燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)噴射器設(shè)計(jì)方法綜述

摘要：氫能的合理利用，是實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的有效路徑，有助于推動(dòng)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。在質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，采用噴射器的氫氣循環(huán)系統(tǒng)具有無運(yùn)動(dòng)部件、無需外部能耗、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、無污染、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。氫氣噴射器作為系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能將直接影響系統(tǒng)性能，然而目前高效氫氣噴射器的設(shè)計(jì)方法尚不完善，本文對(duì)現(xiàn)有公開發(fā)表文獻(xiàn)中氫氣噴射器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了梳理和總結(jié)，內(nèi)容包括漸縮單噴嘴氫氣噴射器設(shè)計(jì)、漸縮多噴嘴氫氣噴射器設(shè)計(jì)和縮放噴嘴氫氣噴射器設(shè)計(jì)。最后對(duì)氫氣噴射器設(shè)計(jì)現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并指出未來氫氣噴射器設(shè)計(jì)改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：噴射器；氫氣循環(huán)；質(zhì)子交換膜燃料電池；設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)：TK 124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，能源消耗所產(chǎn)生的二氧化碳過量排放是造成全球氣候變暖和極端天氣出現(xiàn)的重要原因。氫能以能量密度高、清潔等優(yōu)點(diǎn)，已成為全球能源領(lǐng)域未來重要的戰(zhàn)略方向[1-3]。交通運(yùn)輸領(lǐng)域全球碳排放約占總排放量的25%[4]，氫能的合理利用是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的有效路徑[5]，有助于推動(dòng)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

氫燃料電池汽車具有加氫時(shí)間短、無污染、能量密度高等特點(diǎn)，在大載重、長(zhǎng)續(xù)駛、高強(qiáng)度的交通運(yùn)輸體系中具有先天優(yōu)勢(shì)[6]，目前已部分投入實(shí)際應(yīng)用[7]。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是氫燃料電池的一種，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示[8]。工作過程中，在陽極通入純氫氣，經(jīng)過電極反應(yīng)后，有未反應(yīng)完全的氫氣剩余，若直接排放到大氣中，會(huì)造成環(huán)境污染及能源浪費(fèi)，同時(shí)存在極大安全隱患。為了解決這一問題，可采用不同的氫氣循環(huán)系統(tǒng)來回收未反應(yīng)的氫氣[9-10]。

氫氣循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是燃料電池電堆的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響電堆的性能及可靠性[11]。傳統(tǒng)的氫氣循環(huán)系統(tǒng)采用循環(huán)泵將未反應(yīng)氫氣泵送回電堆，該方案存在耗功大、噪聲大、潤(rùn)滑油易污染氫氣、質(zhì)量流量難于精確控制等缺點(diǎn)。為了避免這些問題，Merritt 等[12] 提出將噴射器引入氫氣循環(huán)系統(tǒng)中替代循環(huán)泵，該方案具有無運(yùn)動(dòng)部件、無需外部能耗、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、無污染、成本低廉、可以使氫氣循環(huán)系統(tǒng)更快達(dá)到穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[13-14]，系統(tǒng)如圖2 所示[15]。高壓氫氣經(jīng)過調(diào)壓作為工作流體進(jìn)入氫氣噴射器，流經(jīng)噴嘴后在噴嘴出口形成低壓區(qū)，從而卷吸從燃料電池陽極回來的未反應(yīng)的氫氣與水蒸氣混合物，兩股流體在混合段進(jìn)行動(dòng)量及能量的交換后進(jìn)入擴(kuò)壓段，在擴(kuò)壓段速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，混合流體進(jìn)入燃料電池陽極，如此循環(huán)以利用反應(yīng)中未反應(yīng)的氫氣。

