PEMFC用喷射器试验研究①

沈鹏远， 倪淮生， 许思传， 邓金山

(同济大学汽车学院新能源工程技术中心，上海201804)

在PEMFC汽车中，氢气存储在高压瓶中，从高压瓶中出来的氢气具有很高的压力，若在阳极供应系统中利用喷射器来循环氢气，那么喷射器可以将高压瓶中出来的高压力低流速的氢气通过工作喷嘴达到减压增速，在喷嘴出口处达到超声速.当带有一定动能的喷射气体从喷嘴喷出时，与周围被喷射的气体进行动量交换，从而带动了气体向前运动，两种气体在混合室内混合，在有限的混合室内，当前面的气体被推向前进时，后面的气体变得稀少而使压力下降，即在吸入管出口附近和混合管入口段的一定范围内，造成一定负压，促使被喷射气体不断被吸入混合管内，又不断被喷射气体带走.利用喷射器可以不额外消耗系统的功率，提高系统的效率，但结构固定的引射器只能在一定范围内满足要求，设计结构合理的喷射器使得它能够在尽可能大的范围内满足使用要求变得至关重要.因此，本文通过试验研究，分析喷射器出口压力，引射压力以及进口压力对喷射器使用性能的影响，为设计提供理论依据.

1 喷射器工作原理

喷射器的结构如图1所示，主要由工作喷嘴，接受室，混合室和扩压室等构成.其工作原理是:当带有一定动能的喷射气体从喷口喷出时，与周围被喷射的气体进行动量交换，从而带动气体向前运动，两种气体在混合室混合，在有限的混合管内，当前面的气体被推向前进时，后面的气体变得稀少，而使压力下降，即在吸入管出口附近和混合管入口端的一定范围内，造成一定压降，促使被喷射气体不断被吸入混合管内，又不断被喷射气体带走，喷射气体的喷射动能越大，造成的抽吸能力越大，带走的气体量越多.

2 试验平台的搭建

当喷射器安装在PEMFC系统中时，喷射器的入口端是经过减压的氢气，出口端的条件应该满足电池堆入口端的要求，而引射端是与电池堆出口端相连接的，它的设计工况点参数如表1.

表1 设计工况点参数

按照索科洛夫喷射器设计步骤［2］开发高压燃料电池系统中使用的喷射器后，首要的一步便是验证喷射器的使用性能，由于电池堆成本昂贵，燃料电池系统复杂，若初次开发的喷射器直接与燃料电池系统连接应用会导致许多不可预测因素，因此本文设计了一个模拟系统用于验证喷射器的使用性能.本文所采用的喷射器尺寸见表2.

图1 喷射器工作示意图

表2 喷射器的主要结构尺寸(mm)

本文搭建喷射器性能试验台架时，期望喷射器的入口端、出口端、引射端的压力都可调节，这样可以分别测试喷射器的入口端、出口端、引射端对该喷射器的使用性能的影响，根据以上要求搭建的台架如图2所示.

3 试验结果分析

为了验证喷射器的引射端压力PH值对使用性能的影响，在上述台架上，首先固定工作流体端的工作压力，先设定引射端的引射压力为205kPa值，调整喷射器的背压，记录对应背压下工作端和引射端的流体质量流量，在后面的试验中分别设定引射端的引射压力为240kPa，280kPa，重复第一次试验的其它步骤.同理，为了研究喷射器的工作流体压力对适应性能的影响，可调整工作流体端的压力PP值为不同值，分别为 400kPa，500kPa，600kPa，然后按照以上试验值步骤.

3.1 出口压力对喷射器性能影响

下图为喷射器在Pp=500kPa，PH=205kPa时喷射器的背压PC对喷射器性能影响的理论值和试验值，从图3中看到理论值与试验值，除了趋势相同，其余差距较大，主要原因为:理论计算时带入的PP，PH，PC与试验时的 PP，PH，PC不是完全相同的概念，因为实验时使用的管道外径为3/8英寸，壁厚为1mm的塑料软管，该管道管径较小同时易弯，压力损失较大，同时试验中安装的阀门，传感器等也会造成压力损失，在试验中压力损失的最明显体现便是在排空阀门全开的情况下，压力传感器采集到的压力大致范围为62kPa～90kPa，这意味着排空的管道与排空阀门造成的压力损失大约在62kPa～90kPa，因而试验中喷射器的出口端的实际压力PC应该是压力传感器3采集到的压力再加上压力传感器3与喷射器相连的所有氢气流经管道的沿程压力损失和局部损失.同理，喷射器的实际入口端压力PP和引射端压力PH都应考虑流体的压力损失.

因此应当对试验值进行再处理，将压力损失等条件加入考虑在内.

