170 kW燃料電池系統(tǒng)引射器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)影響研究*

龐子卉，韓濟(jì)泉，陳 平，劉云梅，馮健美，彭學(xué)院

（1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，西安 710049；2.寧波綠動氫能科技研究院有限公司，寧波 315033）

前言

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）有著高效、零排放、安全、簡便和低成本的優(yōu)勢，其在交通領(lǐng)域、小型發(fā)電站、便攜式電源等場所有著極大的應(yīng)用前景［1］。為了提高PEMFC系統(tǒng)的整體效率，氫氣供給系統(tǒng)常采用氫氣循環(huán)方案［2］。氫氣循環(huán)裝置主要有循環(huán)泵和引射器［3-4］，相比于有寄生功率消耗和可靠性差的循環(huán)泵，引射器利用壓差來實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)供應(yīng)，沒有運(yùn)行部件和額外功耗，具有系統(tǒng)效率高、維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)［5］，是很有前途的氫氣循環(huán)方案。

引射器的工作性能會受到工況條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)等多種參數(shù)的影響，當(dāng)引射器在燃料電池系統(tǒng)的寬范圍工況下工作時，在非設(shè)計工況下（尤其是低功率工況下）的性能較差［6］。為拓寬PEMFC系統(tǒng)中引射器的工作范圍，可變噴嘴引射器［6-7］、脈沖引射器［8］、多引射器［9］、引射器和循環(huán)泵組合［3］等多種方案被提出，但這些方案對控制策略有很高要求，容易影響系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。也有學(xué)者對于固定結(jié)構(gòu)引射器在寬工況下工作性能開展研究，文獻(xiàn)［10］中將40 kW級PEMFC的壓降實(shí)驗擬合數(shù)據(jù)用于引射器模型的仿真優(yōu)化中，更準(zhǔn)確地評估了引射器在整個工況下的工作性能，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化將引射器氫氣回流比提高到1.2以上；文獻(xiàn)［11］中基于10 kW級PEMFC的陽極壓降特性對引射器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能分析，使優(yōu)化后引射器在低功率下的引射性能有顯著提高，同時指出引射器的氫引射率對噴嘴直徑與混合管直徑之比更為敏感。

目前對于100 kW以上大功率燃料電池系統(tǒng)用引射器在寬范圍工況下工作性能的研究還較少。本文以170 kW級燃料電池系統(tǒng)用引射器為研究對象，對引射器特性進(jìn)行三維數(shù)值仿真分析，重點(diǎn)分析實(shí)際燃料電池系統(tǒng)不同工況下噴嘴出口直徑Dt、等容混合室直徑Dm對引射性能的影響規(guī)律，從而優(yōu)化引射器結(jié)構(gòu)，找出能夠適應(yīng)更寬功率范圍的引射器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法，為解決更大功率燃料電池寬范圍工況下引射器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論參考。

1 引射器參數(shù)確定

1.1 工況條件

圖1為采用引射器的氫氣循環(huán)系統(tǒng)，從儲氫罐中出來的高壓氫氣為一次流，二次流由從陽極排出的未反應(yīng)氫氣和水蒸氣組成。引射器中的流體的流動過程如圖2所示，一次流在引射器的收縮噴嘴中流動，壓力降低、速度升高，在吸入室中形成低壓區(qū)域，使得二次流在壓差作用下被吸入，隨后一次流和二次流在等容混合室中混合，產(chǎn)生的混合流體在擴(kuò)散室中膨脹，達(dá)到燃料電池運(yùn)行所需壓力。

圖1 采用引射器的氫氣循環(huán)系統(tǒng)

圖2 引射器尺寸

氫氣引射率ERH2是評價引射器性能的重要指標(biāo)，它表示二次流與一次流氫氣質(zhì)量流量的比值：

式中：ms，H2為二次流中氫氣質(zhì)量流量；mp為一次流的質(zhì)量流量，kg/s。在工程實(shí)際中衡量燃料電池系統(tǒng)用引射器運(yùn)行性能時，常用氫化學(xué)計量比SRH2這一評價指標(biāo)。

