质子交换膜燃料电池引射器的设计及特性

许思传，韩文艳，王 桂，倪淮生

（1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.上海燃料电池动力系统有限公司，上海 201804）

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其特殊的电解质而具有低温快速启动、结构紧凑以及可以在任何方位、任何角度运行等特点，使其非常适宜用作汽车等可移动设施的动力源［1］.但PEMFC汽车作为一种新型汽车要想得到产业化还有许多问题需要解决，其氢气供应系统便是问题之一.氢气循环泵的使用虽然可以有效改善氢循环，但需消耗额外的电能维持其运转.相比而言，引射器无移动部件，具有结构简单、运行可靠、无污染等优点，而且能够避免产生寄生功率.因此，近年来逐渐进入各个国家学者和研究人员的视野.1995年，加拿大学者 Merritt等［2］首次提出将引射器应用在燃料电池系统中，随后国外学者 Kim 等［3］、He等［4］对PEMFC用引射器的设计和性能做了相应的研究.在国内，上海交通大学的张颖颖等［5］将引射器与燃料电池系统模型集成，在Matlab／Simulink里实现了完整的阳极循环回收系统的仿真.王洪卫等［6］将引射器和离心风机集成应用于燃料电池阳极燃料循环系统以提高氢气利用率.同时，西安交通大学和清华大学的一些学者也对引射器在燃料电池系统中的应用进行了仿真和使用性能的研究.

尽管关于引射器在燃料系统中的应用研究工作已陆续展开，但国内外关于高压大功率燃料电池系统的引射器设计及其使用特性的研究却很少见，因此本文提出以文丘里管引射器为循环装置的供应系统，并针对一个80kW的高压PEMFC系统，使用Matlab对其引射器进行了详细的结构设计与特性研究，并做了相应的试验验证.

1 PEMFC引射器工作原理

对于PEMFC来说，保持电堆内部水平衡对其输出性能、耐久性和使用寿命至关重要［7］.为了保证燃料电池的正常、稳定运行，又能将燃料电池中生成水排放到电池外部，通常采用氢气循环的方法，把电池内部生成的水带出电池后经过气-水分离装置将液态水分出，再将氢气循环回到电池重复使用，以提高氢气利用率.

传统的氢气循环泵虽然可以有效解决氢循环和水平衡问题，但在提高电池的电流密度和系统效率的同时会消耗额外的电能，尤其在电堆输出功率低的时候，氢气循环泵消耗的功率所占功率输出的比重也增大［8］.而引射器是靠高速喷射工作流体造成的压差将被喷射气体不断吸出的原理进行工作（见图1），它不额外消耗系统的功率，因此，合理的引射器设计能有效改善燃料电池性能.

图1 引射器工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of ejector working principle

2 PEMFC引射器的设计

本文采用目前应用比较广泛的索科洛夫引射器设计方法［9］，根据能量守恒、质量守恒和动量守恒定理，结合经验公式，对一高压PEMFC系统所用引射器进行结构设计.

当引射器安装在PEMFC系统中时，其入口端是经过减压的氢气，出口端需要能够满足电堆入口处的要求，而引射端与电堆出口端相连接，它的设计工况点参数如表1.计算中，假设引射器三个端口的气体绝热指数k和气体常数R 相同，分别为：k＝1.4，R＝4121J·（kg·K）-1.

表1 设计工况点参数Tab.1 Parameters of design points

2.1 最大引射系数计算

引射系数u是引射器设计中的一个关键技术指标，它定义为被引射气体的质量流量和引射气体的质量流量之比，引射系数的值越大，表明引射能力越强，因此，首先对设计工况的引射系数进行计算分析.图2为带圆柱形混合室的引射器参数分布图，图中G为流体的质量流量，kg·s-1；ω为流体的速度，m·s-1；p为流体的静压力，Pa；f为流体所占的面积，m2；下标p，h，c分别代表工作流体、引射流体和压缩流体；下标p＊代表喷嘴临界截面处工作流体；下标1，2，3分别代表1-1，2-2，3-3截面；1-1截面为与喷嘴出口平面相重合的截面；2-2截面为混合室入口截面；33截面为混合室出口截面.在喷嘴中，气体的压力从pp降到pp1＝ph，而速度从ωp增加到ωp1.在喷嘴出口截面fp1上气体的速度ωp1大于喷嘴的临界截面fp＊上气体具有的临界速度ap＊.工作气体以速度ωp1从喷嘴出来进入接受室，再把以压力ph进入接受室的气体从接受室中吸走.