氫氣噴射器作為氫氣循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接決定了氫氣循環(huán)系統(tǒng)效率，進(jìn)而決定燃料電池系統(tǒng)性能及可靠性。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其展開研究，Liu 等[16] 對(duì)應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)的噴射器研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的綜述，主要包括氫氣噴射器基本結(jié)構(gòu)和工作原理、尺寸優(yōu)化的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀、擴(kuò)大噴射器工作范圍和改進(jìn)燃料輸送系統(tǒng)控制策略。Feng 等[17] 指出設(shè)計(jì)適合氫氣循環(huán)系統(tǒng)寬工況運(yùn)行的噴射器是一個(gè)挑戰(zhàn)，并著重對(duì)氫氣噴射器特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、不同結(jié)構(gòu)噴射器比較和系統(tǒng)控制進(jìn)行了綜述，并指出未來研究方向。 Han 等[18] 對(duì)燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了綜述，包括機(jī)械氫泵、噴射器和氣水分離器。在對(duì)噴射器進(jìn)行綜述時(shí)，主要從噴射器工作原理、尺寸優(yōu)化、多噴嘴噴射器研究現(xiàn)狀、噴射器內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象等方面進(jìn)行。目前，對(duì)于高效氫氣噴射器的設(shè)計(jì)方法尚未成熟，公開發(fā)表文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)方法也不盡相同，而現(xiàn)有綜述文獻(xiàn)也并未對(duì)目前采用的氫氣噴射器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比和討論，故本文對(duì)公開發(fā)表文獻(xiàn)中氫氣噴射器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了全面梳理和比較，旨在為高效氫氣噴射器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 噴射器工作原理

噴射器主要由噴嘴、吸入室、混合段以及擴(kuò)壓段4 個(gè)部分組成。高壓工作流體在經(jīng)過噴嘴后壓力降低、速度增加，在噴嘴出口附近形成低壓區(qū)。引射流體入口壓力與低壓區(qū)存在壓差，在壓差的作用下，引射流體被抽吸到吸入室。隨后，工作流體和引射流體進(jìn)入混合段進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量、能量交換，兩股流體完成混合過程后達(dá)到同一速度。最后，混合流體流入擴(kuò)壓段，壓力上升，速度下降。整個(gè)過程中噴射器起到了對(duì)引射流體的抽吸和升壓作用。實(shí)際上，噴射器內(nèi)部流動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜[19]，根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)不同，可分為縮放噴嘴噴射器和漸縮噴嘴噴射器，其沿軸向的壓力和速度變化規(guī)律如圖3 所示[20]。工作流體在縮放噴嘴出口處可達(dá)超音速，在漸縮噴嘴出口處可達(dá)音速。

2 氫氣噴射器設(shè)計(jì)方法

噴射器設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、經(jīng)典熱力學(xué)法和氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法[21]。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法以實(shí)驗(yàn)圖表和經(jīng)驗(yàn)公式作為主要依據(jù)來計(jì)算噴射器結(jié)構(gòu)尺寸。如利用工作流體、引射流體和噴射器出口混合流體的狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算出膨脹比和壓縮比，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)曲線來得到噴射系數(shù)。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法在設(shè)計(jì)過程中使用簡(jiǎn)便，不用進(jìn)行大量計(jì)算，但是實(shí)驗(yàn)圖表的應(yīng)用范圍有限，且相關(guān)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取要求設(shè)計(jì)者具有一定的經(jīng)驗(yàn)，一般較少使用[22-23]。經(jīng)典熱力學(xué)法在熱力學(xué)第一定律和第二定律的基礎(chǔ)上對(duì)噴射器內(nèi)部的熱力過程進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程中采用了一些假設(shè)條件來簡(jiǎn)化模型，如工作流體和引射流體進(jìn)行等壓混合，不考慮工作流體和引射流體進(jìn)口速度和混合流體出口速度等。經(jīng)典熱力學(xué)法物理含義明確，計(jì)算也較為簡(jiǎn)便，但該方法對(duì)混合過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)得到的噴射器性能與實(shí)際情況有一定誤差[24-26]。氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法是在動(dòng)量守恒和能量守恒的基礎(chǔ)上，應(yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)將氣體熱力學(xué)參數(shù)與折算等熵速度聯(lián)系起來。同時(shí)結(jié)合了前蘇聯(lián)熱工研究所的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用速度系數(shù)對(duì)部分公式進(jìn)行修正。氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法設(shè)計(jì)的噴射器尺寸較為精確，但是模型較為復(fù)雜[27]。

燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)中的氫氣噴射器，其自身具備一些特點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注。本節(jié)將對(duì)目前公開發(fā)表文獻(xiàn)中氫氣噴射器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行梳理。

2.1 漸縮噴嘴噴射器設(shè)計(jì)

在氫氣循環(huán)系統(tǒng)中，燃料電池陽極出口含有大量水蒸氣，這意味著氫氣噴射器引射流體入口氫氣中含有水蒸氣。在超音速條件下，水蒸氣有較強(qiáng)的可壓縮性，壓縮波或膨脹波的出現(xiàn)會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生較大影響。水蒸氣在膨脹降溫過程中會(huì)發(fā)生非平衡凝結(jié)現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到0 ℃ 以下，水蒸氣還會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，同時(shí)超音速流動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生激波效應(yīng)。為了保證氫氣噴射器高效穩(wěn)定運(yùn)行，多采用漸縮噴嘴以防止水蒸氣冷凝結(jié)冰和避免物理磨損及噪聲[28-31]。

2.1.1 單個(gè)漸縮噴嘴噴射器設(shè)計(jì)

Kim 等[32] 在臨界工作模式下，基于一維模型和敏感度分析，提出了汽車燃料電池氫氣噴射器的降成本設(shè)計(jì)方法。通過選擇重要的設(shè)計(jì)因素，基于敏感度分析的部件模型非常有效地減少了開發(fā)定制噴射器的時(shí)間和成本。以Huang 等[33] 的一維熱力學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了漸縮噴嘴噴射器臨界模式設(shè)計(jì)的一維熱力學(xué)模型。所有熱力學(xué)模型關(guān)系式均采用Huang 等[33] 的熱力學(xué)模型，不同的是：引射流體質(zhì)量流量為輸入?yún)?shù)；對(duì)工作流體壓力進(jìn)行迭代計(jì)算。而Huang 等[33] 的模型通過對(duì)等截面積混合段面積進(jìn)行迭代。同時(shí)，通過敏感度分析，得到工作流體質(zhì)量流量與引射流體壓力是影響噴射系數(shù)的主要影響因素。最后，通過敏感度分析，確定根據(jù)工作流體質(zhì)量流量以及引射流體壓力進(jìn)行多次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出4 個(gè)噴射器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇最佳設(shè)計(jì)。Li 等[34] 基于一維等壓混合模型，設(shè)計(jì)了漸縮噴嘴氫氣噴射器，參考了Kim 等[32] 的設(shè)計(jì)方法。