引射器工作在170 kW級燃料電池電堆中，電堆的工況條件見表1，為了保持燃料電池系統(tǒng)的高效率和及時去除液態(tài)水，氫氣化學(xué)計量比需要在1.2以上，在低功率工況下為改善電堆水淹問題，往往低功率工況下需求的氫化學(xué)計量比較高。

表1 電堆工況條件

1.2 引射器尺寸

引射器中結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，Dt、Dm被認(rèn)為是影響引射器性能的決定性結(jié)構(gòu)參數(shù)，文獻(xiàn)［12］中采用多目標(biāo)優(yōu)化方法和CFD方法分析得出噴嘴喉部直徑（D）t和混合室直徑（Dm）兩個參數(shù)是影響引射性能的關(guān)鍵參數(shù)；此外，文獻(xiàn)［13］和文獻(xiàn)［14］中也通過集總參數(shù)法、熱力學(xué)分析方法指出Dt、Dm在引射器設(shè)計中的重要作用，因此本研究主要探究Dt、Dm在寬范圍工況下對引射器性能的影響。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值方法基于現(xiàn)存大量研究給出的推薦范圍，噴嘴出口位 置NXP的 最 優(yōu) 取 值 為0.5Dm～1.0Dm［15］，此 處 取0.9Dm，以避免主噴嘴和壁間的間隙過小，限制二次流動并降低引射器性能；擴(kuò)散室長度Ld對噴射器性能的影響很?。?2］，此處取10Dm；為避免過大的擴(kuò)壓角αd帶來的流動分離，ESDU推薦為3°～4°，文獻(xiàn)［15］中推薦2.5°～4°，此處取4°?；谏鲜鲇懻摚O(shè)計的引射器初始尺寸如圖2所示。

2 數(shù)值模型

2.1 控制方程

對引射器內(nèi)流動數(shù)值模擬采用ANSYS Fluent，模型中有如下假設(shè)［6］：（1）質(zhì)子交換膜的密閉性好，滲入陽極的氮?dú)夂靠珊雎圆挥嫞瘟鲀H為氫氣和水蒸氣的理想混合物；（2）引射器內(nèi)氣體為可壓縮氣體；（3）引射器中流動為穩(wěn)定湍流流動；（4）在流動過程中，忽略過程中的氣液相變及重力的作用。

基于上述假設(shè)，得到如下控制方程。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

理想氣體方程：

組分運(yùn)輸方程：

式中：下標(biāo)i，j代表某個物理量在i或j方向?qū)?yīng)的值，如vi為在i方向的速度值；p、τij指壓力和應(yīng)力張量，應(yīng)力張量τij為E、Keff、μef、δij、T分別為內(nèi)能、有效導(dǎo)熱系數(shù)、有效動態(tài)系數(shù)、克羅貝克常量和穩(wěn)態(tài)溫度。

求解引射器中的流動需要湍流模型，湍流模型的選擇對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性很重要。RNGk-ε和SSTk-ω是引射器模擬中常用的兩個模型，許多研究通過模擬和實(shí)驗結(jié)果，證實(shí)SSTk-ω湍流模型在總體上表現(xiàn)更好［6］，因此本研究采用SSTk-ω湍流模型。同時使用組分運(yùn)輸模型來研究多組分流體的運(yùn)動狀態(tài)?？刂品匠淌褂没赟IMPLE算法的壓力-速度耦合求解器求解，梯度項、壓力項等項目的離散格式如表2所示。計算收斂精度設(shè)置為1×10-5，以保證引射器內(nèi)流體達(dá)到充分穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 控制方程求解方法