图2 引射器主要参数分布Fig.2 Major parameters distribution in the ejector

图3 混合室端截面速度分布Fig.3 Velocity distribution on the end sections of mixing chamber

在混合室入口界面上，速度场很不均匀.可以假设在入口界面上流体由两股共轴流体所组成：质量流量为Gp和较大平均速度为ωp2的中心流体；质量流量为Gh和很小速度ωh2的周围流体.

对截面2-2和3-3之间混合室的圆柱部分建立动量方程，为了简化推导，假设工作和引射流体进入混合室之前，在和工作喷嘴出口平面相重合的1-1截面与圆柱形混合室入口截面2-2之间不相混合，因此，可把动量方程式写成

式中：φ2为混合室的速度系数.因为工作和引射流体在输入管道中的初速度ωp和ωh与它们在混合室中的速度相比非常小，所以可把ωp和ωh忽略不计.同理，忽略在扩散器出口处压缩流体速度ωc.

在圆柱形混合室中

由质量守恒可知

将式（2）和（3）代入式（1）中，引入折算等熵速度λ与热力学参数，采用气体动力学函数相对压力Π（λ）、相对密度ε（λ）和折算质量速度q（λ）＝f＊／f等函数对其进行换算，最后得到引射系数

式中：K1（K2）为工作（引射）流体的速度系数；φ1为工作喷嘴的速度系数；φ3为扩散器的速度系数；φ4为混合室入口段的速度系数；ap＊为工作流体的临界速度，m·s-1；ah＊为引射流体的临界速度，m·s-1；ac＊为压缩流体的临界速度，m·s-1；λp2＝λph为2-2截面工作流体的折算等熵速度；λh2为2-2截面引射流体的折算等熵速度；λc3为3-3截面压缩流体的折算等熵速度.

取φ1＝0.95，φ2＝0.975，φ3＝0.9，φ4＝0.925迭代计算，结果当λc3＝0.7时，引射器具有最大的引射系数，这意味着在外界参数相同的情况下，引射器在所有背压范围内能达到的最大引射系数为1.3218.

2.2 主要截面积计算

式中：v为气体的比容，m3·kg-1；ρ为气体密度，kg·m-3；下标0代表滞止状态；上标＊为临界值.因此，fp＊ ＝Gpap＊／（kpΠp＊pp）＝2.0708×10-6m2，dp＊ ＝1.6242mm.

由连续性方程可得喷嘴的出口处面积

则其直径dp1＝1.6508mm.

2.3 轴向尺寸计算

当引射器的各个横截面积确定后，需要进一步确定其轴向尺寸，包括喷嘴收缩段长度l1，喉口直段长度lt，喷嘴扩张段长度l2，混合室收缩段长度lc，直段长度lK及扩压段长度ls，图4为引射器的轴向尺寸示意图.

图4 引射器轴向尺寸示意图Fig.4 Schematic diagram of axial dimensions for the ejector

对喷嘴的结构参数，稳定段需要有足够的长度l0才能保证来流均匀，理论上l0应是喉部直径的10倍左右.收缩段的性能取决于收缩段进口面积和出口面积的比值及收缩段曲线形状.喷嘴的设计采用经典的文丘里喷嘴设计方法［10］，收缩段为圆锥形，取锥角为22°，喉部平直段的长度lt取为dt，扩散段的扩散角为7°～15°，这里选为8°.

当工作流体射出喷嘴时，卷吸一部分引射流体，使得流束扩张并伴随着轴向速度的降低进入到引射器.图5中lc1段为引射器的自由流束.截面e为过渡截面.索科洛夫把流束分为两段：起始段和基本段.喷嘴的出口截面和流束的过渡截面之间的一段流束叫做起始段，过渡截面以后的一段流束叫做基本段.

在设计引射器时，要保证自由流束的截面与混合室入口截面相等.为了确定工作喷嘴的位置，必须计算自由流束的两个尺寸：自由流束的长度lc1和在离喷嘴出口截面的距离为lc1处的自由流束的直径d4（见图5）.

图5 喷嘴出口自由流束Fig.5 Free fluid at nozzle hole exit

自由流束的长度lc1由下面近似公式求得：

当引射比n≤0.5时，即当自由流束不超出起始段时

当n≥0.5时，即当自由流束不只是包含起始段，而且还包含基本段时

其中，b是试验常数，对于弹性介质取0.07～0.09.当n＜0.2时，建议b取较小值；当引射比较大时，建议b取较大值.

