PEMFC引射器的设计及特性分析①

刘 英， 许思传， 常国峰

(1.同济大学汽车学院，上海 201804;2.同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804)

0 引言

与传统的内燃机汽车相比，氢燃料电池汽车在排放方面，燃料利用率方面以及燃料来源方面有着巨大优势，因而氢燃料电池汽车是最具发展潜力的新能源汽车之一[1].但PEMFC汽车作为一种新型汽车要想得到产业化还有许多问题需要解决，其氢气供应系统便是问题之一[2].为了保证燃料电池的正常、稳定运行，又能将燃料电池中生成水排放到电池外部，通常采用氢气循环的方法，把电池内部生成的水带出电池后经过水气分离装置将液态水分出后，再将氢气循环回到电池重复使用，以提高氢气利用率.燃料电池氢气循环供应系统有多种形式[3]，目前比较常见的是氢气循环泵和回氢引射装置.氢气循环泵的使用虽然可以有效改善氢循环但需消耗额外的电以维持其运转[4]，相比而言引射器无移动部件，具有结构简单、运行可靠、无污染等优点，而且能够避免产生寄生功率[5].

1 PEMFC引射器工作原理

在PEMFC汽车中，氢气存储在高压瓶中，从储氢瓶中出来的氢气具有很高的压力，引射器可以将储氢瓶中出来的高压力低流速的氢气通过工作喷嘴进行减压增速，在喷嘴出口处达到超声速.当带有一定动能的喷射气体从喷嘴喷出时，与周围被喷射的气体进行动量交换，从而带动了气体向前运动，两种气体在混合室内混合，在有限的混合室内，当前面的气体被推向前进时，后面的气体变得稀少而使压力下降，即在吸入管出口附近和混合管入口段的一定范围内，造成一定负压，促使被喷射气体不断被吸入混合管内，又不断被喷射气体带走(如下图1所示).

图1 引射器原理示意图

2 PEMFC引射器的设计

本文采用目前应用比较广泛的索科洛夫引射器设计方法[6]，根据能量守恒质量守恒和动量守恒定理结合经验公式对一高压系统所用引射器进行结构设计.

对于PEMFC用引射器提出以下假设:

1)氢气压力在进入引射器喷嘴入口前由减压阀减至500kPa;

2)PEMFC阳极出口侧的压力约为为240kPa;

3)PEMFC阳极入口侧温度为20℃，出口侧温度为80℃;

4)引射器内部气体绝热指数和气体常数相同，k=1.41，R=4121J/kg·k.

引射器的设计工况点参数如下表1:

表1 设计工况点参数

图2 引射器装配图

根据索科洛夫引射器设计方法进行尺寸设计，最终完成的引射器如图2所示.压力PC不变的情况下，增大引射器的入口压力PP，此时引射比的变化情况同A点相同，运行稳定但是引射比降低;增大引射器的入口压力PP，会发现，引射器会从稳定状态变为不稳定状态，出口压力将高于新工作流体压力所对应的临界出口压力，并且引射系数将先增大后迅速下降，直至出现负值.

图3 不同入口压力下出口压力Pc与引射比u的关系曲线

3 PEMFC引射器使用特性研究

由于引射器的设计工况是固定的，而其实际应用往往是变工况运行状态，因此研究其在全负荷范围内的使用性能就显得极为重要.

3.1 入口压力对引射器的影响

分别设定入口压力为 6.0bar，5.5bar，5.0bar，4.5bar，引射端压力为 2.0bar，计算所得引射器出口压力与引射器引射比的关系曲线如图3所示.

