董凱瑞，劉廣彬，高志成

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266061；2.廣東智空動(dòng)力科技有限公司，廣東佛山 528000)

隨著能源與環(huán)境問題的加劇，節(jié)能減排已成為必然趨勢(shì)。氫能是一種理想的清潔能源，已成為研究和發(fā)展熱點(diǎn)。燃料電池作為氫能轉(zhuǎn)換裝置，其反應(yīng)產(chǎn)物只有水，而且具有能量密度高和轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，是氫能利用的重要方向。盡管許多新型能源技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域逐步應(yīng)用，如高能量密度的鋰電池、可充電金屬電池，但燃料電池汽車仍因其補(bǔ)氣快、無污染、能量密度高等被認(rèn)為是未來新能源汽車的理想解決方案[2-4]。

氫燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，主要包括燃料供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)、水熱管理以及電控單元等系統(tǒng)[5]。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示[6]。在陽極通入加濕后的高純度氫氣，在陰極通入加濕后的空氣或者氧氣。高純度氫氣在陽極催化層作用下生成氫離子和電子，陽極生成的氫離子會(huì)以水合氫離子的形式通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極[7]，氧氣在陰極催化劑的作用下與水合氫離子結(jié)合生成水并放出熱量。電子從外電路由陽極流向陰極，產(chǎn)生電流可以供負(fù)載做功。

圖1 PEMFC 結(jié)構(gòu)示意圖

氫氣循環(huán)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的燃料利用率、耐久性，電堆內(nèi)部水平衡都有很重要的作用[8]。燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是燃料電池電池堆的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響電堆的性能及可靠性。目前，氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)主要有6 種模式，即死端模式、流通模式、單引射器模式、雙引射器模式、氫氣循環(huán)泵模式、引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)模式。

1 氫氣循環(huán)回路的設(shè)計(jì)方案

燃料電池系統(tǒng)在工作過程中，在陽極通入的是過量的純氫氣，經(jīng)過電極反應(yīng)后，會(huì)有未反應(yīng)完全的氫氣剩余，如果直接排放到大氣中，會(huì)造成環(huán)境污染，并且會(huì)造成能源的浪費(fèi)[9]，同時(shí)具有極大的安全隱患。為了解決這一問題，可以采用不同循環(huán)方式回收未反應(yīng)完全的氫氣。

1.1 死端模式

死端模式結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，在死端模式中，由于出口是封死的，通入的過量氫氣可以完全反應(yīng)完，不存在氫氣浪費(fèi)以及造成環(huán)境污染的現(xiàn)象。但是這種模式也存在很大的弊端，由于出口被封死，在PEMFC 工作過程中，增濕用的液態(tài)水不能及時(shí)排出，會(huì)不斷在電堆陽極積累，導(dǎo)致反應(yīng)氣體進(jìn)入催化劑的阻力不斷增大，進(jìn)而使整個(gè)燃料電池系統(tǒng)效率降低，形成水淹現(xiàn)象。因此，在死端模式中，排氣閥需要定期開啟。這種模式需要定期清理多余的液態(tài)水，使得燃料電池經(jīng)濟(jì)性與壽命降低[10]。由于該種循環(huán)方式在效率、安全性等方面的劣勢(shì)，已很少采用。目前，還沒有關(guān)于死端模式下氫燃料電池汽車運(yùn)行的報(bào)道。

圖2 死端模式示意圖[1]

1.2 流通模式

在流通模式中，排氣閥完全打開，未反應(yīng)完全的氫氣直接排放到大氣中，此模式不會(huì)造成水淹現(xiàn)象，但是由于直接與大氣相通，排放出的氣體會(huì)造成環(huán)境污染以及能源的浪費(fèi)，甚至產(chǎn)生安全隱患。流通模式示意圖如圖3 所示。

圖3 流通模式示意圖[1]

Hwang[11]研究了流通模式、死端模式和循環(huán)模式三種供氫模式下的系統(tǒng)效率和堆棧效率，流通模式的電化學(xué)性能是通過商業(yè)測(cè)試站來確定的，該站用作質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的理想性能基準(zhǔn)，之后又提出了終端和再循環(huán)模式的實(shí)驗(yàn)裝置和控制算法，這些設(shè)計(jì)的目的是使其接近基準(zhǔn)性能。

