張志鵬 紀(jì)少波 張世強(qiáng) 陳秋霖 王麗梅 于澤庭

（1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,濟(jì)南 250061;2.江蘇大學(xué)汽車(chē)工程研究院,鎮(zhèn)江 212013）

主題詞：燃料電池 引射器 運(yùn)行條件 影響規(guī)律

1 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Mem?brane Fuel Cell，PEMFC）在便攜式移動(dòng)電源及新能源車(chē)輛等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。氫氣供給量影響PEMFC 的實(shí)際工作性能，為實(shí)現(xiàn)氫氣的過(guò)量供給，且提高氫氣使用效率，常采用氫氣再循環(huán)的方式。引射器利用裝置間的壓力差實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)，不需消耗額外功率，且引射器的噪聲遠(yuǎn)低于氫氣循環(huán)泵。因此，引射器優(yōu)化成為提高燃料電池效率的重要研究方向。

劉英等對(duì)PEMFC 引射器的性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明工作流體壓力對(duì)引射器性能的影響隨引射器出口所處工況的變化而變化。楊秋香等利用Flu?ent仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的氫氣循環(huán)引射器進(jìn)行全工況模擬，通過(guò)改變工作流體質(zhì)量流量參數(shù)，確定引射器的最佳工作流體質(zhì)量流量范圍。許思傳等研究了某高壓PEMFC 系統(tǒng)，對(duì)引射器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性研究，結(jié)果表明增大引射器出口壓力和引射流體壓力，引射系數(shù)提高。Bao 建立了一個(gè)包含引射器的燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，在不同壓力、溫度下，分析了引射器陽(yáng)極再循環(huán)模式對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)散層傳質(zhì)和膜中水運(yùn)輸?shù)挠绊憽im 等對(duì)燃料電池汽車(chē)進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)建模，以預(yù)測(cè)其性能，結(jié)果表明氫氣流速增加，氫氣再循環(huán)比增加。Toghyani等研究了不同工作條件下引射器的性能，結(jié)果表明高的工作溫度和壓力會(huì)導(dǎo)致更高的化學(xué)計(jì)量比和氫氣再循環(huán)比。

研究人員多針對(duì)單項(xiàng)運(yùn)行條件展開(kāi)研究，為了更全面的評(píng)價(jià)運(yùn)行條件對(duì)引射器性能的影響，本文研究了流量、溫度及濕度關(guān)鍵運(yùn)行條件對(duì)引射器性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為引射器性能改善提供理論支持，為引射器控制策略的制定提供指導(dǎo)。

2 引射器模型建立及驗(yàn)證

2.1 引射器模型建立

引射器利用高壓氫氣罐和燃料電池電堆之間的壓力勢(shì)能回收電堆陽(yáng)極出口的氫氣。本文提出的引射器主要結(jié)構(gòu)包括等壓混合室、等容混合室、擴(kuò)散室、針閥和一次流體收斂型噴嘴等，其結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 引射器結(jié)構(gòu)示意

基于上述引射器的主要結(jié)構(gòu)，本文利用三維CFD繪圖軟件，建立了引射器的模型，將幾何模型導(dǎo)入CFD 軟件構(gòu)建網(wǎng)格，如圖2 所示。選擇生成6 面體網(wǎng)格模型進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，初始網(wǎng)格數(shù)量大約為110萬(wàn)個(gè)，為確保網(wǎng)格質(zhì)量，在構(gòu)建6 面體網(wǎng)格的同時(shí)對(duì)引射器模型混合區(qū)域的流動(dòng)區(qū)域和引射器壁面邊界的網(wǎng)格進(jìn)行了加密優(yōu)化，對(duì)于流體狀態(tài)變化較大的位置采取了網(wǎng)格自適應(yīng)的方式，同時(shí)對(duì)網(wǎng)格的獨(dú)立性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖2 引射器網(wǎng)格模型

對(duì)三維CFD 引射器模型作出以下假設(shè)：（1）流體為湍流可壓縮流動(dòng)；（2）假設(shè)引射器內(nèi)流體處于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；（3）忽略內(nèi)部水汽凝結(jié)；（4）假設(shè)引射器內(nèi)壁絕熱。

2.2 引射器模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型，搭建了試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析論證，搭建的試驗(yàn)臺(tái)架如圖3 所示。臺(tái)架主要包括空壓機(jī)、穩(wěn)壓罐、干燥過(guò)濾筒、三通閥、調(diào)壓閥、壓力變送器、流量計(jì)、引射器及背壓閥。

圖3 引射器試驗(yàn)臺(tái)架示意

試驗(yàn)臺(tái)架工作原理：首先，空壓機(jī)和穩(wěn)壓罐產(chǎn)生特定壓力的氣流，然后流經(jīng)干燥過(guò)濾筒，以確保氣流的純凈干燥以及質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性；通過(guò)三通閥將流體分為一次流體和二次流體，通過(guò)調(diào)壓閥對(duì)引射器一次入口以及二次入口的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