以引射压力为5.5bar为例，假设引射器在A点工况下工作，此时，引射器处于稳定工作状态，引射器的引射比处于最高值，此时，在保持引射端压力PH和出口压力PC不变的情况下，增大引射器的入口压力PP，不难发现，在变化过程中，引射器一直处于稳定工作状态，同时引射比在不断的减小.在保持引射端压力PH和出口压力PC不变的情况下，减小引射器的入口压力PP，则发现会发现，在引射器的入口压力PP减小量不大的情况下，引射器仍然会处于稳定工作状态，同时引射比在变化的过程中不断增大;在引射器的入口压力PP进一步减小的情况下，引射器此时的出口压力会等于新工作流体引射比关系曲线上的临界出口压力，此时引射器的引射比仍在增大;引射器的入口压力PP再次减小时，引射器则会处于新工作流体引射比关系曲线上的不稳定工作状态，此时引射器的引射比已经在减小，直至引射比变为负值，引射器出现倒流现象.

假设引射器在B点工况下工作，此时，引射器处于临界工作状态，当保持引射端压力PH和出口

当引射器在C点工况下工作，此时引射器处于非稳定工作状态.工作流体压力增加不大时，引射器继续处于非稳定工作状态，并且引射比减小;当工作流体压力增大到一定值时，引射器出口压力会达到引射器出口临界压力，引射器处于稳定工作状态，继续增大工作流体压力，引射器会一直处于稳定工作状态，但是引射比减小.减小引射压力，引射器处于不稳定工作状态，引射比会先增大之后迅速减小，直到为负值出现回流现象.

综上所述，引射器引射比与引射器工作流体入口压力的关系是复杂的，这同时取决于混合流体的出口压力，当混合流体的出口压力不同时，改变引射器工作流体入口压力造成引射器引射比的变化规律时不同的.

图4 不同引射压力下出口压力Pc与引射比u的关系曲线

3.2 出口压力对引射器的影响

在引射器入口压力保持不变，改变引射端压力的情况下，研究引射器出口压力和引射器引射比的关系，通过在上述条件下引射器出口压力和引射器引射比的关系曲线来研究引射器入口压力对引射器工作性能的影响.在计算中，设定入口压力为5.0bar，引射端压力分别为 1.8bar，2.0bar，2.2bar，计算所得引射器出口压力与引射器引射比的关系曲线如图4所示

从图4中可以看出，各工况下的引射器工作变化规律基本相同，都存在一个出口临界压力Pcr，出口临界压力Pcr是随着引射流体压力的增加而增大的.在保持工作流体入口压力和引射端压力不变的情况下，随着引射器混合流体出口压力的减小，引射器的引射比会逐渐增大，直至最大值后，几乎保持不变.反之，随着引射器混合流体出口压力的增大，引射器的引射比会先保持不变，然后逐渐减小，直至变为负值.

图5 引射器仿真沿轴线压力变化

3.3 引射压力对引射器的影响

从图4中可以看出，出口临界压力Pcr和最大引射比都随着引射流体压力的增加而增大的.这是因为，引射流体与喷嘴出口截面上工作流体间的压差会随着引射端流体压力的升高而增大，从而增强了工作流体对引射流体的卷吸能力，在入口工作流体质量流量不变的情况下，带走更多的引射流体质量流量，增大了引射器的引射比;另一方面，增加了混合流体的能量，增强了克服出口压力的能力，所以，使临界出口压力有所提高.

4 引射器CFD仿真分析

引射器结构虽然简单，但其内部流场比较复杂，引射流动实际上是一种复杂的粘性流动形式，属于高雷诺数、强剪切湍流射流.通过CFD软件可以观察引射器内的流场分布，并研究引射器各尺寸对于引射器工作特性的影响，进而对引射器进行优化改进.

4.1 引射器仿真模型假设

结合理论分析，为了简化模型，节省演算时间增加计算精确度，对引射器模型进行合理的假设，本课题所做的假设如下:

1)将引射流体的侧向入口简化成轴向环形入口

由于三维模型对计算机的配置要求较高，考虑到引射气体入口段流速与喷嘴出口段工作气体的流速相比很小，所以在优化模型中可以将引射流体的侧向入口简化成轴向环形入口，从而将引射器的结构简化成二维轴对称模型.

