PEMFC引射器的設(shè)計及特性分析①

劉 英， 許思傳， 常國峰

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804;2.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804)

0 引言

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車相比，氫燃料電池汽車在排放方面，燃料利用率方面以及燃料來源方面有著巨大優(yōu)勢，因而氫燃料電池汽車是最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉雌囍籟1].但PEMFC汽車作為一種新型汽車要想得到產(chǎn)業(yè)化還有許多問題需要解決，其氫氣供應(yīng)系統(tǒng)便是問題之一[2].為了保證燃料電池的正常、穩(wěn)定運行，又能將燃料電池中生成水排放到電池外部，通常采用氫氣循環(huán)的方法，把電池內(nèi)部生成的水帶出電池后經(jīng)過水氣分離裝置將液態(tài)水分出后，再將氫氣循環(huán)回到電池重復(fù)使用，以提高氫氣利用率.燃料電池氫氣循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)有多種形式[3]，目前比較常見的是氫氣循環(huán)泵和回氫引射裝置.氫氣循環(huán)泵的使用雖然可以有效改善氫循環(huán)但需消耗額外的電以維持其運轉(zhuǎn)[4]，相比而言引射器無移動部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、無污染等優(yōu)點，而且能夠避免產(chǎn)生寄生功率[5].

1 PEMFC引射器工作原理

在PEMFC汽車中，氫氣存儲在高壓瓶中，從儲氫瓶中出來的氫氣具有很高的壓力，引射器可以將儲氫瓶中出來的高壓力低流速的氫氣通過工作噴嘴進行減壓增速，在噴嘴出口處達到超聲速.當帶有一定動能的噴射氣體從噴嘴噴出時，與周圍被噴射的氣體進行動量交換，從而帶動了氣體向前運動，兩種氣體在混合室內(nèi)混合，在有限的混合室內(nèi)，當前面的氣體被推向前進時，后面的氣體變得稀少而使壓力下降，即在吸入管出口附近和混合管入口段的一定范圍內(nèi)，造成一定負壓，促使被噴射氣體不斷被吸入混合管內(nèi)，又不斷被噴射氣體帶走(如下圖1所示).

圖1 引射器原理示意圖

2 PEMFC引射器的設(shè)計

本文采用目前應(yīng)用比較廣泛的索科洛夫引射器設(shè)計方法[6]，根據(jù)能量守恒質(zhì)量守恒和動量守恒定理結(jié)合經(jīng)驗公式對一高壓系統(tǒng)所用引射器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計.

對于PEMFC用引射器提出以下假設(shè):

1)氫氣壓力在進入引射器噴嘴入口前由減壓閥減至500kPa;

2)PEMFC陽極出口側(cè)的壓力約為為240kPa;

3)PEMFC陽極入口側(cè)溫度為20℃，出口側(cè)溫度為80℃;

4)引射器內(nèi)部氣體絕熱指數(shù)和氣體常數(shù)相同，k=1.41，R=4121J/kg·k.

引射器的設(shè)計工況點參數(shù)如下表1:

表1 設(shè)計工況點參數(shù)

圖2 引射器裝配圖

根據(jù)索科洛夫引射器設(shè)計方法進行尺寸設(shè)計，最終完成的引射器如圖2所示.壓力PC不變的情況下，增大引射器的入口壓力PP，此時引射比的變化情況同A點相同，運行穩(wěn)定但是引射比降低;增大引射器的入口壓力PP，會發(fā)現(xiàn)，引射器會從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，出口壓力將高于新工作流體壓力所對應(yīng)的臨界出口壓力，并且引射系數(shù)將先增大后迅速下降，直至出現(xiàn)負值.

圖3 不同入口壓力下出口壓力Pc與引射比u的關(guān)系曲線

3 PEMFC引射器使用特性研究

由于引射器的設(shè)計工況是固定的，而其實際應(yīng)用往往是變工況運行狀態(tài)，因此研究其在全負荷范圍內(nèi)的使用性能就顯得極為重要.

3.1 入口壓力對引射器的影響

分別設(shè)定入口壓力為 6.0bar，5.5bar，5.0bar，4.5bar，引射端壓力為 2.0bar，計算所得引射器出口壓力與引射器引射比的關(guān)系曲線如圖3所示.