在离喷嘴出口截面为lc1距离处，自由流束直径d4由以下公式求得：

例如在教授三视图的画法的时候，首先不要直接将三视图的画法灌输给学生，而是利用小正方体让学生搭出一个立体图形，然后让他们分别站在正面，左面来看，再从上面俯视这个图形，这样我们不仅理解三视图的画法的由来，也完成了从实验操作转化为抽象的数学思维的过程，从而使学生的思维从感性上升到理性。

如果混合室的直径d3＞d4（见图5a），喷嘴出口截面离圆柱形混合室入口截面的距离应该取lc＝lc1.若将喷嘴移离混合室，即取lc＞lc1时，引射器的性能会严重恶化.因为自由流束长度的增加，有可能造成自由流束入口段的直径大于圆柱形混合室的直径.在这种情况下，自由流束带入到混合室中的流体比引射器能通过的要多，此时一部分流体从混合室倒流到吸入室，在混合室入口段将产生倒流及与其相关的附加损失.

如果混合室的直径d3＜d4（见图5b），则工作喷嘴的出口截面离圆柱形混合室入口截面的距离应该取为

在混合室入口段长度lc2区域，截面直径从d4变到d3，长度lc2由下式确定：

式中：γ＝45°.混合室入口段采用锥形，因为锥形入口具有较高的速度系数，可以提高引射器的效率.

混合室中间段的主要用途是使得混合流体进入扩散器之前均衡混合流体的速度场，使其以均衡的速度进入扩散器，动能转换成势能的过程可以以最小的损失进行，混合室中间段要有一定的长度才能保证混合流体速度场的均衡，通常取6～10倍混合室直径

扩散器的情况和喷嘴正好相反，流体在扩散段中减速扩压.一般扩散室的锥角θ＝8°～10°，在扩散室出口直径给定的情况下，根据经验公式求得扩散室的长度

式中：dc是扩散器的出口截面直径.

扩散器的出口截面面积按以下公式确定：

根据以上计算进行尺寸设计，最终完成的引射器如图6所示.

图6 引射器装配图（单位：mm）Fig.6 Ejector assembly drawing（unit：mm）

3 引射器的特性分析

引射器的设计工况是固定的，而其实际应用往往是变工况运行状态，因此研究其在全负荷范围内的使用性能就显得极为重要.下面对该引射器的关键性能参数u进行分析，因为引射器在燃料电池系统的应用中u与引射端的质量流量密切相关.

3.1 出口压力对引射器性能的影响

该引射器安装在高压燃料电池系统的阳极，而燃料电池堆的阳极压力与阴极压力是直接相关的，阴极端的压力越高空压机就需要消耗越多的能量，因此阳极端的压力与电堆的功率输出相关.一般情况下，电堆的输出功率越大电堆内部的气体压力越高，对于阳极而言，电堆阳极侧气体压力也随电堆输出功率的增大而增大，因而燃料电池系统中的引射器出口端压力也是随电堆输出功率变化而变化.

对引射器出口压力pc对引射器性能的影响进行计算分析，取工作流体压力pp＝500kPa，引射流体压力ph分别为180，240和300kPa这三个工况进行计算，结果见图7.

从图中可以看出，每种入口压力和引射流体压力都存在一个出口端临界压力pcr，当pc＞pcr时，引射系数u将随着pc的增大而减小，继续提高pc甚至可能导致u为负值（即部分工作流体会从吸收室进入引射流体的通路上），然而，当pc＜pcr时，u为最大值且保持不变，这个时候引射器达到给定工作流体和引射流体初始参数下的最大生产力，并且，pcr随着引射流体压力的增加而增加.

pcr的存在，主要是因为在引射器内部流体的速度达到了临界值.此时，即使引射器出口压力继续降低（pc＜pcr），在引射器的混合室内会出现壅塞现象，使工作流体和引射流体的质量流量不会随着引射器出口压力的变化而继续变化，因此引射系数维持在最大值［11］.

图7 出口压力对引射器性能的影响Fig.7 Effect of outlet pressure on ejector performance

3.2 工作流体压力对引射器性能的影响

取ph＝203kPa，pp分别为300，375，425和500 kPa四个工况，计算分析工作流体压力对引射器性能的影响，结果见图8.

下面以pp＝425kPa曲线上的四个点A，B，C，D为例阐述工作流体压力对引射器的性能影响.其中A，B两点都是出口压力小于临界出口压力的情况，点C表示引射器出口压力为临界压力的情况，而点D为引射器出口压力大于临界出口压力，且引射系数非负值的情况.