2)将喷嘴进口时的初速度和引射口的初速度设为0

由于工作和引射流体在进入引射器时的初速度与它们在混合室中的速度相比较是很小的，所以可以把该初始速度忽略不计.

3)整个模拟过程为绝热过程

本文主要研究气体的混合流动，因此，可以不需要考虑引射器壁面的散热.

图6 引射器仿真压力场分布

图7 引射器仿真速度场分布

4.1 引射器数值模拟仿真

图5是入口压力为 5.0bar，引射压力为 2.0bar，出口压力为2.4bar时引射器沿轴线方向的压力分布情况.可以发现，引射器内沿轴线分布压力变化较大，尤其是喷嘴部分，压力梯度最大.氢气从圆管进入喷嘴缩口一段距离接近喉口时，压力梯度开始急剧下降，伴随着速度的上升，图中可以看出，在扩口部分，氢气压力仍然在下降，说明氢气在喷嘴喉口达到临界速度，但喷嘴出口的压力低于理论设计时的喷嘴出口压力.在离开喷嘴出口截面后，即在锥形混合室中，氢气压力有一定的提升.在设计过程中，由于使氢气在离开喷嘴出口截面时的压力等于引射端压力，故在离开引射器喷嘴出口截面后的一段距离中，压力变化不大，而仿真结果显示这段距离氢气压力已经上升到大于引射端压力.氢气此后分别在锥形混合室接近圆柱形混合室部分和刚出混合室至扩压室一段距离有较大的压力提升.

图6和图7分别是引射器仿真压力场分布以及引射器仿真速度场分布，从中可以看出，压力最小值出现在喷嘴扩口处，说明喷嘴尺寸设计符合理论设计要求，即氢气在喷嘴喉口处达到临界值，经过喷嘴扩口，氢气继续减压增速，压力进一步下降，在离开喷嘴扩口时，氢气压力值明显小于引射端入口压力值，随后进入预混合室、混合室以及扩压室氢气压力上升到一定值.

5 总结

本文分析了引射器的工作原理，以索科洛夫的计算方法为依据，假设流动为一维稳态流动，根据能量守恒质量守恒和动量守恒定理设计了应用于PEMFC的引射器.在此基础上研究引射器各工作参数对引射器工作的影响，并对其进行了CFD仿真分析.通过分析可知，工作流体入口压力和引射流体压力存在一个出口临界压力，当PC值大于临界压力时，引射比将随着压力PC的增大而减小，继续提高出口压力PC甚至可能导致引射比为负值(即部分工作流体会从引射口流出引射器)，然而，当PC小于临界压力时，引射比为最大值且保持不变，这个时候引射器达到给定工作流体和引射流体初始参数下的最佳工作能力.引射器的工作能力并不是简单的随入口压力的增大而变好或变坏.需要根据不同的情况即不同的引射压力和出口压力来单独研究.随着引射流体压力的增加，引射器的引射系数随之增大.

虽然实际运行状况和理论计算存在一定偏差，但对引射器使用性能的研究具有很好的理论指导意义.

[1]衣宝廉.燃料电池——原理.技术.应用[M].北京:化工出版社，2003.

[2]任庚坡.质子交换膜燃料电池性能仿真与水管理的实验研究[D].上海:上海交通大学，2008.

[3]Paul Rodatz，AkinoriTsukada，Michael Mladek，LinoGuzzella.Efficiency Improvements by Pulsed Hydrogen Supply in PEM Fuel Cell Systems，15th Triennial World Congress，2002.

[4]P.Rodatz，A.Tsukada，M.Mladek，et al.Proceedings of the 15th IFAC Triennial World Congress IFAC(2002).

[5]王洪卫，王伟国.质子交换膜燃料电池阳极燃料循环方法[J].电源技术，2007，31(7):559－561.

[6]索科洛夫 ЕЯ，津格尔H M(著)，黄秋云(译).喷射器[M].北京:科学出版社，1977:17－78.