Yin 等[35] 首先確定了噴射器的幾個(gè)重要參數(shù)，計(jì)算了漸縮噴嘴喉部直徑，并根據(jù)文獻(xiàn)[30] 推薦值確定了等截面積混合段直徑為2.5 倍的噴嘴喉部直徑，根據(jù)文獻(xiàn)[36] 確定了噴嘴的漸縮角度和軸向長(zhǎng)度，以及擴(kuò)壓段擴(kuò)散角和軸向長(zhǎng)度。其次，在上述尺寸確定的基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)模型對(duì)其余參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括引射流體入口尺寸、吸入室直徑、混合段傾斜角和軸向長(zhǎng)度，以及等截面積混合段軸向長(zhǎng)度。最后，得到噴射器初始尺寸。Besagni 等[37] 提出了一種集總參數(shù)耦合計(jì)算流體力學(xué)方法預(yù)測(cè)噴射器性能的新方法。在確定噴射器初始尺寸時(shí)，采用等壓混合設(shè)計(jì)理論，文中并未詳細(xì)介紹漸縮噴嘴的計(jì)算方法，并根據(jù)文獻(xiàn)[38] 中的推薦值確定了等截面積混合段直徑為4 倍的噴嘴喉部直徑；根據(jù)混合段壓降與流體流動(dòng)是否達(dá)到充分發(fā)展進(jìn)而在擴(kuò)壓段產(chǎn)生流動(dòng)分離兩方面的因素，等截面積混合段軸向長(zhǎng)度取噴嘴喉部直徑的18 倍，擴(kuò)壓段發(fā)散角取6°[39]。Nikiforow 等[40] 通過最大氫氣消耗質(zhì)量流量和最大供氫壓力計(jì)算得到了漸縮噴嘴的喉部直徑。其余主要參數(shù)，如等截面積混合段直徑和長(zhǎng)度、噴嘴出口距等截面積混合段距離、擴(kuò)壓段發(fā)散角和軸向長(zhǎng)度等參考文獻(xiàn)[41-42] 得到。Du 等[43] 計(jì)算了漸縮噴嘴的喉部直徑，其余噴射器參數(shù)均參考文獻(xiàn)[35]，并直接給出了引射流體輔助引射入口的尺寸。Hosseinzadeh 等[41]認(rèn)為在設(shè)計(jì)噴射器時(shí)應(yīng)考慮許多參數(shù)，但是根據(jù)文獻(xiàn)[39] 和文獻(xiàn)[44]，只有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)噴射器性能起著至關(guān)重要的作用。作者先是計(jì)算了漸縮噴嘴喉部直徑，并根據(jù)文獻(xiàn)[38] 確定了等截面積混合段直徑，并討論了等截面積混合段軸向長(zhǎng)度的影響因素及取值[39，45-46]，最后根據(jù)文獻(xiàn)[39] 確定了擴(kuò)壓段的軸向長(zhǎng)度為4～12 倍的等截面積混合段直徑以及擴(kuò)散角為5°～12°。Bian 等[47] 基于文獻(xiàn)[48] 采用的索科洛夫氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法對(duì)漸縮噴嘴噴射器進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同于其他文獻(xiàn)中漸縮噴嘴喉部為音速的設(shè)定，該研究中漸縮噴嘴喉部為亞音速的設(shè)定。噴射器噴嘴喉部直徑通過計(jì)算得到，其余主要參數(shù)如噴嘴收斂角度和軸向長(zhǎng)度、等截面積混合段直徑、擴(kuò)壓段擴(kuò)散角度和長(zhǎng)度等根據(jù)文獻(xiàn)[30] 和文獻(xiàn)[39] 確定。