1.3 單引射器模式

在燃料電池工作過程中，陽極一般采用高壓儲(chǔ)氫罐進(jìn)行供氣，目前高壓儲(chǔ)氫罐的壓力約為20～45 MPa，最大可達(dá)70 MPa[12]，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，可以用空氣代替純氧，在陰陽極形成壓力差，但過大的壓差會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜發(fā)生破裂，因此要合理控制陰陽極的壓差。

引射器用于氫氧燃料電池汽車陽極排氣循環(huán)回收裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、無移動(dòng)部件、無污染、無寄生功率等優(yōu)點(diǎn)[13]。但是在低功率下，由于一次流壓力較低，引射效果不是很理想。

單引射器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。氫氣從壓力較高的儲(chǔ)氫罐排出后，依次通過壓力調(diào)節(jié)閥和壓力調(diào)節(jié)器降壓后，進(jìn)入加濕器。由于在陽極生成的H+是以水合氫離子H3O+的形式遷移到陰極，經(jīng)過加濕后的濕氫氣可以增加氫離子的遷移速度。質(zhì)子交換膜的水合程度越高，離子的遷移能力越強(qiáng)，燃料電池性能也會(huì)越好[14]。但是過量的水會(huì)增加氫氣進(jìn)入電極的阻力，甚至造成水淹現(xiàn)象。含水量過低則會(huì)增加質(zhì)子傳輸過程中的阻力[15]，反應(yīng)后剩余的氫氣作為二次流，經(jīng)過引射器后再次進(jìn)入電堆中進(jìn)行反應(yīng)。

圖4 單引射器結(jié)構(gòu)示意圖

引射器工作示意圖如圖5 所示。在引射器工作時(shí)，根據(jù)流體壓力的高低，可以將流體分為一次流體和二次流體，一次流體壓力較高，二次流體壓力較低，當(dāng)一次流體從噴嘴高速流出后進(jìn)入等壓混合室，噴嘴出口處出現(xiàn)低壓區(qū)，在壓差作用下，二次流體被吸入引射器內(nèi)[16]，與一次流體混合后，從擴(kuò)壓段排出。對(duì)于燃料電池系統(tǒng)，一次流體為高壓儲(chǔ)氫罐內(nèi)的氫氣，二次流體為陽極未反應(yīng)完全的氫氣和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水蒸氣[17]，高壓儲(chǔ)罐內(nèi)的氫氣經(jīng)減壓閥進(jìn)入噴射器噴嘴后流速增加，在流經(jīng)噴嘴出口處時(shí)，會(huì)在吸入室內(nèi)形成低壓區(qū)，該低壓區(qū)的壓力比陽極未反應(yīng)完全的氫氣和水蒸氣的壓力還低，未反應(yīng)完全的氫氣就會(huì)被吸入到噴射器內(nèi)，完成對(duì)陽極未反應(yīng)完全氫氣的回收。生成的混合氣體在擴(kuò)散室中膨脹，達(dá)到氫燃料電池運(yùn)行所需要的壓力。

圖5 引射器工作示意圖[17]

Wang 等[18]將噴射器視為二維軸對(duì)稱模型，通過專業(yè)網(wǎng)格生成軟件ICEM 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Fluent 對(duì)噴射器不同擴(kuò)散室角度對(duì)卷吸比的影響進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，當(dāng)噴射器在其額定功率80 kW 下工作時(shí)，擴(kuò)散室角度為11°時(shí)，噴射器的卷吸比最高，其模擬結(jié)果如圖6 所示。但是將噴射器視為二維，會(huì)缺乏對(duì)噴射器內(nèi)流場(chǎng)的詳細(xì)描述，忽略了噴射器內(nèi)非軸對(duì)稱流動(dòng)特性，模擬結(jié)果有待于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6 不同擴(kuò)散室角度對(duì)噴射器性能影響[18]

Liu 等[19]建立了130 kW 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)三維動(dòng)態(tài)模型，研究了系統(tǒng)啟動(dòng)以及功率變化過程中的動(dòng)態(tài)特性。研究結(jié)果表明，當(dāng)一次流和二次流壓力差小于10 kPa 時(shí)，二次流不能被吸入引射器，這時(shí)可以采用多個(gè)噴射器來擴(kuò)大氫氣供應(yīng)范圍。Yin 等[20]建立了質(zhì)子交換膜燃料電池陽極氫氣循環(huán)噴射器三維模型，通過Fluent 模擬了PEMFC 電堆電流為350 A，堆棧出口濕度為80%時(shí)的噴射器內(nèi)部流場(chǎng)分布，模擬結(jié)果如圖7 所示，引射器中心速度分布不是對(duì)稱的，若采用二維噴射器模型進(jìn)行模擬，非對(duì)稱流動(dòng)特性將會(huì)被忽略，從而影響計(jì)算精度。因此，采用三維的噴射器模型更加接近于噴射器實(shí)際工作狀況。