以引射壓力為5.5bar為例，假設(shè)引射器在A點工況下工作，此時，引射器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，引射器的引射比處于最高值，此時，在保持引射端壓力PH和出口壓力PC不變的情況下，增大引射器的入口壓力PP，不難發(fā)現(xiàn)，在變化過程中，引射器一直處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，同時引射比在不斷的減小.在保持引射端壓力PH和出口壓力PC不變的情況下，減小引射器的入口壓力PP，則發(fā)現(xiàn)會發(fā)現(xiàn)，在引射器的入口壓力PP減小量不大的情況下，引射器仍然會處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，同時引射比在變化的過程中不斷增大;在引射器的入口壓力PP進一步減小的情況下，引射器此時的出口壓力會等于新工作流體引射比關(guān)系曲線上的臨界出口壓力，此時引射器的引射比仍在增大;引射器的入口壓力PP再次減小時，引射器則會處于新工作流體引射比關(guān)系曲線上的不穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時引射器的引射比已經(jīng)在減小，直至引射比變?yōu)樨撝?，引射器出現(xiàn)倒流現(xiàn)象.

假設(shè)引射器在B點工況下工作，此時，引射器處于臨界工作狀態(tài)，當保持引射端壓力PH和出口

當引射器在C點工況下工作，此時引射器處于非穩(wěn)定工作狀態(tài).工作流體壓力增加不大時，引射器繼續(xù)處于非穩(wěn)定工作狀態(tài)，并且引射比減小;當工作流體壓力增大到一定值時，引射器出口壓力會達到引射器出口臨界壓力，引射器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，繼續(xù)增大工作流體壓力，引射器會一直處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，但是引射比減小.減小引射壓力，引射器處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，引射比會先增大之后迅速減小，直到為負值出現(xiàn)回流現(xiàn)象.

綜上所述，引射器引射比與引射器工作流體入口壓力的關(guān)系是復(fù)雜的，這同時取決于混合流體的出口壓力，當混合流體的出口壓力不同時，改變引射器工作流體入口壓力造成引射器引射比的變化規(guī)律時不同的.

圖4 不同引射壓力下出口壓力Pc與引射比u的關(guān)系曲線

3.2 出口壓力對引射器的影響

在引射器入口壓力保持不變，改變引射端壓力的情況下，研究引射器出口壓力和引射器引射比的關(guān)系，通過在上述條件下引射器出口壓力和引射器引射比的關(guān)系曲線來研究引射器入口壓力對引射器工作性能的影響.在計算中，設(shè)定入口壓力為5.0bar，引射端壓力分別為 1.8bar，2.0bar，2.2bar，計算所得引射器出口壓力與引射器引射比的關(guān)系曲線如圖4所示

從圖4中可以看出，各工況下的引射器工作變化規(guī)律基本相同，都存在一個出口臨界壓力Pcr，出口臨界壓力Pcr是隨著引射流體壓力的增加而增大的.在保持工作流體入口壓力和引射端壓力不變的情況下，隨著引射器混合流體出口壓力的減小，引射器的引射比會逐漸增大，直至最大值后，幾乎保持不變.反之，隨著引射器混合流體出口壓力的增大，引射器的引射比會先保持不變，然后逐漸減小，直至變?yōu)樨撝?

圖5 引射器仿真沿軸線壓力變化

3.3 引射壓力對引射器的影響

從圖4中可以看出，出口臨界壓力Pcr和最大引射比都隨著引射流體壓力的增加而增大的.這是因為，引射流體與噴嘴出口截面上工作流體間的壓差會隨著引射端流體壓力的升高而增大，從而增強了工作流體對引射流體的卷吸能力，在入口工作流體質(zhì)量流量不變的情況下，帶走更多的引射流體質(zhì)量流量，增大了引射器的引射比;另一方面，增加了混合流體的能量，增強了克服出口壓力的能力，所以，使臨界出口壓力有所提高.

4 引射器CFD仿真分析

引射器結(jié)構(gòu)雖然簡單，但其內(nèi)部流場比較復(fù)雜，引射流動實際上是一種復(fù)雜的粘性流動形式，屬于高雷諾數(shù)、強剪切湍流射流.通過CFD軟件可以觀察引射器內(nèi)的流場分布，并研究引射器各尺寸對于引射器工作特性的影響，進而對引射器進行優(yōu)化改進.

