运行条件对氢燃料电池引射器性能影响规律研究*

张志鹏 纪少波 张世强 陈秋霖 王丽梅 于泽庭

（1.山东大学能源与动力工程学院,济南 250061;2.江苏大学汽车工程研究院,镇江 212013）

主题词：燃料电池 引射器 运行条件 影响规律

1 引言

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Mem⁃brane Fuel Cell，PEMFC）在便携式移动电源及新能源车辆等领域具有广阔的应用前景。氢气供给量影响PEMFC 的实际工作性能，为实现氢气的过量供给，且提高氢气使用效率，常采用氢气再循环的方式。引射器利用装置间的压力差实现氢气循环，不需消耗额外功率，且引射器的噪声远低于氢气循环泵。因此，引射器优化成为提高燃料电池效率的重要研究方向。

刘英等对PEMFC 引射器的性能进行仿真分析，结果表明工作流体压力对引射器性能的影响随引射器出口所处工况的变化而变化。杨秋香等利用Flu⁃ent仿真软件对设计的氢气循环引射器进行全工况模拟，通过改变工作流体质量流量参数，确定引射器的最佳工作流体质量流量范围。许思传等研究了某高压PEMFC 系统，对引射器进行结构设计及特性研究，结果表明增大引射器出口压力和引射流体压力，引射系数提高。Bao 建立了一个包含引射器的燃料电池系统的动态模型，在不同压力、温度下，分析了引射器阳极再循环模式对系统扩散层传质和膜中水运输的影响。Kim 等对燃料电池汽车进行了系统级建模，以预测其性能，结果表明氢气流速增加，氢气再循环比增加。Toghyani等研究了不同工作条件下引射器的性能，结果表明高的工作温度和压力会导致更高的化学计量比和氢气再循环比。

研究人员多针对单项运行条件展开研究，为了更全面的评价运行条件对引射器性能的影响，本文研究了流量、温度及湿度关键运行条件对引射器性能的影响规律，研究结果可为引射器性能改善提供理论支持，为引射器控制策略的制定提供指导。

2 引射器模型建立及验证

2.1 引射器模型建立

引射器利用高压氢气罐和燃料电池电堆之间的压力势能回收电堆阳极出口的氢气。本文提出的引射器主要结构包括等压混合室、等容混合室、扩散室、针阀和一次流体收敛型喷嘴等，其结构示意如图1 所示。

图1 引射器结构示意

基于上述引射器的主要结构，本文利用三维CFD绘图软件，建立了引射器的模型，将几何模型导入CFD 软件构建网格，如图2 所示。选择生成6 面体网格模型进行后续计算，初始网格数量大约为110万个，为确保网格质量，在构建6 面体网格的同时对引射器模型混合区域的流动区域和引射器壁面边界的网格进行了加密优化，对于流体状态变化较大的位置采取了网格自适应的方式，同时对网格的独立性进行了验证。

图2 引射器网格模型

对三维CFD 引射器模型作出以下假设：（1）流体为湍流可压缩流动；（2）假设引射器内流体处于稳态流动；（3）忽略内部水汽凝结；（4）假设引射器内壁绝热。

2.2 引射器模型验证

为验证模型，搭建了试验台架，对模拟结果进行分析论证，搭建的试验台架如图3 所示。台架主要包括空压机、稳压罐、干燥过滤筒、三通阀、调压阀、压力变送器、流量计、引射器及背压阀。

图3 引射器试验台架示意

试验台架工作原理：首先，空压机和稳压罐产生特定压力的气流，然后流经干燥过滤筒，以确保气流的纯净干燥以及质量流量计测量的准确性；通过三通阀将流体分为一次流体和二次流体，通过调压阀对引射器一次入口以及二次入口的压力进行调节。

压力变送器及流量计输出信号通过自主设计的下位机进行采集，并在上位机进行数据的处理、显示、保存等，上位机和下位机结构设计示意如图4所示。

图4 上位机与下位机结构设计示意

图5 引射器3D打印实物

将3D 打印好的引射器装在试验台架上进行试验，在不同电流工况下，测试引射器的引射系数，在计算机上进行和试验相同条件的仿真，试验数据和仿真数据结果如图6 所示，仿真与试验结果的最大误差不超过5%，仿真结果与试验结果接近，由此可知，建立的引射器模型准确度高，可以进行后续仿真计算。

图6 模型与试验结果对比曲线

3 运行条件对引射器性能影响研究

本文引射器应用的PEMFC主要参数如表1所示。引射器一次流体为纯氢气，二次流体为氢气和水蒸气的混合气。探究了一次流体质量流量、—次流体温度、二次流体湿度以及二次流体温度4种不同运行条件对引射器性能的影响。仿真计算中，将一次流体入口压力设定为恒定压力0.32 MPa，不同工况的电堆功率，电流，一次流体流量及二次流体压力（P）如表2所示。

表1 PEMFC电堆参数

表2 引射器仿真分析各工况的主要参数值

3.1 一次流体质量流量对引射器性能的影响

引射器的一次流体质量流量对引射器的性能有重要影响。本文共计算了6 种一次流体质量流量对引射器性能的影响。图7（a）、7（b）分别为二次流体质量流量及引射系数随一次流体质量流量的变化曲线。由图可知，二次流体质量流量随一次流体质量流量的增加而增加，但增长幅度渐趋平缓。引射系数随一次流体质量流量的增加先增加后减少，在0.000 35 kg/s 时，引射系数达到最大值2.78。在每种电流工况下，一次流体质量流量存在最佳值，一次流体质量流量高于或低于最佳值，引射系数均降低，引射性能下降。因此，在PEMFC 工作时，需要合理优化一次流体质量流量值，保证引射器具有最佳引射性能。