壓力變送器及流量計(jì)輸出信號(hào)通過(guò)自主設(shè)計(jì)的下位機(jī)進(jìn)行采集，并在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、顯示、保存等，上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意如圖4所示。

圖4 上位機(jī)與下位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

圖5 引射器3D打印實(shí)物

將3D 打印好的引射器裝在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，在不同電流工況下，測(cè)試引射器的引射系數(shù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行和試驗(yàn)相同條件的仿真，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6 所示，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差不超過(guò)5%，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近，由此可知，建立的引射器模型準(zhǔn)確度高，可以進(jìn)行后續(xù)仿真計(jì)算。

圖6 模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線

3 運(yùn)行條件對(duì)引射器性能影響研究

本文引射器應(yīng)用的PEMFC主要參數(shù)如表1所示。引射器一次流體為純氫氣，二次流體為氫氣和水蒸氣的混合氣。探究了一次流體質(zhì)量流量、—次流體溫度、二次流體濕度以及二次流體溫度4種不同運(yùn)行條件對(duì)引射器性能的影響。仿真計(jì)算中，將一次流體入口壓力設(shè)定為恒定壓力0.32 MPa，不同工況的電堆功率，電流，一次流體流量及二次流體壓力（P）如表2所示。

表1 PEMFC電堆參數(shù)

表2 引射器仿真分析各工況的主要參數(shù)值

3.1 一次流體質(zhì)量流量對(duì)引射器性能的影響

引射器的一次流體質(zhì)量流量對(duì)引射器的性能有重要影響。本文共計(jì)算了6 種一次流體質(zhì)量流量對(duì)引射器性能的影響。圖7（a）、7（b）分別為二次流體質(zhì)量流量及引射系數(shù)隨一次流體質(zhì)量流量的變化曲線。由圖可知，二次流體質(zhì)量流量隨一次流體質(zhì)量流量的增加而增加，但增長(zhǎng)幅度漸趨平緩。引射系數(shù)隨一次流體質(zhì)量流量的增加先增加后減少，在0.000 35 kg/s 時(shí)，引射系數(shù)達(dá)到最大值2.78。在每種電流工況下，一次流體質(zhì)量流量存在最佳值，一次流體質(zhì)量流量高于或低于最佳值，引射系數(shù)均降低，引射性能下降。因此，在PEMFC 工作時(shí)，需要合理優(yōu)化一次流體質(zhì)量流量值，保證引射器具有最佳引射性能。

圖7 一次流體質(zhì)量對(duì)引射器性能影響變化趨勢(shì)

3.2 —次流體溫度對(duì)引射器性能的影響

在一次流體溫度分別為295 K、305 K、315 K、325 K、335 K、345 K、355 K 時(shí)，計(jì)算并繪制了引射器的二次流體質(zhì)量流量及引射系數(shù)隨一次流體溫度的變化曲線，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，隨著一次流體溫度的升高，二次流體質(zhì)量流量以及引射器的引射性能均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。另外，由圖8（b）中可知，在120 A、180 A、250 A及300 A這4種電流工況下，當(dāng)一次流體的溫度從295 K增加到355 K時(shí)，引射系數(shù)分別增加了0.88、0.46、0.41、0.38。由此可知，一次流體對(duì)引射器性能的提升量隨電流的增加而降低。分析原因是在每種電流工況下，一次流體質(zhì)量流量恒定，隨著一次流體溫度升高，一次流體的流速增加，進(jìn)而改善引射性能。在低電流工況，一次流體溫度升高對(duì)引射器性能提升明顯；隨著電流的增加，一次流體的流量及壓力增大，一次流體溫度升高對(duì)引射器性能的改善效果減弱。

圖8 一次流體溫度對(duì)引射器性能影響變化趨勢(shì)

3.3 二次流體濕度對(duì)引射器性能的影響

二次流體濕度分別為20%，40%，60%，70%，80%，90%時(shí)，計(jì)算并繪制了引射器的二次流體質(zhì)量流量、引射系數(shù)及氫氣引射系數(shù)隨二次流體濕度的變化曲線，結(jié)果如圖9所示。由圖9（a）可知，隨著二次流體濕度的增加，引射系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在120 A、180 A、250 A、300 A 的電流工況下，當(dāng)二次流體的濕度從20%增加到90%時(shí)，引射系數(shù)分別增加了0.52、1.67、1.79、1.65。由此可知，在較高的電流工況下，二次流體濕度對(duì)引射器性能提升幅度較大；在較低的電流工況下，二次流體濕度對(duì)于引射器性能提升幅度較小。由圖9（b）可知，隨著二次流體濕度的增加，二次流體質(zhì)量流量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。分析原因是二次流體的濕度增加，使得混合氣中水蒸汽所占比例升高，水的摩爾質(zhì)量大于氫氣的摩爾質(zhì)量，所以二次流體濕度的增加導(dǎo)致二次流體的平均氣體密度增加，二次流體的質(zhì)量流量隨之增加，引射系數(shù)也得到了提高。