4.1 引射器仿真模型假設(shè)

結(jié)合理論分析，為了簡化模型，節(jié)省演算時間增加計算精確度，對引射器模型進行合理的假設(shè)，本課題所做的假設(shè)如下:

1)將引射流體的側(cè)向入口簡化成軸向環(huán)形入口

由于三維模型對計算機的配置要求較高，考慮到引射氣體入口段流速與噴嘴出口段工作氣體的流速相比很小，所以在優(yōu)化模型中可以將引射流體的側(cè)向入口簡化成軸向環(huán)形入口，從而將引射器的結(jié)構(gòu)簡化成二維軸對稱模型.

2)將噴嘴進口時的初速度和引射口的初速度設(shè)為0

由于工作和引射流體在進入引射器時的初速度與它們在混合室中的速度相比較是很小的，所以可以把該初始速度忽略不計.

3)整個模擬過程為絕熱過程

本文主要研究氣體的混合流動，因此，可以不需要考慮引射器壁面的散熱.

圖6 引射器仿真壓力場分布

圖7 引射器仿真速度場分布

4.1 引射器數(shù)值模擬仿真

圖5是入口壓力為 5.0bar，引射壓力為 2.0bar，出口壓力為2.4bar時引射器沿軸線方向的壓力分布情況.可以發(fā)現(xiàn)，引射器內(nèi)沿軸線分布壓力變化較大，尤其是噴嘴部分，壓力梯度最大.氫氣從圓管進入噴嘴縮口一段距離接近喉口時，壓力梯度開始急劇下降，伴隨著速度的上升，圖中可以看出，在擴口部分，氫氣壓力仍然在下降，說明氫氣在噴嘴喉口達到臨界速度，但噴嘴出口的壓力低于理論設(shè)計時的噴嘴出口壓力.在離開噴嘴出口截面后，即在錐形混合室中，氫氣壓力有一定的提升.在設(shè)計過程中，由于使氫氣在離開噴嘴出口截面時的壓力等于引射端壓力，故在離開引射器噴嘴出口截面后的一段距離中，壓力變化不大，而仿真結(jié)果顯示這段距離氫氣壓力已經(jīng)上升到大于引射端壓力.氫氣此后分別在錐形混合室接近圓柱形混合室部分和剛出混合室至擴壓室一段距離有較大的壓力提升.

圖6和圖7分別是引射器仿真壓力場分布以及引射器仿真速度場分布，從中可以看出，壓力最小值出現(xiàn)在噴嘴擴口處，說明噴嘴尺寸設(shè)計符合理論設(shè)計要求，即氫氣在噴嘴喉口處達到臨界值，經(jīng)過噴嘴擴口，氫氣繼續(xù)減壓增速，壓力進一步下降，在離開噴嘴擴口時，氫氣壓力值明顯小于引射端入口壓力值，隨后進入預(yù)混合室、混合室以及擴壓室氫氣壓力上升到一定值.

5 總結(jié)

本文分析了引射器的工作原理，以索科洛夫的計算方法為依據(jù)，假設(shè)流動為一維穩(wěn)態(tài)流動，根據(jù)能量守恒質(zhì)量守恒和動量守恒定理設(shè)計了應(yīng)用于PEMFC的引射器.在此基礎(chǔ)上研究引射器各工作參數(shù)對引射器工作的影響，并對其進行了CFD仿真分析.通過分析可知，工作流體入口壓力和引射流體壓力存在一個出口臨界壓力，當PC值大于臨界壓力時，引射比將隨著壓力PC的增大而減小，繼續(xù)提高出口壓力PC甚至可能導(dǎo)致引射比為負值(即部分工作流體會從引射口流出引射器)，然而，當PC小于臨界壓力時，引射比為最大值且保持不變，這個時候引射器達到給定工作流體和引射流體初始參數(shù)下的最佳工作能力.引射器的工作能力并不是簡單的隨入口壓力的增大而變好或變壞.需要根據(jù)不同的情況即不同的引射壓力和出口壓力來單獨研究.隨著引射流體壓力的增加，引射器的引射系數(shù)隨之增大.

雖然實際運行狀況和理論計算存在一定偏差，但對引射器使用性能的研究具有很好的理論指導(dǎo)意義.

[1]衣寶廉.燃料電池——原理.技術(shù).應(yīng)用[M].北京:化工出版社，2003.

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[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]王洪衛(wèi)，王偉國.質(zhì)子交換膜燃料電池陽極燃料循環(huán)方法[J].電源技術(shù)，2007，31(7):559－561.

[6]索科洛夫 ЕЯ，津格爾H M(著)，黃秋云(譯).噴射器[M].北京:科學出版社，1977:17－78.