根据流体力学的相关知识［10］，流体在管长l，管径d的水平管道中以平均流速U流动时，流体的沿程压力损失为:

其中λ为沿程阻力系数，对于层流光滑管而言

对于湍流光滑管而言

同时由于流量与流速具有下列关系

因此将(3)带入(1)中便可计算管道的沿程压力损失.

而由于在该试验台架上，管道中安装了许多阀门，三通等附件及控制件，且由于不是所有管道都水平放置的，流体在这些附件和控制件内或者被迫改变流速大小、或者被迫改变流动方向，或者两者兼而有之，从而干扰了流体的正常流动，产生附加阻力，增加能量损失，因此在该试验中还需考虑局部压力损失.

局部阻力损失可表示为

图2 喷射器性能测试试验台架

在该试验中的局部阻力系数的取值按照以下几种情况计算:

图3 出口压力PC与喷射系数u的关系

图4 三通的局部阻力系数

1)喷射器与试验系统管路连接时，由于喷射器的截面是按照设计工况设计的，因此喷射器的尺寸与系统的管路大小不同，因此在设计时会出现突然增大管和突然减小管，如在工作流体端与外部连接管道处以及在出口端与外部链接管道处.对于突然扩大管:

对于突然缩小管

其中收缩系数CC和流速系数CV可通过查表获得.

图5 校正后的试验值与理论值的比较图

2)在试验系统中，由于安装需要，不可避免的出现了许多弯管，弯管的局部阻力损失系数可由下述经验公式计算:

其中θ为弯管的方向变化角，d为弯管直径，R为弯管轴心线的曲率半径.

3)由于压力传感器等是通过三通与系统管路相连的，因此三通等的局部阻力系数也应考虑在内，根据流动方式的不同，三通的局部阻力系数如图4.

图6 引射流体压力对喷射器的使用性能影响

图7 校正后的试验值与理论值的比较图

图8 工作流体压力对喷射器的使用性能影响

无论是沿程压力损失还是局部压力损失都与流体的流速相关，对于相同的介质和管道，流体的流速与流量是成正比的，在图4中，试验值与理论值之间的差距是处于增大趋势的，这是因为压力损失是与流量的二次方成比例的，流量越大则对应的压力损失越大，因而试验值与理论值的差距越来越大.

由于试验中每个取点的流量不同，因此每个试验点对应的压力损失都需要计算一遍，计算量很大，因此文中对其进行编程计算，经过校核过的试验值与理论值的对比图如图5.

图5是喷射器与外界相连的三个端口压力经过校核后的情况，可见经过校核够的喷射器试验值与理论值符合较好，但仍然存在一定误差，这是因为如上所列的各种误差因素中诸如表头的精度，文丘里管喷射器的尺寸并未与设计尺寸完全相符等许多因素都无法校核在内.而且在校核管道的压力损失时，特别是在校核局部阻力损失时，由于管道的弯度不好测量，因此计算的压力损失也存在一定的误差.试验时喷射器无法达到极限值主要是因为管路损失太大，在喷射器的出口处无法达到临界压力.此误差在0.1～0.3bar，对使用性能影响不大.

3.2 引射端压力对喷射器性能影响

图6为工作流体压力为500kPa，引射流体压力分别为205kPa，240kPa，280kPa时的理论值与试验值对比图.

图7为工作流体压力为500kPa，引射流体压力分别为180kPa，240kPa，280kPa时经过校核后的试验值理论值效果图.在试验中，引射流体压力升高会提高喷射器的使用性能得以提升.

图9 修正后工作流体压力对喷射器的使用性能影响

3.3 工作流体压力对喷射器性能影响

图8给出了工作流体压力分别为400kPa，500kPa，600kPa，引射端入口压力(205kPa)保持不变的情况下，喷射器出口压力与喷射器引射系数的关系曲线.

图9给出了工作流体压力分别为400kPa，500kPa，600kPa，引射端入口压力(205kPa)保持不变的情况下，经过校核的喷射器的工作流体压力对喷射器使用性能的影响.

由试验数据中亦可观察到，工作流体对喷射器使用性能的影响比较复杂，不能简单的归纳为增大或减小，而是取决于喷射器出口压力的值，喷射器出口压力所处的工况不同时，喷射系数随工作流体压力变化的规律是不同的.

4 试验结论

(1)引射流体压力升高会提高喷射器的使用性能得以提升.

(2)工作流体对喷射器使用性能的影响比较复杂，不能简单的归纳为增大或减小，而是取决于喷射器出口压力的值，喷射器出口压力所处的工况不同时，喷射系数随工作流体压力变化的规律是不同的.

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