此氢气利用率低。 流通模式示意图 02 死端模式 第二类是死端模式，模型由氢气控制装置、电堆、封闭阀门组成，优点是由于气体出口被封住，因此氢气会在电堆中停留更长时间，从而提高氢气利用率，但因为出口端封死，无法排除累积的水和氮气，容易造成水淹及氮气累积的问题。 死端模式 来源：Power-generation characteristics of hydrogen fuel cell with dead-end system 03 循环模式 第三类是循环模式，也是使用最广泛的模式。一般采用带有引射器和循环泵的结构完成氢气的循环功能。氢气的循环供应有以下四方面的优点：1）提高氢气利用率；2）改善电堆内部氢气浓度的分布；3）排出电堆内部的富集水和杂质气体；4）可利用氢气循环对阴阳两极气体进行加湿。 循环模式（循环泵循环） 来源：《基于观测器的燃料电池氢气供给控制》 三、常见的氢气循环模式布置方案 按照循环泵和引射器的使用数量不同，循环模式可以分为五种类型。见下表： 常见氢气循环模式 01 无泵模式 无泵系统采用止回阀控制氢气的循环流量，当氢气循环回路压力高于氢气进气回路压力时，压差迫使阀瓣打开并使氢气得以循环流动。此种模式结构简单且无寄生功率（驱动循环泵运行的必要功率），但对设备要求高。 无泵模式 来源：《车用 PEMFC 系统氢气供应系统发展现状及展望》 02 循环泵模式 循环泵模式在进气管路和出气管路之间添加了循环泵，可以将未反应完全的氢气重新吸回进气管路，提高氢气的利用效率，且无工作范围限制。缺点是有额外寄生功率、噪音和振动。 循环泵模式 来源：《基于观测器的燃料电池氢气供给控制》 03 单引射器模式 引射器是一种利用空气动力学原理，借助拉法尔喷管提升喷嘴处的气体流速并降低气体压力，利用压差将回路中的氢气重新吸回进气管道的装置。单引射器模式优点是结构简单、成本低、无寄生功率，但工作范围小、低压引射效果差。 04 双引射器模式 双引射器模式是为了解决单引射器低压引射系数低的缺点，在原先的引射器附近并联了一个低压引射器，扩大了引射器的工作范围。但相应的控制逻辑会更复杂、成本会提高，工作范围仍然无法做到100%覆盖。 双引射器模式 来源：New theoretical model for convergent nozzle ejector in the proton exchange membrane fuel cell system 05 引射器与循环泵并联模式 这种模式是在引射器附近并联一个小型循环泵，因为引入了小型循环泵，低压时氢循环仍然可以实现，且高压时由引射器完成氢循换，无需循环泵参与工作，因此循环泵功率可以适当缩减，工作范围可以做到100%。缺点是对引射器与氢气循环泵的匹配和控制提出更高要求。 引射器与循环泵并联模式 来源：Fuel cell stack including ejector and blower for anode recirculation and method for controlling the same 关注新兴产业观察者，带你了解燃料电池 往期推荐 01 ● 未来“Mirai”已来 ？ 点击阅读 02 ● 【国金燃料电池】燃料电池行情能持续多久？ ？ 点击阅读 03 ● 【国金燃料电池】碳中和系列报告一之中外碳排放结构 ？ 点击阅读 04 ● 亿华通：政策延后影响前三季度业绩，看好Q4及2021年产销放量 ？ 点击阅读 >>>END<<<
三分钟看懂燃料电池（一） ——氢气子系统 前言：国金燃料电池团队推出《三分钟看懂燃料电池》系列文章，详细的解读燃料电池各项技术的发展现状与未来趋势，希望读者可以建立起对燃料电池技术的系统性理解。 丰田的燃料电池系统 一、燃料电池系统 质子交换膜燃料电池以氢气作为燃料，质子交换膜作为电解质，通过电化学反应将氢气中的化学能转化为电能，本质上是电解水的逆反应。典型的燃料电池系统包括氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统、燃料电池电堆和控制子系统。 