PEMFC系統(tǒng)引射器設(shè)計(jì)及仿真研究

楊秋香，葉 立，殷 園，童正明

（1. 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2. 國核工程有限公司，上海 200233）

質(zhì)子交換膜燃料電池汽車作為一種清潔、節(jié)能的新型汽車，近年來在新能源汽車行業(yè)中備受關(guān)注。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種可將儲存在氧化劑和燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置［1］。PEMFC電堆結(jié)構(gòu)緊湊，在低溫下能夠快速啟動，并且能在任一方位、任何角度工作運(yùn)行［2］。引射器是PEMFC供氫系統(tǒng)中的核心部件，將其集成應(yīng)用于燃料電池陽極燃料循環(huán)系統(tǒng)以提高氫氣利用率。由于引射器具有不直接消耗機(jī)械能，內(nèi)無移動部件，具有結(jié)構(gòu)簡潔、運(yùn)行穩(wěn)定、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)［3-4］，所以PEMFC是最有希望成為替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)的動力源［5-6］。盡管引射器在PEMFC系統(tǒng)中的應(yīng)用研究已陸續(xù)開展，但能量轉(zhuǎn)化效率普遍較低，所以如何提高引射器的能量轉(zhuǎn)化效率成為解決PEMFC汽車氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心課題。本文旨在找出對引射器性能影響較大的變量，并比較不同結(jié)構(gòu)引射器的全工況性能。

1 引射器基本結(jié)構(gòu)和工作原理

引射器是用來進(jìn)行質(zhì)量、能量交換的機(jī)械裝置［7-8］。引射器主要由五個(gè)部分組成：工作噴嘴即laval噴管、接收室、噴嘴至混合室的過渡段、混合室以及擴(kuò)壓室。引射器中高壓工作流體經(jīng)過laval噴管，以超過幾倍音速的速度從噴嘴噴出，進(jìn)入接收室，并不斷帶入壓力較低的幾乎處于靜止的引射流體。工作流體和引射流體相互混合進(jìn)入混合室中，最終兩股流體速度趨于一致后進(jìn)入擴(kuò)壓室，經(jīng)過一個(gè)壓力提升和速度減慢的過程將動能重新轉(zhuǎn)化為勢能［9-10］。

2 引射器的設(shè)計(jì)

2.1 引射器最大引射系數(shù)

電堆對氫氣的入堆壓力有一定要求，所以在引射器出口有穩(wěn)壓裝置。經(jīng)過電堆后氫氣壓力會下降約0.03 MPa。在設(shè)計(jì)引射器時(shí)，工作流體、引射流體以及壓縮流體均忽略空氣和水蒸氣的影響，認(rèn)為引射器內(nèi)的工質(zhì)均為氫氣，并且不考慮引射器內(nèi)部溫度變化。引射器的設(shè)計(jì)需要四個(gè)已知條件，分別為工作流體壓力、引射流體壓力、 混合流體壓力、工作流體質(zhì)量流量。通過這四個(gè)參數(shù)求出噴射器可達(dá)到的最大引射系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)式求出噴射器重要結(jié)構(gòu)尺寸［8］。

設(shè)計(jì)工況點(diǎn)參數(shù)如表1所示。氫循環(huán)引射器可達(dá)到最大引射系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中，為對應(yīng)的混合流體速度系數(shù)。由表2可知，當(dāng)時(shí)，m·s-1。

表1 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)參數(shù)Tab.1 Parameters of the design points

表2 氫循環(huán)引射器可達(dá)到的最大引射系數(shù)Tab.2 Calculation of maximum injection coefficientachieved by hydrogen circulation ejector

2.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸

引射器A主要結(jié)構(gòu)尺寸如表3所示。

表3 引射器 A 的主要結(jié)構(gòu)尺寸Tab.3 Main structural dimensions of ejector A

3 數(shù)值模擬

引射器CFD模型的計(jì)算域網(wǎng)格如圖1所示。本文采用的離散方法為密度基顯式求解器。顯式格式即方程組用Runge-Kutta方法求解，同時(shí)采取多重網(wǎng)格法來加快計(jì)算速度。湍流模型采用RNG二方程模型，運(yùn)用QUICK離散格式。