由上述可知，隨著二次流體濕度增加，引射系數(shù)提高，但主要是由于水蒸氣比例增加導(dǎo)致。引射器主要作用是回收氫氣，二次流體濕度對(duì)氫氣引射系數(shù)的影響值應(yīng)進(jìn)一步探討。由圖9（c）可知，隨著二次流體濕度增加，氫氣引射系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。分析原因是隨著二次流體濕度的增加，則二次流體中水蒸氣所占比例增加，使得氫氣所占比例降低，導(dǎo)致氫氣引射系數(shù)隨著二次流體濕度增加而減小。在120 A、180 A、250 A、300 A的電流工況下，當(dāng)二次流體的濕度從20%增加到90%時(shí)，氫氣引射系數(shù)分別降低了0.42、1.07、1.26、1.18。由此可知，在較高的電流工況下，二次流體濕度增加，氫氣引射系數(shù)的降低幅度較大；在較低的電流工況下，二次流體濕度增加，氫氣引射系數(shù)降低幅度較小。

圖9 二次流體濕度對(duì)引射器性能影響變化趨勢(shì)

綜上所述，二次流體濕度增加導(dǎo)致引射系數(shù)增加，主要體現(xiàn)在二次流體中水蒸汽所占的比例上，水蒸氣在二次流體中所占比例越大，則引射器的引射系數(shù)越高。氫氣引射系數(shù)隨著二次流體濕度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即氫氣回收率呈下降趨勢(shì)。因此，在評(píng)價(jià)引射器性能時(shí)，綜合考慮引射性能和氫氣回收2方面的影響。

3.4 二次流體溫度對(duì)引射器性能的影響

在二次流體溫度分別為323 K、333 K、343 K、353 K時(shí)，計(jì)算并繪制了引射器的二次流體質(zhì)量流量、引射系數(shù)隨著二次流體溫度的變化曲線，結(jié)果如圖10所示。由圖10（a）、10（b）可知，隨著二次流體溫度升高，二次流體的質(zhì)量流量以及引射系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。分析原因是二次流體溫度升高，使得二次流體密度降低，質(zhì)量流量減小，引射器的引射性能下降。從圖10（b）可知，在120 A、180 A、250 A、300 A的電流工況下，當(dāng)二次流體的溫度從323 K增加到353 K的時(shí)，引射系數(shù)分別下降了0.74，0.43，0.22，0.16。由此可知，在低電流工況下，增加二次流體溫度，引射系數(shù)降低幅度較大；在高電流工況下，增加二次流體溫度，引射系數(shù)降低幅度較小。分析原因是在較高電流工況下，高流量、高壓力的二次流體的速度增加，在一定程度上抵消了二次流體溫度提高對(duì)引射性能的不利影響。

圖10 二次流體溫度對(duì)引射器性能影響變化趨勢(shì)

通過(guò)一次流體質(zhì)量流量等因素對(duì)引射器性能影響規(guī)律分析可知，一次流體質(zhì)量流量對(duì)引射器性能影響最大，一次流體溫度、二次流體溫度及濕度對(duì)引射器性能影響較小。為優(yōu)化引射器性能，在每種工況下，通過(guò)對(duì)一次流體質(zhì)量流量的優(yōu)化，可使引射器的系數(shù)達(dá)到最佳值；適當(dāng)提高一次流體溫度可以改善引射器性能；應(yīng)防止二次流體溫度及濕度過(guò)高，以避免引射器性能下降。

4 結(jié)論

本文研究不同運(yùn)行條件對(duì)引射器性能的影響規(guī)律，建立了引射器模型，并搭建了引射器試驗(yàn)臺(tái)架。利用臺(tái)架測(cè)試的引射系數(shù)對(duì)搭建的CFD 模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明建立的引射器仿真模型能夠滿足分析需要。

隨著一次流體質(zhì)量流量的增加，引射器二次流體的質(zhì)量流量逐漸增加，引射系數(shù)先增加后減小。為保證引射器工作性能最佳，一次流體質(zhì)量流量應(yīng)合理取值。

引射器性能隨著一次流體溫度增加而增大，隨著電流的增加，一次流體溫度對(duì)引射器性能提升的效果減弱；隨二次流體的濕度增加引射系數(shù)增加，氫氣引射系數(shù)降低。

引射器性能隨著二次流體溫度的增加而降低。隨著電流增加，二次流體溫度對(duì)引射器性能影響效果減弱。