圖7 噴射器數(shù)值模擬結(jié)果[20]

Kuo 等[21]建立了由噴射單元的COMSOL 模型和氫回收系統(tǒng)的Matlab/simulink 模型組成的仿真系統(tǒng)框架，對(duì)比了氫氣入口壓力在120～450 kPa 時(shí)噴射器內(nèi)氫氣質(zhì)量流量變化的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8 所示。一次流為高壓儲(chǔ)氫罐中的氫氣，二次流為陽極未反應(yīng)完全的氫氣，混合流為一次流和二次流混合后的流體。隨著進(jìn)口氫氣壓力的提高，二次流的質(zhì)量流量不斷提高，在入口壓力達(dá)到450 kPa 時(shí)，出口流量達(dá)到約50 L/min，該值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的值在定性上是一致的，因此驗(yàn)證了該數(shù)值模型基本有效。

圖8 噴射器氫氣質(zhì)量流量隨氫氣入口壓力變化[21]

Mohsen 等[22]提出了一種陽極再循環(huán)(ARS)噴射器的選擇和設(shè)計(jì)方法，給出了最佳設(shè)計(jì)方案，即在堆效率和臨界電流密度之間做到平衡。對(duì)不同電流密度下的引射器性能和引射效率進(jìn)行了比較，如圖9 所示。引射效率是表明引射器工作性能的重要指標(biāo)。可見，隨著電流密度的不斷增大，引射效率不斷提高，因此在ARS 中應(yīng)用噴射器在高功率范圍內(nèi)更為合適。

圖9 引射器質(zhì)量流量和效率隨電流密度的變化[22]

Hwang 等[23]對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中用于回收陽極未反應(yīng)完全氫氣的噴射器進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。在數(shù)值模擬過程中采用三維可壓縮k-epsilon 模型，重點(diǎn)研究了入口質(zhì)量流量和噴管喉部直徑對(duì)引射器內(nèi)壓力、溫度以及馬赫數(shù)分布的影響，卷吸比與吸入壓力隨質(zhì)量流量的變化如圖10～圖11 所示。

圖10 不同喉部直徑下卷吸比隨質(zhì)量流量的變化[23]

圖11 吸入壓力隨入口質(zhì)量流量的變化[23]

由圖10 可知，在同一質(zhì)量流量下，喉部直徑越小，卷吸比越大。這是因?yàn)殡S著喉部直徑的減小，噴射器內(nèi)馬赫數(shù)增加，在通道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的真空壓力，因此會(huì)導(dǎo)致卷吸比增大。由圖11 可知，隨著入口質(zhì)量流量的不斷增大，吸入壓力不斷減小。這是因?yàn)檩^大的質(zhì)量流量同樣會(huì)使吸入室的真空壓力升高，導(dǎo)致吸入壓力不斷減小。

Xue 等[24]采用1～4 個(gè)噴嘴噴射器用于質(zhì)子交換膜燃料電池陽極的氫氣循環(huán)。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，模擬了一次流壓力對(duì)帶有不同噴嘴數(shù)的噴射器卷吸比的影響。模擬結(jié)果表明，改變噴嘴的工作方式，可以在一次壓力沒有發(fā)生明顯變化的情況下獲得較寬的輸出功率范圍。其中，1～4 個(gè)噴嘴的噴射器再循環(huán)比隨一次流壓力的變化如圖12 所示。

圖12 不同數(shù)量噴嘴再循環(huán)比隨一次流壓力的變化[24]

由圖12 可知，單噴嘴噴射器的工作性能較差，因?yàn)閱螄娮斓闹睆较鄬?duì)較大，無法產(chǎn)生足夠的動(dòng)壓，噴嘴的偏差會(huì)影響流場(chǎng)的一致性[22]，這會(huì)導(dǎo)致噴射器卷吸能力下降。當(dāng)噴嘴數(shù)有多個(gè)時(shí)，在一次流壓力由550 kPa 增加到650 kPa 時(shí)，在相同一次流壓力下，多噴嘴噴射器再循環(huán)比要大于單噴嘴噴射器。噴嘴數(shù)量也不宜過多，否則在引射器只有一個(gè)噴嘴的情況下，會(huì)產(chǎn)生較多的旋渦，導(dǎo)致?lián)p失的能量較多，甚至無法正常工作。但是該研究中，沒有考慮噴嘴位置對(duì)噴射器的影響。