為了適應(yīng)燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，許多學(xué)者在噴射器的設(shè)計(jì)過程中考慮了引射流體中水蒸氣的影響。Kim 等[29] 提出了一種考慮引射流體中含有水蒸氣的亞音速氫氣噴射器設(shè)計(jì)方法，該方法中引入濕氫氣的物性參數(shù)，在給定設(shè)計(jì)工況條件下，通過給噴射器出口壓力賦值進(jìn)行迭代，最后得到漸縮噴射器喉部直徑和噴射器等截面積混合段直徑。計(jì)算過程中的主要關(guān)系式參考了Huang 等[33] 的熱力學(xué)模型。張龍海等[49] 針對(duì)燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)陽極出口氫氣含大量水蒸氣的特點(diǎn)，提出了一種適用于引射流體含水蒸氣的亞音速噴射器熱力學(xué)設(shè)計(jì)模型，比較了引射流體為干氫和含有水蒸氣濕氫兩種不同條件下的噴射器設(shè)計(jì)尺寸。模型考慮了工作流體在漸縮噴嘴的膨脹過程、工作流體與引射流體在吸入室的混合過程、混合段及擴(kuò)壓段的流動(dòng)描述，并采用了溫度、壓力和面積與馬赫數(shù)的關(guān)系式[33]。通過比較設(shè)計(jì)結(jié)果，不考慮水蒸氣時(shí)，噴嘴直徑和混合室直徑均小于考慮水蒸氣時(shí)的設(shè)計(jì)尺寸。Dadvar等[50] 指出在大多數(shù)公開發(fā)表文獻(xiàn)中，噴射器設(shè)計(jì)模型是作為質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)中的獨(dú)立部分，并沒有與燃料電池電堆的參數(shù)耦合在一起，故提出了直徑比（等截面積混合段直徑與漸縮噴嘴喉部直徑之比）和尺寸比（與電池?cái)?shù)量、電池活性面積和噴嘴喉部直徑相關(guān)）兩個(gè)無量綱參數(shù)，將噴射器設(shè)計(jì)尺寸與燃料電池電堆參數(shù)聯(lián)系起來。該文獻(xiàn)中噴射器的模型是以文獻(xiàn)[30] 為基礎(chǔ)進(jìn)行修改的，增加了直接計(jì)算臨界與亞臨界工作模式下工作流體壓力的兩個(gè)公式，這兩個(gè)公式包含了電堆電池?cái)?shù)和電池活性面積，換言之，這兩個(gè)參數(shù)將作為噴射器設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)。另外，該文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)模型考慮了混合段和擴(kuò)壓段中流體的變化情況。

Liu 等[51] 只用一句話說明了其噴射器設(shè)計(jì)是參考文獻(xiàn)[30，35，39，50] 進(jìn)行的，并省略了設(shè)計(jì)過程直接給出噴射器各部分尺寸。Li 等[52] 在漸縮噴嘴噴射器初始尺寸的設(shè)計(jì)中，參考Zhu 等[53] 的熱力學(xué)模型，考慮了引射流體中含有水蒸氣的影響，計(jì)算了噴嘴喉部直徑以及等截面積混合段直徑。混合段直徑是在給定的引射流體質(zhì)量流量下通過迭代計(jì)算確定的，引射流體流量計(jì)算公式中包含體現(xiàn)引射流體是混合物的平均密度。其他噴射器的尺寸則是通過文獻(xiàn)[27] 求得。Tri 等[54] 在噴射器設(shè)計(jì)時(shí)，與Dadvar 等[50] 采用的方法類似，也考慮了混合段與擴(kuò)壓段的流動(dòng)描述，不同的是該文獻(xiàn)中沒有采用直接計(jì)算工作流體壓力的關(guān)系式。

在上述模型中，文獻(xiàn)[30，50，54] 都采用了引射流體平均密度計(jì)算引射流體氫氣與水蒸氣混合物的質(zhì)量流量，而文獻(xiàn)[29，49] 則是計(jì)算了氫氣和水蒸氣混合物的分子量和引射流體中水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.1.2 多個(gè)漸縮噴嘴噴射器設(shè)計(jì)

隨著汽車車況的改變，燃料電池輸出功率會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而改變氫氣循環(huán)系統(tǒng)中噴射器的運(yùn)行工況。眾所周知，噴射器在偏離設(shè)計(jì)工況條件下，其性能會(huì)急劇下降。為了提高氫氣噴射器的變工況性能，許多學(xué)者提出采用多噴嘴氫氣噴射器。

Song 等[55] 設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱的雙漸縮噴嘴噴射器，如圖4 所示，該噴射器的參數(shù)是基于Yin 等[35]的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。不同的是在計(jì)算噴嘴喉部直徑時(shí)，該文沒有考慮工作流體流經(jīng)噴嘴的等熵系數(shù)。其余尺寸幾乎完全依照文獻(xiàn)[35] 取值。在計(jì)算出總的噴嘴喉部面積之后，再平均分配給兩個(gè)噴嘴。