图8 工作流体压力对引射器性能的影响Fig.8 Effect of working fluid pressure on ejector performance

从图8中可以看出，当引射器处于工作点B时，在出口压力不变的情况下，如果工作流体压力升高，特性曲线将向pp＝500kPa曲线的方向移动，B点的出口压力在新工作流体压力下稳定运行状态的范围内，因此，随着工作流体压力升高，引射系数将降低，但仍处于可以稳定运行的范围内.当工作流体压力降低时，由图中的趋势可以看出，对应的特性曲线倾斜段不停地往下方移动，而直线段往右侧移动，此时会出现三种情况.首先，压力降低的幅度小（如小于pp＝375kPa曲线对应的工作流体压力值），B点的出口压力处于新工作流体压力下的稳定运行范围内（小于pp＝375kPa曲线对应的临界出口压力），则引射系数会增加，且引射器可以稳定运行；当工作流体压力进一步降低时（如曲线pp＝300kPa对应的工作流体压力值），B点的出口压力会大于新工作流体压力下的临界出口压力（pp＝300kPa曲线的临界压力值），此时引射系数仍然增加，但B点的出口压力却处于新工作流体压力下的非稳定运行范围内；如果工作流体的压力再进一步降低时，由于特性曲线倾斜段不停地往下方移动，直线段不停地往右侧移动，则B点的出口压力将远远大于新工作流体的临界出口压力，此时引射系数将急剧下降，甚至有可能成为负值（出现回流）.工作点A的情况与B点相同，只是A点的引射系数可以增加的范围比B点的大.

工作点C处于临界点，此时引射器处于稳定运行工况，当工作流体的压力增加时，引射系数的变化同B点一样，运行稳定但引射系数降低，由于C点处于临界点，当工作流体的压力减小时，引射器处于不稳定运行范围，C点的出口压力将很快远远高于新工作流体压力所对应的临界出口压力，引射系数将经历一个先增大后迅速下降最后出现回流的情况.

D点的出口压力高于pp＝425kPa曲线临界压力，引射器处于非稳定运行工况，当工作流体的压力增加时，如pp＝500kPa曲线所对应的工作流体压力，引射器仍处于非稳定运行工况，引射系数将增大，当工作流体的压力增大到一定值时，D点对应的流体出口压力将达到新工作流体压力对应的临界出口压力，此时引射器稳定运行，且引射系数达到最大值，继续增大新工作流体压力将使得对应出口压力下的引射器仍稳定运行但引射系数下降.当工作流体的压力减小时，引射器处于不稳定运行范围，引射系数迅速下降.

由以上分析可以看到，工作流体的压力对引射系数的影响不能简单地归纳为增大或减小，而是取决于引射器出口压力的值，引射器出口所处的工况不同时，引射系数随工作流体压力变化的规律是不同的.

3.3 引射流体压力对引射器性能的影响

从图7可以看到，引射系数与临界出口压力都随引射流体压力的升高而增加.这是因为，引射流体压力升高，一方面引射流体与喷嘴出口处工作流体间的压差增大，使引射流进入吸收室的推动力增加，引射系数增大；另一方面，由于混合流体能量的增加，使其克服出口压力的能力增强，因此，临界出口压力有所提高.

在燃料电池系统中，引射端与电堆的阳极出口端相连，即引射流体的压力是随电堆输出功率变化而变化，因而，提高引射流体压力不能作为提高引射系数的主要途径.

4 引射器使用特性试验验证

在完成引射器的设计后，搭建了一个模拟测试系统对其使用性能进行了试验验证.

4.1 试验台架的搭建

在所搭建的引射器性能试验台架（见图9）中，引射器的出入口及引射端的压力都可调节，这样便于分别测试各参数对引射器使用性能的影响.

4.2 试验结果分析

在对试验数据进行管路压力损失、测量误差等进行修正后，所得试验数据如图10所示.

图10a为工作流体压力为500kPa，引射流体压力分别为205，240，280kPa时试验值与理论值的对比.结果显示，引射端压力对引射器使用特性的影响符合第3.1节中的分析，引射流体压力升高会使引射器的使用性能得以提升.

图10b给出了工作流体压力分别为400，500，600kPa，引射端入口压力（205kPa）保持不变的情况下，工作流体压力对引射器使用性能的影响.由试验数据中亦可观察到，工作流体对引射器使用性能的影响比较复杂，主要取决于引射器出口压力值，所处工况不同时，引射系数随工作流体压力变化的规律是不同的.

5 结论

（1）通过详细的理论介绍为文丘里管引射器的设计提供了参考.

（2）引射流体压力升高可使引射器的使用性能得以提升.

（3）引射系数随工作流体压力变化的规律随着引射器出口所处工况的变化而变化.

（4）由于模拟测试台架与实际PEMFC运行的结构布置及工况有差别，并且存在传感器精度、理论假设等误差，使得计算结果仍然存在偏差，但对引射器使用性能的研究具有很好的理论指导意义.

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