Wen[25]等將噴射器應(yīng)用到加氫站中，分析了噴射器的臨界和亞臨界的流動(dòng)特性，結(jié)果表明，將噴射器集成到氫燃料站中，在加注燃料的過程中利用高壓儲(chǔ)氫罐中的氫可以獲得較高的能源利用效率。當(dāng)吸氣室的進(jìn)口壓力和主噴嘴壓力分別為3×107和4.5×107Pa 時(shí)，噴射器背壓對(duì)質(zhì)量流量的影響如圖13 所示。當(dāng)背壓從1×107Pa 變化到2.5×107Pa 時(shí)，通過噴射器的質(zhì)量流量基本保持不變，隨著背壓進(jìn)一步增大，通過噴射器的質(zhì)量流量開始下降，當(dāng)背壓超過3.45×107Pa 時(shí)，通過噴射器的質(zhì)量流量小于零，此時(shí)的背壓稱為臨界背壓[25]。

綜上，單引射器在低功率區(qū)引射效果不理想，目前對(duì)二維引射器模型進(jìn)行數(shù)值模擬缺乏非對(duì)稱流動(dòng)的詳細(xì)信息，采用三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬可以較為詳細(xì)地模擬引射器內(nèi)部流場(chǎng)特性，但可能無法兼顧噴嘴位置對(duì)引射器的影響。因此，如何獲得噴射器內(nèi)部準(zhǔn)確流場(chǎng)是今后研究的重點(diǎn)。

圖13 噴射器背壓對(duì)質(zhì)量流量的影響[25]

1.4 雙引射器模式

噴射器與機(jī)械泵系統(tǒng)的原理類似，都是用于回收陽極未反應(yīng)完全的氫氣。美國技術(shù)咨詢公司DTI 于2010 年提出了燃料電池系統(tǒng)雙引射器設(shè)計(jì)方案[26]。雙引射器示意圖如圖14 所示。在該系統(tǒng)中，氫氣循環(huán)泵由兩個(gè)高低壓氫氣引射器代替，以此來實(shí)現(xiàn)不同電堆功率下氫氣回收的目的。

圖14 雙引射器示意圖

周等[27]提出了兩級(jí)引射器陽極循環(huán)系統(tǒng)方案，并對(duì)整個(gè)循環(huán)工況0～300 A 工作電流下進(jìn)行了數(shù)值分析，分析結(jié)果表明，兩級(jí)引射器循環(huán)方案可以滿足PEMFC 燃料電池0～300 A全負(fù)載范圍的工作需求，并且在整個(gè)循環(huán)工況中實(shí)際耗氫2.790 2 kg，接近于理論耗氫2.349 0 kg，因此具有較高的性能。

1.5 氫氣循環(huán)泵模式

氫氣循環(huán)泵系統(tǒng)屬于氫氣再循環(huán)系統(tǒng)中的另一種設(shè)計(jì)方案，其原理是利用機(jī)械增壓的方式將未反應(yīng)的氫氣增壓后重新輸送至陽極。氫氣循環(huán)泵優(yōu)點(diǎn)在于適應(yīng)工況范圍較廣泛，工作穩(wěn)定性好，且可提供較高的循環(huán)壓力，但其在工作過程中會(huì)消耗額外的能量，增加能耗，產(chǎn)生噪音[28]。氫氣循環(huán)泵系統(tǒng)示意圖如圖15 所示。

圖15 氫氣循環(huán)泵系統(tǒng)示意圖

氫氣循環(huán)泵本質(zhì)上是一臺(tái)低壓壓縮機(jī)。因此，在現(xiàn)有的壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對(duì)燃料電池開發(fā)氫氣循環(huán)泵是目前解決陽極氫氣再循環(huán)問題的方案。針對(duì)氫氣循環(huán)泵有多種結(jié)構(gòu)方案，比如羅茨式、螺桿式、離心式等。由于氫氣循環(huán)量較小，采用離心式結(jié)構(gòu)要求轉(zhuǎn)速較高，甚至達(dá)10～20 萬轉(zhuǎn)/分，使其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及軸承的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)較為困難，限制了該結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用。容積式結(jié)構(gòu)則具有可靠性高、調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為氫氣循環(huán)泵的研究熱點(diǎn)。

