PEMFC系统引射器设计及仿真研究

杨秋香，叶 立，殷 园，童正明

（1. 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2. 国核工程有限公司，上海 200233）

质子交换膜燃料电池汽车作为一种清洁、节能的新型汽车，近年来在新能源汽车行业中备受关注。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种可将储存在氧化剂和燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置［1］。PEMFC电堆结构紧凑，在低温下能够快速启动，并且能在任一方位、任何角度工作运行［2］。引射器是PEMFC供氢系统中的核心部件，将其集成应用于燃料电池阳极燃料循环系统以提高氢气利用率。由于引射器具有不直接消耗机械能，内无移动部件，具有结构简洁、运行稳定、对环境无污染等优点［3-4］，所以PEMFC是最有希望成为替代传统内燃机发动机的动力源［5-6］。尽管引射器在PEMFC系统中的应用研究已陆续开展，但能量转化效率普遍较低，所以如何提高引射器的能量转化效率成为解决PEMFC汽车氢气供应系统的核心课题。本文旨在找出对引射器性能影响较大的变量，并比较不同结构引射器的全工况性能。

1 引射器基本结构和工作原理

引射器是用来进行质量、能量交换的机械装置［7-8］。引射器主要由五个部分组成：工作喷嘴即laval喷管、接收室、喷嘴至混合室的过渡段、混合室以及扩压室。引射器中高压工作流体经过laval喷管，以超过几倍音速的速度从喷嘴喷出，进入接收室，并不断带入压力较低的几乎处于静止的引射流体。工作流体和引射流体相互混合进入混合室中，最终两股流体速度趋于一致后进入扩压室，经过一个压力提升和速度减慢的过程将动能重新转化为势能［9-10］。

2 引射器的设计

2.1 引射器最大引射系数

电堆对氢气的入堆压力有一定要求，所以在引射器出口有稳压装置。经过电堆后氢气压力会下降约0.03 MPa。在设计引射器时，工作流体、引射流体以及压缩流体均忽略空气和水蒸气的影响，认为引射器内的工质均为氢气，并且不考虑引射器内部温度变化。引射器的设计需要四个已知条件，分别为工作流体压力、引射流体压力、 混合流体压力、工作流体质量流量。通过这四个参数求出喷射器可达到的最大引射系数，依据经验式求出喷射器重要结构尺寸［8］。

设计工况点参数如表1所示。氢循环引射器可达到最大引射系数的计算结果如表2所示，其中，为对应的混合流体速度系数。由表2可知，当时，m·s-1。

表1 设计工况点参数Tab.1 Parameters of the design points

表2 氢循环引射器可达到的最大引射系数Tab.2 Calculation of maximum injection coefficientachieved by hydrogen circulation ejector

2.2 主要结构尺寸

引射器A主要结构尺寸如表3所示。

表3 引射器 A 的主要结构尺寸Tab.3 Main structural dimensions of ejector A

3 数值模拟

引射器CFD模型的计算域网格如图1所示。本文采用的离散方法为密度基显式求解器。显式格式即方程组用Runge-Kutta方法求解，同时采取多重网格法来加快计算速度。湍流模型采用RNG二方程模型，运用QUICK离散格式。

图1 引射器计算域网格Fig.1 Computational domain of the ejector

3.1 引射器失效点工作压力

经过多次模拟后发现，改变Gp，引射器在MPa时失效，不能正常工作。为了使引射器在低载时不失效，引射器前端MPa时它才能正常工作。MPa时的马赫数和静压沿轴向分布如图2所示。

由于引射端进口压力远高于引射器额定引射压力，Gp很大，导致喷嘴外第一个激波的最高马赫数达到5，此时高速流体卷入低速流体的能力过于强大，并且因为GH大幅增加，从而导致两股流体的合流速度并未降至音速以下。混合流体进入扩压段后压力和速度会再次发生变化，从而又一次产生激波。由于混合流体是超音速流体，其速度继续上升。此时，工作流体进口、引射流体进口和混合流体出口端静压的最低点出现在引射器出口处，而并非在引射端。

图2 马赫数和静压沿轴向分布Fig.2 Mach and static pressure distribution along the axis direction

由于燃料电池汽车在低载时氢气的消耗量较小，实际应用中希望在小流量时引射器也能有较高的引射系数，因此引射器A在低载工况下引射系数为负，无法使燃料电池汽车送氢系统稳定正常运行。由于提高pp可以提高u，所以在低载工况下提高工作流体压力，即MPa。当MPa时设计了氢循环引射器B。图4为全工况下引射器A、B的引射性能。从图4（b）中可以看出，引射器B的u并没因为pp升至MPa以上就全部变为正值。但是图4（a）与图4（b）中u在达到最大值之前的趋势十分相似。Gp小于某个值时，随着Gp增加，GH和u基本保持线性上升，且均为负值。而当GH和u均为正值时，这种增加的趋势有所减缓。u =0时，工作流体压力在3.70～3.99 MPa，为u最大时对应工作流体压力的57%左右，即1.84 MPa。这与引射器A的结果基本保持一致。所以，为了保证引射器可在低载工况下正常工作，引射器Gp必须小于。

图4 全工况下引射器 A、B 的引射性能Fig.4 Injection performance for ejector A and B under all conditions

3.2 对引射器性能影响较大的变量

表4 引射器 C、D、E 的喷嘴参数Tab.4 Parameters of ejector C,D and E nozzles

图5 全工况下引射器 C、D、E 的引射性能Fig.5 Injection performance for ejector C,D and E under all conditions

表5 引射器 F、G 的喷嘴参数Tab.5 Parameters of ejector F and G nozzles

图6 全工况下引射器 F、G 的引射性能Fig.6 Injection performance for ejector F and G under all conditions

表6 引射器 H、I的喷嘴参数Tab.6 Parameters of ejector H and I nozzles

图7 全工况下引射器 H、I 的引射性能Fig.7 Injection performance for ejector H and I under all conditions

图8 为引射器H在设计工况下扩压段的马赫数。

图8 引射器H 在设计工况下扩压段的马赫数Fig.8 Mach in the diffuser section for ejector H under designed condition

从图8中可以看出，流体在扩压段出口前段速度很大，并伴随着强烈的激波，最大马赫数为3。引射器H在g·s-1时，其内部速度基本已达到临界点，如果继续减小，出口速度将达到超音速，这样会使引射器扩压室出口静压接近于0，导致温度过低，从而造成燃料电池效率急剧下降。因此，对引射器扩压室出口压力进行控制是必要的，否则会破坏引射器的正常、稳定运行。因此建议最大工作流体质量流量的设计值不应小于g·s-1。

4 结 论