2.2 邊界條件

引射器的運(yùn)行條件由PEMFC堆的運(yùn)行條件確定，本研究中工況參數(shù)基于某電堆實(shí)測數(shù)據(jù)。以質(zhì)量流量作為一次流的入口邊界條件，不同電堆功率下對應(yīng)的值見表1。以壓力作為二次流的入口邊界條件和混合流的出口條件，引射器的壁面設(shè)置為絕熱條件。考慮到170 kW電堆的工作范圍較寬，系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行壓力會隨負(fù)載變化，因此劃分出中低功率（70 kW以下）和高功率（70～170 kW）工況來研究引射器在寬范圍工況下的工作性能。引射器數(shù)值模擬的邊界條件列于表3。

表3 不同電堆工況下邊界條件

2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗證

引射器中網(wǎng)格均為四面體網(wǎng)格，為了驗證網(wǎng)格的無關(guān)性，對引射器的模型網(wǎng)格數(shù)從76 155到371 829進(jìn)行了劃分，設(shè)置出7套網(wǎng)格。氫氣引射率ERH2隨網(wǎng)格數(shù)的變化如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為29萬時的變化率分別已符合標(biāo)準(zhǔn)，再增加網(wǎng)格數(shù)量氫氣引射率的值基本不再發(fā)生變化，所以可以認(rèn)為選取網(wǎng)格數(shù)量不影響計算結(jié)果，同時為了節(jié)省計算成本，保證計算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性。本文選取29萬數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2.4 模型驗證

通過仿真結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果對比的方法來驗證引射器模型的正確性和有效性。用于驗證的引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗數(shù)據(jù)均來自文獻(xiàn)［6］。圖4展示了一次流壓力由1 000到1 300 kPa的變化下，實(shí)驗引射率和模擬引射率的對比，兩者偏差在±3%以內(nèi)，因此證明所建立的引射器模型是可靠的。

圖4 模擬結(jié)果和實(shí)驗結(jié)果對比

3 結(jié)果與討論

為拓寬引射器在PEMFC系統(tǒng)中的工作范圍，需要對引射器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)前文的討論，對引射器性能影響最大的兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為噴嘴出口直徑Dt和等容混合室直徑Dm，因此引射器性能分析圍繞在中低、高兩類電堆工況下Dt、Dm的變化規(guī)律展開。表4為用于優(yōu)化的引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

表4 引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)組合

3.1 噴嘴出口直徑影響

噴嘴出口直徑Dt的值主要與一次流的壓力和流量有關(guān)，而在額定工況中給定的一次流流量下，噴嘴出口直徑Dt主要受到一次流壓力的影響。噴嘴出口直徑Dt的計算公式如下：

設(shè)置額定工況下的一次流壓力分別在1 000、1 200、1 500 kPa左右，對應(yīng)計算出噴嘴出口直徑分別為2.5、2.3、2.1 mm，在燃料電池系統(tǒng)全功率范圍進(jìn)行模擬，得到固定等容混合室直徑Dm為7.4 mm時，在3種噴嘴出口直徑下，氫氣計量比隨工況變化規(guī)律（圖5）和一次流壓力隨質(zhì)量流量變化（圖6）。

由圖5可以看出，隨著噴嘴出口直徑的減小，引射器在全功率下的氫氣計量比都在增加，并且在中低功率下計量比增長的幅度大于高功率，即減少噴嘴出口直徑，會提升引射器的性能，尤其是中低功率下的性能。但是根據(jù)圖6中一次流壓力與質(zhì)量流量的關(guān)系可知，壓力與質(zhì)量流量之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，即隨著質(zhì)量流量的增加，一次流壓力隨之增加，這與式（7）一致。進(jìn)而可以發(fā)現(xiàn)減小噴嘴出口直徑帶來的負(fù)面效應(yīng)是高功率下一次流壓力的增大，而過高的一次流壓力不利于系統(tǒng)的安全，且一次流壓力的大小與管道所能承受的壓力、噴氫閥能夠提供的最大壓力有關(guān)，因此，噴嘴出口直徑的選取原則為：為滿足引射器在低功率下的性能，在射流壓力允許的情況下，選擇盡可能小的噴嘴出口直徑。