對(duì)于容積式氫氣循環(huán)泵，其工作腔依靠間隙密封，且考慮電堆工作溫度下轉(zhuǎn)子熱變形等因素，轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與殼體間的間隙直接影響循環(huán)泵的性能。采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法模擬不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行工況下的氫氣循環(huán)泵工作過程，分析其變工況運(yùn)行特性，是設(shè)計(jì)開發(fā)適于燃料電池氫氣循環(huán)泵的基礎(chǔ)。但是針對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的CFD 仿真存在一定困難[29]。由于容積式氫氣循環(huán)泵的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間，以及轉(zhuǎn)子與壁面之間存在微小的間隙，導(dǎo)致在此處生成高質(zhì)量的網(wǎng)格較為困難。采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬其工作過程時(shí)對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量要求很高，若生成的網(wǎng)格質(zhì)量較差，在計(jì)算的過程中會(huì)造成網(wǎng)格畸變較大，容易出現(xiàn)負(fù)體積，進(jìn)而導(dǎo)致模擬中斷。

王等[30]針對(duì)現(xiàn)有三棱柱網(wǎng)格出現(xiàn)負(fù)體積的問題，提出了一種CFD 三棱柱網(wǎng)格生成方法，將流體域分為多個(gè)特征域和輔助域，創(chuàng)建特征框架和輔助框架，生成了比較理想的邊界層三棱柱網(wǎng)格。由于氫氣循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)與壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)類似，針對(duì)壓縮機(jī)工作過程的數(shù)值模擬方法和技術(shù)可為氫氣循環(huán)泵的CFD 模擬提供借鑒。Wang 等[31]建立了爪式真空泵的模型，通過專業(yè)網(wǎng)格生成軟件Gambit 生成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流場(chǎng)的網(wǎng)格由左右轉(zhuǎn)子、殼體、進(jìn)出口組成，進(jìn)出口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口以及壓力出口。對(duì)爪式真空泵的整個(gè)工作過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，其網(wǎng)格劃分如圖16 所示。

圖16 爪式真空泵的網(wǎng)格劃分[31]

黃等[32]建立了雙螺桿壓縮機(jī)三維模型，通過專業(yè)網(wǎng)格生成軟件Twinmesh 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Twinmesh 是針對(duì)容積式旋轉(zhuǎn)機(jī)械專門生成網(wǎng)格的工具，可以根據(jù)陰陽轉(zhuǎn)子型線自動(dòng)生成高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，最終流體域內(nèi)生成網(wǎng)格總數(shù)為5 019 800，網(wǎng)格劃分如圖17 所示。求解器采用CFX，湍流模型選擇SST k-ω，對(duì)其內(nèi)部的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

圖17 雙螺桿壓縮機(jī)的網(wǎng)格劃分[32]

陸[33]對(duì)渦旋干泵內(nèi)的氣體流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。通過ICEM 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用彈性平滑網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的更新，通過計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX 采用瞬態(tài)模擬方法模擬了渦旋泵內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，分析了泵內(nèi)的工作過程，為進(jìn)一步研究干式渦旋真空泵提供了理論基礎(chǔ)。

Voorde 等[34]提出了一種網(wǎng)格生成器，對(duì)旋轉(zhuǎn)容積泵進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并生成了高質(zhì)量的網(wǎng)格，通過商用CFD 軟件包StarCD 進(jìn)行了流場(chǎng)計(jì)算，證明了所開發(fā)的網(wǎng)格生成器對(duì)此類流動(dòng)問題的適用性。通過StarCD 生成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖18 所示，生成的網(wǎng)格較為均勻，在轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)子與壁面的間隙處網(wǎng)格較密，獲得的網(wǎng)格質(zhì)量較高，為模擬形狀復(fù)雜的泵提供了一個(gè)很好的思路。

圖18 通過StarCD 軟件包生成的網(wǎng)格[34]

Sun 等[35]通過Fluent 模擬了羅茨泵內(nèi)的壓力分布，網(wǎng)格劃分如圖19 所示，進(jìn)出口邊界條件分別為壓力進(jìn)口和壓力出口，時(shí)間步長設(shè)置過大會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格出現(xiàn)負(fù)體積，其將時(shí)間步長設(shè)置為10－5s，模擬結(jié)果如圖20 所示。