Xue 等[15] 設(shè)計(jì)了一個(gè)由4 個(gè)漸縮噴嘴組成的多噴嘴噴射器，如圖5 所示。其噴嘴喉部總面積的設(shè)計(jì)方法完全參照文獻(xiàn)[35]，并將其等分為4 個(gè)噴嘴喉部面積。噴射器的其余尺寸幾乎完全采用了文獻(xiàn)[35] 的取值。

Han 等[56] 設(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)漸縮對(duì)稱噴嘴和一個(gè)漸縮中心噴嘴組成的多噴嘴噴射器，如圖6所示。在計(jì)算對(duì)稱噴嘴及中心噴嘴的喉部面積時(shí)，并未考慮等熵系數(shù)。先在質(zhì)子交換膜燃料電池對(duì)應(yīng)最大工作流體流量條件下，計(jì)算對(duì)稱噴嘴的喉部總面積，并平均分配。并且利用計(jì)算流體力學(xué)方法，找到對(duì)稱噴嘴隨著工作流體質(zhì)量流量的減小到不能工作的工況，在對(duì)稱噴嘴不工作的情況下，用這個(gè)臨界值對(duì)中心噴嘴喉部面積進(jìn)行計(jì)算。等截面積混合段直徑和對(duì)稱噴嘴傾角將通過數(shù)值模擬確定。噴嘴出口到等截面積混合段入口距離參考Zhu 等[57] 的研究結(jié)果確定，為2 倍的等截面積混合段直徑。等截面積混合段長(zhǎng)度確定為6 倍的等截面積混合段直徑，擴(kuò)壓段軸向長(zhǎng)度選取了10 倍的等截面混合段直徑，擴(kuò)壓段的發(fā)散角選取了4°[36， 42]。

Du 等[58] 基于Yin 等[35] 的方法設(shè)計(jì)了一個(gè)同軸雙噴嘴噴射器，如圖7 所示。除了噴嘴部分的尺寸，其余尺寸幾乎完全參考文獻(xiàn)[35]。在計(jì)算噴嘴部分的尺寸時(shí)，沒有考慮等熵系數(shù)，先計(jì)算了設(shè)計(jì)工況下總的漸縮噴嘴出口面積，然后根據(jù)最大工作流體壓力和最小工作流體壓力對(duì)第一噴嘴和第二噴嘴進(jìn)行了面積分配。

Brunner 等[46] 建立了二維軸對(duì)稱計(jì)算流體力學(xué)噴射器模型，對(duì)圖8 中的噴射器尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。噴針安裝在漸縮噴嘴處，通過改變噴嘴出口面積來改變通過的質(zhì)量流量。漸縮噴嘴出口直徑以及等截面積混合段直徑由燃料電池運(yùn)行工況的最大質(zhì)量流量確定。等截面積混合段軸向長(zhǎng)度、噴嘴出口至等截面積混合段入口距離和漸縮噴嘴漸縮角度對(duì)噴射器性能影響較大，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其余尺寸更多考慮由制造因素決定。但該文并未詳細(xì)描述噴射器設(shè)計(jì)過程中尺寸優(yōu)化的具體過程。

Jenssen 等[59] 則是簡(jiǎn)要指出其噴射器設(shè)計(jì)是參考了Brunner 等[46] 的設(shè)計(jì)方法，對(duì)利用噴針改變噴嘴出口面積的可變噴射器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.2 縮放噴嘴噴射器設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有公開發(fā)表文獻(xiàn)中，絕大多數(shù)為漸縮噴嘴噴射器，但仍有少部分氫氣噴射器采用了縮放噴嘴進(jìn)行設(shè)計(jì)。許思傳等[60] 采用索科洛夫的氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法[27] 對(duì)應(yīng)用于高壓大功率（80 kW）質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)的噴射器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。與大多數(shù)文獻(xiàn)不同，該文中采用的是縮放噴嘴的噴射器。首先求得設(shè)計(jì)工況條件下的最大噴射系數(shù)，然后再計(jì)算各個(gè)尺寸參數(shù)。Wang 等[48]同樣采用了縮放噴嘴的噴射器，并利用索科洛夫一維氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在后續(xù)10 kW質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)研究[61] 中采用了與該文相同的設(shè)計(jì)方法。