圖5 噴嘴出口直徑對氫氣計量比的影響

圖6 一次流壓力與一次流質(zhì)量流量的關(guān)系

3.2 等容混合室直徑影響

當(dāng)一次流在噴嘴中流動、經(jīng)加速增壓后從出口排出，二次流會利用壓差進(jìn)入引射器，兩者在混合室內(nèi)流動至混合均勻，隨后經(jīng)擴(kuò)壓室擴(kuò)壓后排出。其中一次流與二次流的混合程度會影響引射器的性能，而混合室的直徑又是影響兩者混合效率的直接因素，直徑過大會使得兩者摻混變少、混合不均勻、甚至產(chǎn)生倒流現(xiàn)象，直徑過小會增大摩擦、限制混合程度，因此選取恰當(dāng)?shù)幕旌鲜抑睆绞窃O(shè)計在寬功率下有良好性能的引射器的關(guān)鍵。

保證其他初始參數(shù)不變，固定噴嘴出口直徑Dt為2.1 mm，設(shè)定等容混合室直徑Dm的取值在3.2～12.6 mm，Dm的取值對應(yīng)為噴嘴出口直徑Dt的1.5～6倍，分別在中低和高電堆功率下模擬引射器的性能，得到圖7和圖8展示的不同電堆功率下Dm對氫氣計量比的影響。

由圖7可見，隨著Dm增大，不同電堆功率下氫氣計量比都出現(xiàn)峰值，且電堆功率越大，最佳Dm的值也越大。同時圖7給出了在中低功率下，滿足氫化學(xué)計量比SRH2在1.2以上要求的Dm取值范圍，可以發(fā)現(xiàn)在較大的電堆功率下滿足要求的Dm范圍較寬。但只有當(dāng)Dm/Dt在2左右，才能同時滿足3個功率下氫氣計量比大于1.2的需求。然而此時3個功率下引射器能夠達(dá)到的最大SRH2均在1.4左右，不僅在改善更低功率工況下電堆水淹問題上收效很小，還使得在中低功率下引射性能表現(xiàn)遠(yuǎn)偏離最優(yōu)點(diǎn)。因而對于在大功率電堆中工作的結(jié)構(gòu)固定引射器，很難滿足更低功率（20 kW以下）工作要求。

圖7 中低電堆功率等容混合室直徑對引射性能的影響

同樣，從圖8可知，隨著Dm的增加，氫化學(xué)計量比會有先增后減的趨勢，且最佳Dm的值與電堆功率有關(guān)。在100、125、150、170 kW 4個電堆功率下對應(yīng)的最佳Dm/Dt的值分別為3.5、4、4.5、5，呈現(xiàn)出最佳Dm/Dt隨著電堆功率增大而增大的線性規(guī)律。這是因為隨著功率的增加，一次流流量增加，而較大的一次流流量意味著其在混合腔中膨脹流動所占用的流通面積較大，因此也需要較大的等容混合室直徑來為引射的二次流提供足夠?qū)捲５牧魍娣e，進(jìn)而能夠引射較大的二次流流量。所以當(dāng)引射器在寬功率工況范圍內(nèi)運(yùn)行時，在不同的運(yùn)行功率下對應(yīng)有不同的最佳等容混合室直徑數(shù)值，電堆功率越高，對應(yīng)的最佳等容混合室直徑越大。

圖8 高電堆功率等容混合室直徑對引射性能的影響

圖9更直觀地展示了在170 kW級電堆的寬范圍工況下，等容混合室直徑對氫氣計量比的影響規(guī)律。由圖9可見，相比工作在中低電堆功率的性能，高電堆功率下引射器更容易達(dá)到良好性能，且最優(yōu)Dm的值更大、范圍也更寬。因而在保證高電堆功率下工作性能的前提下，提升在中低電堆功率工作性能是Dm設(shè)計的重點(diǎn)。

圖9中的深藍(lán)色區(qū)域1、2為SRH2=1時代表的引射失效狀態(tài)，分別對應(yīng)Dm過小時在40～170 kW下引射器性能的整體失效和Dm過大時在低功率下引射器的失效。