图7 一次流体质量对引射器性能影响变化趋势

3.2 —次流体温度对引射器性能的影响

在一次流体温度分别为295 K、305 K、315 K、325 K、335 K、345 K、355 K 时，计算并绘制了引射器的二次流体质量流量及引射系数随一次流体温度的变化曲线，结果如图8所示。由图可知，随着一次流体温度的升高，二次流体质量流量以及引射器的引射性能均呈现上升的趋势。另外，由图8（b）中可知，在120 A、180 A、250 A及300 A这4种电流工况下，当一次流体的温度从295 K增加到355 K时，引射系数分别增加了0.88、0.46、0.41、0.38。由此可知，一次流体对引射器性能的提升量随电流的增加而降低。分析原因是在每种电流工况下，一次流体质量流量恒定，随着一次流体温度升高，一次流体的流速增加，进而改善引射性能。在低电流工况，一次流体温度升高对引射器性能提升明显；随着电流的增加，一次流体的流量及压力增大，一次流体温度升高对引射器性能的改善效果减弱。

图8 一次流体温度对引射器性能影响变化趋势

3.3 二次流体湿度对引射器性能的影响

二次流体湿度分别为20%，40%，60%，70%，80%，90%时，计算并绘制了引射器的二次流体质量流量、引射系数及氢气引射系数随二次流体湿度的变化曲线，结果如图9所示。由图9（a）可知，随着二次流体湿度的增加，引射系数呈现上升趋势。在120 A、180 A、250 A、300 A 的电流工况下，当二次流体的湿度从20%增加到90%时，引射系数分别增加了0.52、1.67、1.79、1.65。由此可知，在较高的电流工况下，二次流体湿度对引射器性能提升幅度较大；在较低的电流工况下，二次流体湿度对于引射器性能提升幅度较小。由图9（b）可知，随着二次流体湿度的增加，二次流体质量流量呈现上升趋势。分析原因是二次流体的湿度增加，使得混合气中水蒸汽所占比例升高，水的摩尔质量大于氢气的摩尔质量，所以二次流体湿度的增加导致二次流体的平均气体密度增加，二次流体的质量流量随之增加，引射系数也得到了提高。

由上述可知，随着二次流体湿度增加，引射系数提高，但主要是由于水蒸气比例增加导致。引射器主要作用是回收氢气，二次流体湿度对氢气引射系数的影响值应进一步探讨。由图9（c）可知，随着二次流体湿度增加，氢气引射系数呈现下降趋势。分析原因是随着二次流体湿度的增加，则二次流体中水蒸气所占比例增加，使得氢气所占比例降低，导致氢气引射系数随着二次流体湿度增加而减小。在120 A、180 A、250 A、300 A的电流工况下，当二次流体的湿度从20%增加到90%时，氢气引射系数分别降低了0.42、1.07、1.26、1.18。由此可知，在较高的电流工况下，二次流体湿度增加，氢气引射系数的降低幅度较大；在较低的电流工况下，二次流体湿度增加，氢气引射系数降低幅度较小。

图9 二次流体湿度对引射器性能影响变化趋势

综上所述，二次流体湿度增加导致引射系数增加，主要体现在二次流体中水蒸汽所占的比例上，水蒸气在二次流体中所占比例越大，则引射器的引射系数越高。氢气引射系数随着二次流体湿度的增加呈现下降趋势，即氢气回收率呈下降趋势。因此，在评价引射器性能时，综合考虑引射性能和氢气回收2方面的影响。

3.4 二次流体温度对引射器性能的影响

在二次流体温度分别为323 K、333 K、343 K、353 K时，计算并绘制了引射器的二次流体质量流量、引射系数随着二次流体温度的变化曲线，结果如图10所示。由图10（a）、10（b）可知，随着二次流体温度升高，二次流体的质量流量以及引射系数均呈现下降趋势。分析原因是二次流体温度升高，使得二次流体密度降低，质量流量减小，引射器的引射性能下降。从图10（b）可知，在120 A、180 A、250 A、300 A的电流工况下，当二次流体的温度从323 K增加到353 K的时，引射系数分别下降了0.74，0.43，0.22，0.16。由此可知，在低电流工况下，增加二次流体温度，引射系数降低幅度较大；在高电流工况下，增加二次流体温度，引射系数降低幅度较小。分析原因是在较高电流工况下，高流量、高压力的二次流体的速度增加，在一定程度上抵消了二次流体温度提高对引射性能的不利影响。

图10 二次流体温度对引射器性能影响变化趋势

通过一次流体质量流量等因素对引射器性能影响规律分析可知，一次流体质量流量对引射器性能影响最大，一次流体温度、二次流体温度及湿度对引射器性能影响较小。为优化引射器性能，在每种工况下，通过对一次流体质量流量的优化，可使引射器的系数达到最佳值；适当提高一次流体温度可以改善引射器性能；应防止二次流体温度及湿度过高，以避免引射器性能下降。

4 结论

本文研究不同运行条件对引射器性能的影响规律，建立了引射器模型，并搭建了引射器试验台架。利用台架测试的引射系数对搭建的CFD 模型进行验证，结果表明建立的引射器仿真模型能够满足分析需要。

随着一次流体质量流量的增加，引射器二次流体的质量流量逐渐增加，引射系数先增加后减小。为保证引射器工作性能最佳，一次流体质量流量应合理取值。

引射器性能随着一次流体温度增加而增大，随着电流的增加，一次流体温度对引射器性能提升的效果减弱；随二次流体的湿度增加引射系数增加，氢气引射系数降低。

引射器性能随着二次流体温度的增加而降低。随着电流增加，二次流体温度对引射器性能影响效果减弱。