燃料电池原理 二、燃料电池氢气供应子系统 今天我们先来讲一下氢气供应子系统。 氢气供应子系统（下图红色虚线内）的作用是为电堆提供适当温度、压力和流量的氢气，主要零部件包括高压储氢瓶、氢气控制装置（电控喷氢阀或者比例阀）、氢气循环装置（循环泵或引射器）以及各类管路和阀门。 燃料电池氢气供应子系统 氢气供应子系统根据氢气流通方式的不同可以分为三类。 01 流通模式 第一类是流通模式，模型由氢气控制装置（比例阀）、电堆、排气阀构成，优点是结构简单、成本低，但因为氢气会直接排出燃料电池系统，因此氢气利用率低。 流通模式示意图 02 死端模式 第二类是死端模式，模型由氢气控制装置、电堆、封闭阀门组成，优点是由于气体出口被封住，因此氢气会在电堆中停留更长时间，从而提高氢气利用率，但因为出口端封死，无法排除累积的水和氮气，容易造成水淹及氮气累积的问题。 死端模式 来源：Power-generation characteristics of hydrogen fuel cell with dead-end system 03 循环模式 第三类是循环模式，也是使用最广泛的模式。一般采用带有引射器和循环泵的结构完成氢气的循环功能。氢气的循环供应有以下四方面的优点：1）提高氢气利用率；2）改善电堆内部氢气浓度的分布；3）排出电堆内部的富集水和杂质气体；4）可利用氢气循环对阴阳两极气体进行加湿。 循环模式（循环泵循环） 来源：《基于观测器的燃料电池氢气供给控制》 三、常见的氢气循环模式布置方案 按照循环泵和引射器的使用数量不同，循环模式可以分为五种类型。见下表： 常见氢气循环模式 01 无泵模式 无泵系统采用止回阀控制氢气的循环流量，当氢气循环回路压力高于氢气进气回路压力时，压差迫使阀瓣打开并使氢气得以循环流动。此种模式结构简单且无寄生功率（驱动循环泵运行的必要功率），但对设备要求高。 无泵模式 来源：《车用 PEMFC 系统氢气供应系统发展现状及展望》 02 循环泵模式 循环泵模式在进气管路和出气管路之间添加了循环泵，可以将未反应完全的氢气重新吸回进气管路，提高氢气的利用效率，且无工作范围限制。缺点是有额外寄生功率、噪音和振动。 循环泵模式 来源：《基于观测器的燃料电池氢气供给控制》 03 单引射器模式 引射器是一种利用空气动力学原理，借助拉法尔喷管提升喷嘴处的气体流速并降低气体压力，利用压差将回路中的氢气重新吸回进气管道的装置。单引射器模式优点是结构简单、成本低、无寄生功率，但工作范围小、低压引射效果差。 04 双引射器模式 双引射器模式是为了解决单引射器低压引射系数低的缺点，在原先的引射器附近并联了一个低压引射器，扩大了引射器的工作范围。但相应的控制逻辑会更复杂、成本会提高，工作范围仍然无法做到100%覆盖。 双引射器模式 来源：New theoretical model for convergent nozzle ejector in the proton exchange membrane fuel cell system 05 引射器与循环泵并联模式 这种模式是在引射器附近并联一个小型循环泵，因为引入了小型循环泵，低压时氢循环仍然可以实现，且高压时由引射器完成氢循换，无需循环泵参与工作，因此循环泵功率可以适当缩减，工作范围可以做到100%。缺点是对引射器与氢气循环泵的匹配和控制提出更高要求。 引射器与循环泵并联模式 来源：Fuel cell stack including ejector and blower for anode recirculation and method for controlling the same 关注新兴产业观察者，带你了解燃料电池 往期推荐 01 ● 未来“Mirai”已来 ？ 点击阅读 02 ● 【国金燃料电池】燃料电池行情能持续多久？ ？ 点击阅读 03 ● 【国金燃料电池】碳中和系列报告一之中外碳排放结构 ？ 点击阅读 04 ● 亿华通：政策延后影响前三季度业绩，看好Q4及2021年产销放量 ？ 点击阅读 >>>END<<<
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