運(yùn)行條件對氫燃料電池引射器性能影響規(guī)律研究*

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)能源與動力工程學(xué)院,濟(jì)南 250061;2.江蘇大學(xué)汽車工程研究院,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）在便攜式移動電源及新能源車輛等領(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仿真軟件對設(shè)計(jì)的氫氣循環(huán)引射器進(jìn)行全工況模擬，通過改變工作流體質(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)的動態(tài)模型，在不同壓力、溫度下，分析了引射器陽極再循環(huán)模式對系統(tǒng)擴(kuò)散層傳質(zhì)和膜中水運(yùn)輸?shù)挠绊?。Kim 等對燃料電池汽車進(jìn)行了系統(tǒng)級建模，以預(yù)測其性能，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。

研究人員多針對單項(xiàng)運(yùn)行條件展開研究，為了更全面的評價(jià)運(yùn)行條件對引射器性能的影響，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能回收電堆陽極出口的氫氣。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)對引射器模型混合區(qū)域的流動區(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；（2）假設(shè)引射器內(nèi)流體處于穩(wěn)態(tài)流動；（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)臺架，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析論證，搭建的試驗(yàn)臺架如圖3 所示。臺架主要包括空壓機(jī)、穩(wěn)壓罐、干燥過濾筒、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)臺架示意

試驗(yàn)臺架工作原理：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)干燥過濾筒，以確保氣流的純凈干燥以及質(zhì)量流量計(jì)測量的準(zhǔn)確性；通過三通閥將流體分為一次流體和二次流體，通過調(diào)壓閥對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)輸出信號通過自主設(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)臺架上進(jìn)行試驗(yàn)，在不同電流工況下，測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)果對比曲線

3 運(yùn)行條件對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)量流量對引射器性能的影響

引射器的一次流體質(zhì)量流量對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)量對引射器性能影響變化趨勢

3.2 —次流體溫度對引射器性能的影響

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。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引射器性能的改善效果減弱。

圖8 一次流體溫度對引射器性能影響變化趨勢

3.3 二次流體濕度對引射器性能的影響

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。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。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。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 二次流體濕度對引射器性能影響變化趨勢

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，即氫氣回收率呈下降趨勢。因此，在評價(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。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引射性能的不利影響。

圖10 二次流體溫度對引射器性能影響變化趨勢

通過一次流體質(zhì)量流量等因素對引射器性能影響規(guī)律分析可知，一次流體質(zhì)量流量對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，通過對一次流體質(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)臺架。利用臺架測試的引射系數(shù)對搭建的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，二次流體溫度對引射器性能影響效果減弱。