文獻(xiàn)[60] 和文獻(xiàn)[48] 都采用了索科洛夫的氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法，利用質(zhì)量守恒、能量守恒及動(dòng)量守恒求取了噴射器各部分的尺寸參數(shù)，但對(duì)等截面積混合段的軸向長(zhǎng)度及擴(kuò)壓段軸向長(zhǎng)度的取值上略有不同，具體見表1，其中D2 為等截面積混合段直徑，D3 為擴(kuò)壓段出口直徑。

另外，通過計(jì)算，文獻(xiàn)[60] 設(shè)計(jì)工況的壓縮比為1.12，在這種較小壓縮比的情況下，噴射器工作流體、引射流體及混合流體采用相同絕熱指數(shù)是不合理的，此時(shí)可以將引射流體和混合流體視為非彈性介質(zhì)[27]，即不可壓縮，絕熱指數(shù)為無窮。

3 結(jié) 論

對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)中的氫氣噴射器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了梳理，得到如下結(jié)論：

a. 質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)中的氫氣噴射器，絕大多數(shù)文獻(xiàn)采用的是漸縮噴嘴，以避免引射流體中的水蒸氣在超音速條件下產(chǎn)生非平衡凝結(jié)及激波等復(fù)雜現(xiàn)象，保證噴射器高效穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，現(xiàn)有文獻(xiàn)中大多數(shù)采用了熱力學(xué)模型，只有少部分學(xué)者采用了氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法且采用了縮放噴嘴。

b. 針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，提出了一些有針對(duì)性的解決方案。針對(duì)燃料電池陽極出口氫氣含大量水蒸氣的特點(diǎn)，部分文獻(xiàn)在氫氣噴射器的設(shè)計(jì)階段就考慮了水蒸氣的影響，設(shè)計(jì)結(jié)果與不考慮水蒸氣時(shí)的相比，噴嘴直徑和混合段直徑均偏大；針對(duì)燃料電池輸出功率隨車況不斷變化的特點(diǎn)，部分學(xué)者提出了多噴嘴噴射器，使得噴射器在變工況條件下能盡可能保持較高性能，但設(shè)計(jì)階段噴嘴喉部面積的分配方法較為簡(jiǎn)單， 大多采用平均分配的方法。

c. 目前，質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)中氫氣噴射器的設(shè)計(jì)模型較為獨(dú)立，只有極少數(shù)學(xué)者試圖將氫氣噴射器設(shè)計(jì)與整個(gè)燃料電池系統(tǒng)參數(shù)聯(lián)系起來。

基于以上結(jié)論，未來可以在以下幾個(gè)方面對(duì)應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)的氫氣噴射器設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)：

a. 將氫氣噴射器的設(shè)計(jì)模型與燃料電池電堆的參數(shù)進(jìn)行耦合，不僅考慮氫氣噴射器獨(dú)立部件的性能，同時(shí)也可以從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)性能出發(fā)為氫氣噴射器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

b. 在多噴嘴氫氣噴射器設(shè)計(jì)方面，則需要通過一些理論與實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)多噴嘴在噴射器中的空間結(jié)構(gòu)布置、噴嘴面積分配等問題進(jìn)行研究，從而為多噴嘴氫氣噴射器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

c. 嘗試使用氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法，在適用于質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)中氫氣噴射器的壓縮比范圍內(nèi)，對(duì)采用漸縮噴嘴的氫氣噴射器進(jìn)行設(shè)計(jì)。