圖19 羅茨泵的網(wǎng)格劃分[35]

圖20 羅茨泵內(nèi)部的壓力分布[35]

由圖19 可知，進(jìn)出口緩沖區(qū)采用的是六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，工作腔采用的是三棱柱網(wǎng)格，且網(wǎng)格分布較為均勻。由圖20 可知轉(zhuǎn)子工作腔內(nèi)的壓力分布，進(jìn)出口壓力是波動(dòng)的，并且工作腔內(nèi)壓力是緩慢增加的。但是羅茨風(fēng)機(jī)沒有內(nèi)壓縮過程，且絕熱效率較低，這也限制了其在氫氣循環(huán)系統(tǒng)上的應(yīng)用。

綜上所述，為了獲得容積式壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性，需要運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，這對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量提出了較高的要求。由于容積式氫氣循環(huán)泵的機(jī)構(gòu)與壓縮機(jī)類似，相關(guān)容積式壓縮機(jī)CFD 模擬中劃分網(wǎng)格的方法為氫氣循環(huán)泵的數(shù)值模擬提供了參考。

1.6 引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)模式

引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)系統(tǒng)如圖21 所示。當(dāng)在低功率區(qū)時(shí)，引射器引射效果下降，此時(shí)可以啟動(dòng)氫氣循環(huán)泵來處理未反應(yīng)完全的氫氣，當(dāng)在高功率區(qū)時(shí)，可以采用噴射器裝置，這樣既避免了低功率區(qū)引射器工作不理想的問題，又降低了氫氣循環(huán)泵所消耗的功率，但如何使氫氣循環(huán)泵和引射器更好地協(xié)調(diào)工作是要解決的關(guān)鍵問題。

圖21 引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)系統(tǒng)

He 等[36]分析了一套由兩個(gè)供氣和兩個(gè)再循環(huán)系統(tǒng)組成的混合燃料供給系統(tǒng)，如圖22 所示，設(shè)計(jì)和優(yōu)化了分散式經(jīng)典比例積分控制和狀態(tài)反饋控制兩種控制策略，該系統(tǒng)可以保持陽極流道內(nèi)的壓力恒定以及再循環(huán)和供給管路的質(zhì)量流量比恒定。但是該系統(tǒng)中靜態(tài)前饋(SFF)存在一些問題，在運(yùn)行過程中任何參數(shù)發(fā)生變化都會(huì)導(dǎo)致氫氣循環(huán)泵性能曲線發(fā)生偏差，抗干擾性能較差。

圖22 混合燃料控制系統(tǒng)

2 結(jié)論與展望

本文綜述了幾種PEMFC 氫氣循環(huán)方案，梳理了不同方案的工作原理及過程，介紹了引射器和氫氣循環(huán)泵結(jié)構(gòu)，分析了引射器和不同結(jié)構(gòu)氫氣循環(huán)泵的優(yōu)勢(shì)。其中，引射器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無能耗，但在低功率運(yùn)行時(shí)效率較低。氫氣循環(huán)泵適應(yīng)的工況范圍廣，可靠性高，且在復(fù)雜工況下調(diào)節(jié)性能較好，但用在氫燃料電池汽車上會(huì)增加能耗、質(zhì)量及噪音。因此，開發(fā)高性能、高可靠性氫氣循環(huán)泵是發(fā)展趨勢(shì)。

燃料電池被認(rèn)為是未來新能源汽車?yán)硐氲哪茉垂?yīng)方案，近年已取得較大研究進(jìn)展，但仍有較多問題亟待解決。對(duì)于氫氣循環(huán)泵與引射器協(xié)同的問題，可以向此方案中引入智能算法，如進(jìn)一步優(yōu)化分散式經(jīng)典比例積分控制和狀態(tài)反饋控制兩種控制策略，這有望擴(kuò)大燃料電池的工況范圍，使其運(yùn)行更加穩(wěn)定。通過開發(fā)高性能、低成本氫氣循環(huán)泵以及優(yōu)化噴射器結(jié)構(gòu)，提高燃料電池綜合性能及經(jīng)濟(jì)性，從而推動(dòng)燃料電池汽車行業(yè)的發(fā)展。此外，加強(qiáng)儲(chǔ)氫、加氫等配套系統(tǒng)的建設(shè)，也將促進(jìn)燃料電池汽車的推廣應(yīng)用。