質(zhì)子交換膜燃料電池氫循環(huán)噴射器的組分輸運與相變研究＊

孫文慧，梁麗華

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250101)

0 引言

汽車的普及和發(fā)展一直伴隨著石油消費危機和空氣污染危機。質(zhì)子交換膜燃料電池以氫為燃料，具有零污染物排放、啟動速度快、工作溫度低、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，是替代內(nèi)燃機(ICE)最有前景的技術(shù)[1]。

噴射器因結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、無寄生功率等特點正逐漸取代傳統(tǒng)的機械泵，回收利用未消耗的氫氣和水蒸氣，提高PEMFC 系統(tǒng)的性能，成為近年來的研究熱點[2]。PEMFC 陽極側(cè)氫罐中釋放的氫氣作為高壓一次流，進入噴射器，引射循環(huán)回路中未消耗的氫氣和未排盡的水蒸氣；流體在噴射器中混合，作為燃料輸送到電堆。噴射器需充分回收未消耗的氫，及時排出產(chǎn)生的液體水。

迄今為止，對PEMFC系統(tǒng)陽極氫氣再循環(huán)噴射器的研究數(shù)量有限，主要集中在利用CFD 方法進行機理研究和優(yōu)化。Feiqiang Li.[3]等考慮吸入流體中水蒸氣質(zhì)量分數(shù)，設(shè)計了一種具有匯聚噴嘴和圓柱形混合管的噴射器，在PEMFC 系統(tǒng)內(nèi)達到預(yù)期的摩爾再循環(huán)比。文獻[4]基于剪切應(yīng)力等輸運模型，建立了噴射器二維軸對稱模型，結(jié)果表明，二次流濕度和混合室直徑對氫氣再循環(huán)率有顯著影響。由上述文章可知，噴射器陽極氫氣再循環(huán)中，二次流濕度在20%～100%左右，且由多種氣體組成，必然會對噴射器性能產(chǎn)生影響。

不同工況下復(fù)雜的內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)對噴射器性能有很大的影響，成為近十年來噴射器研究的主要課題。Croquer[5]基于熱力學(xué)雙方程湍流模型，觀察激波列沿線的高壓和低壓區(qū)域。文獻[6]顯示在沖擊波和邊界層處出現(xiàn)了最大流速約1.8 馬赫，伴隨著清晰的、明顯的壓力變化。同時，噴射器內(nèi)復(fù)雜的超聲速流體動力學(xué)、壓力變化、高湍流等使得蒸汽凝結(jié)和相變的現(xiàn)象受到越來越多的重視[7]。Wang等[8,9]采用濕蒸汽模型研究了過熱蒸汽液位對噴射器內(nèi)冷凝液滴半徑、液滴數(shù)量、液分數(shù)和引射性能的影響，完成了噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

多篇文章針對一次流和二次流均為水蒸氣的工況，對噴射器內(nèi)的凝結(jié)和相變進行了研究[7-9]。然而，在PEMFC 系統(tǒng)中，噴射器的一次流是氫氣，而二次流是氫氣和水蒸氣的混合物。噴射器內(nèi)工作流體的變化會引起氣體粘度、密度等熱機械參數(shù)的變化，這些變化對冷凝現(xiàn)象有重要影響。此外，之前文獻研究的噴射器內(nèi)冷凝過程幾乎發(fā)生在制冷和MED-TVC 系統(tǒng)中，二次流和出口流體相互獨立。相反，在PEMFC系統(tǒng)中，二次流和出口流體的參數(shù)是強耦合的。

本研究的主要貢獻在于：建立了一種組分輸運-相變模型，并將其應(yīng)用于PEMFC 系統(tǒng)中陽極再循環(huán)噴射器的流動動力學(xué)特性分析和操作性能評價。

1 噴射器模型

用于PEMFC 系統(tǒng)陽極再循環(huán)的噴射器由五部分組成，如圖1 所示：噴嘴、吸入室、混合室、等面積段和擴散段。一次流氫氣在收斂噴嘴內(nèi)擴大速度，降低壓力。由于壓差，吸入室內(nèi)超音速氫氣損失部分動能，由二次流入口吸入未消耗的氫氣和水蒸汽。兩種流體在混合室中混合，進行復(fù)雜的能量交換，在等面積段和擴散段發(fā)生剪切混合，具有一定濕度和壓力(背壓)的混合流體在出口處被送到燃料電池電堆。

圖1 PEMFC系統(tǒng)陽極再循環(huán)噴射器結(jié)構(gòu)圖

為了研究噴射器內(nèi)流體動力學(xué)特性，本文提出組分輸運-相變模型，控制方程由質(zhì)量、動量和能量守恒方程來描述。為了模擬多相流體動力學(xué)，可以采用Mixture模型求解混合相的動量、連續(xù)性和能量。由此得到各相體積分數(shù)、各組分質(zhì)量分數(shù)和相對速度的代數(shù)表示。

⑴在混合物模型中，連續(xù)性方程，即二維軸對稱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量守恒方程，由式⑴得到：

其中，ρm為混合物的密度，?為標量的梯度或矢量的梯度(二階張量)為混合物的平均質(zhì)量流量。

考慮組分輸運，利用對流擴散質(zhì)量守恒方程式⑵預(yù)測各組分的局部質(zhì)量分數(shù)：

其中，ρ是混合物密度，mj是第j個組分質(zhì)量分數(shù)是第j個組分由于濃度和溫度梯度的擴散通量，Rj是化學(xué)反應(yīng)生成速率，Sj是用戶定義的反應(yīng)生成速率。