圖9 寬功率范圍內(nèi)氫氣計量比隨等容混合室直徑變化

3.2.1 等容混合室直徑過小的影響

由圖10可見：當(dāng)引射器在170 kW的電堆工況下運(yùn)行時，在Dm/Dt=2時，引射器中一次流的流動占據(jù)了極大空間，僅為二次流流動提供了狹小的空間，不利于引射；而將Dm/Dt增大至5后，擴(kuò)大了提供給二次流的流動面積，一次流從而能夠引射到足夠的二次流流量。因此等容混合室直徑過小帶來的流動空間不足問題會引發(fā)引射器性能失效。

圖10 Dm過小對引射器性能的影響

3.2.2 等容混合室直徑過大的影響

當(dāng)Dm過大時，圖11以引射器在40 kW的電堆工況下運(yùn)行為例，選擇此功率下對應(yīng)的最佳Dm/Dt=2.5和性能失效的Dm/Dt=5進(jìn)行比較。

圖11 Dm過大對引射性能的影響

當(dāng)Dm/Dt=2.5時，引射器的表現(xiàn)便已達(dá)到最佳，若進(jìn)一步增大引射器的等容混合室直徑，會引發(fā)倒流現(xiàn)象，并在引射器壁面和射流核心處產(chǎn)生渦旋，使得引射器性能降低，直至Dm過大帶來引射器失效。

流體在混合室中流動時，由動量守恒定律可知，混合流的出口動量等于一、二次流的入口動量和壓差力之和，壓差力指的是在混合流入口壓力（pm，in）和出口壓力（pm，ou）t間因壓差形成的力，該力的值與壓差pm，in-pm，out和等容混合室面積Am有關(guān)。Dm增大，等容混合室面積Am也會增加，進(jìn)而使得壓差力增大。引射器為維持流動穩(wěn)定，會降低壓差pm，in-pm，out，這使得引射性能變差直至性能失效。

因而，選用較小的混合室直徑Dm有利于形成較大的壓差pm，in-pm，out，提升引射器性能，而混合室直徑太大會使得壓差太小，產(chǎn)生倒流現(xiàn)象。

3.3 寬功率工況下引射性能

在Dt=2.1 mm時，不同Dm/Dt在寬功率下的引射效果對比見圖12。Dm/Dt在2.5～3時的引射效果最好，與初始的Dm為7.4 mm（Dm/Dt=3.5）相比，雖然會使得170 kW時的氫化學(xué)計量比由2.3降低到1.7，降低了26%，但也將40 kW時的氫化學(xué)計量比由1.09提高到1.8，提高了65%，因此選用較小的Dm會以犧牲部分高電堆功率下性能為代價，大幅提升引射器在中低電堆功率下的性能，有利于擴(kuò)大引射器的適用工作范圍。對于170 kW級電堆用引射器，采用2.5～3的Dm/Dt值，使得引射器覆蓋的電堆功率范圍由70～170 kW拓寬至40～170 kW，引射器在大功率電堆中適應(yīng)的功率范圍拓寬近43%。

圖12 寬功率下的引射效果對比

4 結(jié)論

針對170 kW大功率燃料電池用引射器，重點(diǎn)分析了在寬范圍工況下引射器兩個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴出口直徑Dt和等容混合室直徑Dm對引射性能的影響規(guī)律，并探究出適應(yīng)更寬覆蓋范圍的參數(shù)最佳組合，結(jié)論如下：

（1）最佳混合室直徑隨著電堆功率的增大而增大，選用較小的等容混合室直徑，有利于形成較大的壓差，防止引射器中二次流倒流現(xiàn)象，將使引射器在低功率工況下的引射性能明顯提升。

（2）當(dāng)Dm/Dt在2.5～3時，引射器的性能最好，引射器覆蓋的功率范圍從70～170 kW拓寬至40～170 kW，引射器適應(yīng)的功率范圍拓寬近43%。