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(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049；2.寧波綠動(dòng)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(huì)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(shí)，在非設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(jí)PEMFC的壓降實(shí)驗(yàn)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(píng)估了引射器在整個(gè)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(jí)PEMFC的陽極壓降特性對(duì)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(shí)指出引射器的氫引射率對(duì)噴嘴直徑與混合管直徑之比更為敏感。

目前對(duì)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(jí)燃料電池系統(tǒng)用引射器為研究對(duì)象，對(duì)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(duì)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(jì)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(chǔ)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(dòng)過程如圖2所示，一次流在引射器的收縮噴嘴中流動(dòng)，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(píng)價(jià)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(shí)，常用氫化學(xué)計(jì)量比SRH2這一評(píng)價(jià)指標(biāo)。

引射器工作在170 kW級(jí)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(shí)去除液態(tài)水，氫氣化學(xué)計(jì)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(jì)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(gè)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(jì)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(duì)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(dòng)并降低引射器性能；擴(kuò)散室長度Ld對(duì)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(dòng)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?，設(shè)計(jì)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(duì)引射器內(nèi)流動(dòng)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?jì)，二次流僅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(dòng)為穩(wěn)定湍流流動(dòng)；（4）在流動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)需要湍流模型，湍流模型的選擇對(duì)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(gè)模型，許多研究通過模擬和實(shí)驗(yàn)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(shí)使用組分運(yùn)輸模型來研究多組分流體的運(yùn)動(dòng)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(xiàng)、壓力項(xiàng)等項(xiàng)目的離散格式如表2所示。計(jì)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(duì)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?？紤]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(huì)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(yàn)證

引射器中網(wǎng)格均為四面體網(wǎng)格，為了驗(yàn)證網(wǎng)格的無關(guān)性，對(duì)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(shí)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(jì)算結(jié)果，同時(shí)為了節(jié)省計(jì)算成本，保證計(jì)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(yàn)證

2.4 模型驗(yàn)證

通過仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的方法來驗(yàn)證引射器模型的正確性和有效性。用于驗(yàn)證的引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)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(yàn)引射率和模擬引射率的對(duì)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(yàn)結(jié)果對(duì)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(duì)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(duì)引射器性能影響最大的兩個(gè)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(jì)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(duì)應(yīng)計(jì)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(shí)，在3種噴嘴出口直徑下，氫氣計(jì)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(jì)量比都在增加，并且在中低功率下計(jì)量比增長的幅度大于高功率，即減少噴嘴出口直徑，會(huì)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(duì)氫氣計(jì)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(dòng)、經(jīng)加速增壓后從出口排出，二次流會(huì)利用壓差進(jìn)入引射器，兩者在混合室內(nèi)流動(dòng)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(huì)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(huì)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(huì)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(jì)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(duì)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(duì)氫氣計(jì)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(jì)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(shí)圖7給出了在中低功率下，滿足氫化學(xué)計(jì)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(shí)滿足3個(gè)功率下氫氣計(jì)量比大于1.2的需求。然而此時(shí)3個(gè)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(duì)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(duì)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(jì)量比會(huì)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(gè)電堆功率下對(duì)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?yàn)殡S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(dòng)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(shí)，在不同的運(yùn)行功率下對(duì)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(duì)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(duì)引射性能的影響

圖9更直觀地展示了在170 kW級(jí)電堆的寬范圍工況下，等容混合室直徑對(duì)氫氣計(jì)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(jì)的重點(diǎn)。

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

圖9 寬功率范圍內(nèi)氫氣計(jì)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(shí)，在Dm/Dt=2時(shí)，引射器中一次流的流動(dòng)占據(jù)了極大空間，僅為二次流流動(dòng)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(dòng)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(dòng)空間不足問題會(huì)引發(fā)引射器性能失效。

圖10 Dm過小對(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)引射性能的影響

當(dāng)Dm/Dt=2.5時(shí)，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(huì)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(dòng)時(shí)，由動(dòng)量守恒定律可知，混合流的出口動(dòng)量等于一、二次流的入口動(dòng)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(huì)增加，進(jìn)而使得壓差力增大。引射器為維持流動(dòng)穩(wěn)定，會(huì)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(huì)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(shí)，不同Dm/Dt在寬功率下的引射效果對(duì)比見圖12。Dm/Dt在2.5～3時(shí)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(huì)使得170 kW時(shí)的氫化學(xué)計(jì)量比由2.3降低到1.7，降低了26%，但也將40 kW時(shí)的氫化學(xué)計(jì)量比由1.09提高到1.8，提高了65%，因此選用較小的Dm會(huì)以犧牲部分高電堆功率下性能為代價(jià)，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(duì)于170 kW級(jí)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(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)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(gè)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(duì)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(shí)，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%。