對于第k相，求解對流擴散方程(3)來預(yù)測各組分的局部質(zhì)量分數(shù)。

其中，αk為第k相的體積分數(shù)，mjk為第k相中第j組分的質(zhì)量分數(shù)為第k相的質(zhì)量流量，mki→pj為第k相到第p相中第i組分和第j組分之間的質(zhì)量傳輸。

將各相的動量方程求和，得到動量守恒方程，由公式⑷給出：

其中，n為相的個數(shù)，μm為混合物粘度為外部體積力為重力體積力。

能量守恒方程定義為式⑸：

2 計算流程

2.1 邊界條件

根據(jù)電堆輸出功率和運行狀態(tài)調(diào)整噴射器的工作參數(shù)。本研究根據(jù)中國弗爾賽能源公司設(shè)計的RDZ04 系列PEMFC 的實際運行工況進行參數(shù)的設(shè)置，電堆輸出功率為40kW～70kW，噴射器運行參數(shù)如表1所示。

表1 PEMFC系統(tǒng)內(nèi)噴射器運行工況

2.2 數(shù)值計算過程

利用CFD 預(yù)處理軟件GAMBIT GUI 將噴射器的幾何形狀劃分為若干規(guī)則區(qū)域，生成網(wǎng)格?；疚锢砟Ｐ?、湍流模型、多相流模型、部件輸運模型和求解器均使用流行的商用CFD 軟件包Fluent 18.0 實現(xiàn)。采用Besagni 討論的與實驗數(shù)據(jù)吻合較好的RNG k-ω模型，考慮湍流旋渦的低雷諾數(shù)流動的黏度。

考慮液體流動連續(xù)性的特點，多相模型采用歐拉-歐拉模型求解混合相的動量、連續(xù)性和能量方程、二次相的體積分數(shù)方程以及相對速度的代數(shù)表示。組分輸運模型選擇混合物物料，考慮各組分的質(zhì)量分數(shù)，確定混合物的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和粘度等物理性質(zhì)。

3 實驗結(jié)果

圖2 為基于組分輸運-相變模型和干蒸汽模型預(yù)測的噴射器內(nèi)部壓力分布圖。一次流體在噴嘴入口壓力約為6.99 bar，隨著噴嘴的收斂，壓力減??；在噴嘴出口，壓力達到最小值，遠低于二次流進口的1.65 bar，且壓力出現(xiàn)不規(guī)則變化。混合室下游的壓力逐漸增大，在噴射器出口處壓力在2bar 左右，滿足電堆的需求。干氣模型計算的壓力分布變化大于組分輸運-相變模型，且波峰波谷值的出現(xiàn)將對較早。由此表明凝結(jié)現(xiàn)象產(chǎn)生的液滴促進了氣液兩相的換熱，減緩和推遲了壓力振蕩，減小壓力波動時的誤差。

圖2 基于組分輸運-相變模型和干蒸汽模型的噴射器內(nèi)流體壓力云圖

圖3 為基于組分輸運-相變模型和干蒸汽模型計算的噴射器內(nèi)部速度分布圖。噴射器內(nèi)速度分布變化方向與壓力分布變化方向幾乎相反，這是由于壓力勢能與動能相互轉(zhuǎn)換所致。兩種模型的激波形態(tài)相似，但局部速度存在一定差異。對于第一峰值，相變模型的馬赫數(shù)在2.00 左右，而干蒸汽模型馬赫數(shù)為1.98；第一谷值相變模型馬赫數(shù)約為1.60，干蒸汽模型馬赫數(shù)約為1.49；兩模型在等面積段和擴散段的最大馬赫數(shù)差約為1.71；這意味著低估了膨脹程度可能會導(dǎo)致基于干蒸汽假設(shè)的引射比被低估。

圖3 基于組分輸運-相變模型和干蒸汽模型的噴射器內(nèi)流體速度云圖

圖4(a)和圖4(b)顯示了不同濕度和壓力下引射比波動情況。在一定條件下，由組分輸運-相變模型計算的引射比比由干蒸汽模型計算的值高13.2%，誤差低約5.6%。這表明，組分輸運-相變模型可以更準確的預(yù)測不同狀態(tài)方程和流體性質(zhì)(密度、比熱、粘度等)，比干蒸汽模型更適合分析噴射器內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)和性能。

圖4

4 結(jié)論

噴射器對于PEMFC 系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的，它可以將未消耗的氫氣再循環(huán)。本文針對噴射器二次流含有多種氣體且內(nèi)部流體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立了組分輸運-相變模型，并利用流行的商業(yè)CFD 軟件包Fluent進行仿真。通過與干蒸汽模型對比發(fā)現(xiàn)，考慮相變和組分輸運后，考慮與凝結(jié)相關(guān)的熱傳質(zhì)，壓力分布最大差異約14.3%，等面積段和擴散段馬赫數(shù)最大差約1.71，引射比更高。因此可以得出結(jié)論，在預(yù)測PEMFC系統(tǒng)噴射器的流動特性和引射性能時，必須重視組分輸運、冷凝和相變現(xiàn)象。