圖1 引射器計(jì)算域網(wǎng)格Fig.1 Computational domain of the ejector

3.1 引射器失效點(diǎn)工作壓力

經(jīng)過多次模擬后發(fā)現(xiàn)，改變Gp，引射器在MPa時(shí)失效，不能正常工作。為了使引射器在低載時(shí)不失效，引射器前端MPa時(shí)它才能正常工作。MPa時(shí)的馬赫數(shù)和靜壓沿軸向分布如圖2所示。

由于引射端進(jìn)口壓力遠(yuǎn)高于引射器額定引射壓力，Gp很大，導(dǎo)致噴嘴外第一個(gè)激波的最高馬赫數(shù)達(dá)到5，此時(shí)高速流體卷入低速流體的能力過于強(qiáng)大，并且因?yàn)镚H大幅增加，從而導(dǎo)致兩股流體的合流速度并未降至音速以下?；旌狭黧w進(jìn)入擴(kuò)壓段后壓力和速度會再次發(fā)生變化，從而又一次產(chǎn)生激波。由于混合流體是超音速流體，其速度繼續(xù)上升。此時(shí)，工作流體進(jìn)口、引射流體進(jìn)口和混合流體出口端靜壓的最低點(diǎn)出現(xiàn)在引射器出口處，而并非在引射端。

圖2 馬赫數(shù)和靜壓沿軸向分布Fig.2 Mach and static pressure distribution along the axis direction

由于燃料電池汽車在低載時(shí)氫氣的消耗量較小，實(shí)際應(yīng)用中希望在小流量時(shí)引射器也能有較高的引射系數(shù)，因此引射器A在低載工況下引射系數(shù)為負(fù)，無法使燃料電池汽車送氫系統(tǒng)穩(wěn)定正常運(yùn)行。由于提高pp可以提高u，所以在低載工況下提高工作流體壓力，即MPa。當(dāng)MPa時(shí)設(shè)計(jì)了氫循環(huán)引射器B。圖4為全工況下引射器A、B的引射性能。從圖4（b）中可以看出，引射器B的u并沒因?yàn)閜p升至MPa以上就全部變?yōu)檎?。但是圖4（a）與圖4（b）中u在達(dá)到最大值之前的趨勢十分相似。Gp小于某個(gè)值時(shí)，隨著Gp增加，GH和u基本保持線性上升，且均為負(fù)值。而當(dāng)GH和u均為正值時(shí)，這種增加的趨勢有所減緩。u =0時(shí)，工作流體壓力在3.70～3.99 MPa，為u最大時(shí)對應(yīng)工作流體壓力的57%左右，即1.84 MPa。這與引射器A的結(jié)果基本保持一致。所以，為了保證引射器可在低載工況下正常工作，引射器Gp必須小于。

圖4 全工況下引射器 A、B 的引射性能Fig.4 Injection performance for ejector A and B under all conditions

3.2 對引射器性能影響較大的變量

表4 引射器 C、D、E 的噴嘴參數(shù)Tab.4 Parameters of ejector C,D and E nozzles

圖5 全工況下引射器 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 的噴嘴參數(shù)Tab.5 Parameters of ejector F and G nozzles

圖6 全工況下引射器 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的噴嘴參數(shù)Tab.6 Parameters of ejector H and I nozzles

圖7 全工況下引射器 H、I 的引射性能Fig.7 Injection performance for ejector H and I under all conditions

圖8 為引射器H在設(shè)計(jì)工況下擴(kuò)壓段的馬赫數(shù)。

圖8 引射器H 在設(shè)計(jì)工況下擴(kuò)壓段的馬赫數(shù)Fig.8 Mach in the diffuser section for ejector H under designed condition

從圖8中可以看出，流體在擴(kuò)壓段出口前段速度很大，并伴隨著強(qiáng)烈的激波，最大馬赫數(shù)為3。引射器H在g·s-1時(shí)，其內(nèi)部速度基本已達(dá)到臨界點(diǎn)，如果繼續(xù)減小，出口速度將達(dá)到超音速，這樣會使引射器擴(kuò)壓室出口靜壓接近于0，導(dǎo)致溫度過低，從而造成燃料電池效率急劇下降。因此，對引射器擴(kuò)壓室出口壓力進(jìn)行控制是必要的，否則會破壞引射器的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。因此建議最大工作流體質(zhì)量流量的設(shè)計(jì)值不應(yīng)小于g·s-1。

4 結(jié) 論