摘要
引射器是质子交换膜燃料电池氢气循环系统中的关键部件,依靠超音速流动的射流工质实现阳极排气的再循环。传统的固定结构引射器通常针对电堆额定工况设计,工作在非设计工况时性能较差;而可变喉口引射器可以动态地改变其喉口大小,有效扩大其工作范围。基于Sokolov设计理论,搭建了引射器的一维模型并探究了其工作特性,在此基础上提出了一种可变喉口引射器的设计方法。研究结果表明,引射器的工作特性主要受其操作压力、喉口直径和混合室直径影响;通过缩小喉口、提高工作流体压力可以使工作喷嘴保持临界状态,这对大负载下的引射性能影响较小,但能够有效提高电堆小负载下的引射比,并使引射器的工作范围向小负载扩展。
关键词
质子交换膜燃料电池汽车在运行过程中几乎不排放污染物,具有较高的系统效率,是商用车领域加速脱碳进程的可靠途径之一。按照工作方式,燃料电池阳极系统可以分为阳极直排系统、阳极闭端系统和阳极氢气循环系统,由于阳极排气中含有水蒸气、液态水、氮气和未完全反应的氢气,将阳极排气直接排出系统会降低氢气利用率;在阳极闭端系统中排气则会留在电堆内继续反应,但在运行过程中不断积累的液态水和氮气会阻碍气体传质、降低氢气浓度,使电堆性能大幅下降。在车用领域多采用阳极氢气循环系统,将阳极排气与新鲜氢气混合之后再通入电堆,由于氢气循环兼具有进气加湿作用和对流道的吹扫作用,这样不仅提高了系统燃料利用率,还改善了电堆内的水平衡。
引射器是阳极氢气循环系统的核心部件之一,主要利用超音速低压射流产生的压差和卷吸作用将阳极排气不断吸入引射器内完成循环。引射器体积小、重量轻、可靠性高,是理想的氢气循环装置。传统的固定结构引射器通常针对燃料电池系统额定功率工况设计,在偏离设计点的工况下会表现出较差的性能,在电堆小负载工况下甚至无法产生循环效果。目前部分研究通过采用可变内部结构的引射器,扩大了引射器的工作范围。Xue
在引射器设计过程中,通常先使用一维模型设计其初始结构。Huang
本文基于Sokolov方法搭建了引射器的一维模型,并利用60 kW级引射器试验数据验证了模型有效性。利用该模型探究了操作压力和可变喉口设计对引射器工作特性的影响,随后对传统固定结构引射器的设计流程加以改进,以此设计了120 kW级燃料电池可变喉口引射器,得到了可变喉口控制方案。
引射器的基本结构如
(1) |
(2) |
(3) |
式中:、、分别为引射器的引射比、压缩比和膨胀比;、分别为引射流体质量流量和入口压力;、分别为工作流体质量流量和入口压力;为引射器出口背压。在燃料电池系统,阳极排气会首先流经水分去除液态水,因此模型中不考虑两相过程。
图1 引射器基本结构
Fig.1 Basic structure of ejectors
在模型中做出如下假设:
(1)工作流体和引射流体均为单相理想气体。
(2)工作流体和引射流体入口处气体视为滞止状态。
(3)工作流体和引射流体在混合室入口开始混合,在出口以前混合完毕;
(4)混合室入口截面上沿半径方向可以分为工作流体区和引射流体区,在各自的区域内流体轴向速度一致;
(5)引射器中的流动、混合均为等熵过程,忽略激波、涡旋。
在引射器设计中常使用气体动力学函数速度系数、相对压力函数和相对质量流量函数。
对于工作喷嘴,如
(4) |
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式中:和为流体滞止压力(Pa)和滞止温度(℃);、分别为流体流通截面积和临界流通截面积(
一般将引射流体入口压力等效于喷嘴背压,并且认为喷嘴出口和混合室入口处工作流体具有相同的气体动力学状态。在不同膨胀比下,工作流体流量如
(6) |
式中:k和分别为比热比和气体常数,当介质为氢气时分别为1.41和4121 J·(kg·K
引射器的特性曲线方程如式(
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(8) |
式中:为圆柱形混合室截面积(
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(11) |
在燃料电池系统中,阳极进气压力对应引射器出口背压,阳极排气压力对应引射流体压力,而从氢瓶供给的氢气压力则对应工作流体压力。
搭建如
图2 台架原理图
Fig.2 Schematic design of test bench
引射器的标准特性曲线如
图4 引射器工作特性曲线
Fig.4 Characteristic curve of ejectors
引射器的工作特性主要受到其操作压力影响。保持引射流体压力一定,将工作流体压力从300 kPa逐渐提升到700 kPa得到的特性曲线如
图5 操作压力对引射器的影响
Fig.5 Effects of the primary pressure and the secondary pressure on ejectors
保持工作流体压力一定,引射流体压力从160 kPa逐渐提高到175 kPa得到的特性曲线如
如
图6 喉口直径对引射器的影响
Fig.6 Effects of throat diameter on entraining performance and flow filed
文献[
固定喉口引射器一般针对电堆额定功率点的压力和流量条件设计,然后根据其他功率下的循环量需求进行优化。本文的可变喉口引射器设计采用类似的方法,首先针对某120 kW级燃料电池电堆额定功率设计一固定喉口引射器的基本结构,然后根据电堆生产商给出的各个负载下电堆的阳极计量比要求,引入可变喉口方案,使该可变喉口引射器在全功率范围内均满足电堆的循环量要求。电堆各负载下的压力条件如
图7 不同负载下电堆压力条件
Fig.7 Pressure conditions under each load
尺寸 | 设计公式 | 设计结果 |
---|---|---|
2.0 mm | ||
2.2 mm | ||
5.8 mm | ||
34.8 mm | ||
46.4 mm |
定义引射器的工作范围为引射器能够产生循环效果(引射比不为0)的功率范围。如
图8 阳极流阻和混合室直径对引射器的影响
Fig.8 Effects of anode pressure drop and mixing chamber’s diameter on ejectors under each load
如
如
喉口直径对全工况内的引射比影响如
图9 喉口大小对引射器的影响
Fig.9 Effects of throat diameter on entraining performance and λ under each load
当喉口直径为初始值2.0 mm时,引射器在60~120 kW内能够提供足够的引射比,但只能在120 kW负载下达到临界状态;在17~60 kW内引射器无法产生足够的阳极循环量,当负载小于40 kW时喷嘴无法保持临界状态,因此引射比曲线在40 kW处出现陡降;在0~17 kW内引射器处于回流状态,没有循环效果。随着喉口直径逐渐缩小,60 kW以下的引射比得到明显提升,同时引射器工作范围的起点逐渐向怠速功率移动。当喉口直径缩小至1.2 mm时,喷嘴在全工况范围内能达到临界状态();当喉口直径继续缩小至0.8 mm时,引射器在全工况范围内均具有循环效果;当喉口直径为0.4 mm时,全工况内的引射比满足需求。
对于60 kW以上的工况,缩小喉口对循环的影响很小,但会使工作流体压力成倍提升,这大大扩大了引射器工作流体压力的调节范围、增加了比例调节阀的选型难度。因此对于可变喉口引射器而言,只需要在引射比不能满足要求的工况下应用可变喉口方案,最终喉口和工作流体压力的控制策略如
图10 喉口和工作流体压力控制策略
Fig.10 Control strategy of throat and primary pressure
本文基于Sokolov理论搭建了引射器一维模型,并使用60 kW级燃料电池引射器的试验结果验证了模型的准确度。在此基础上,探究了操作压力和喉口直径对引射器工作特性的影响,由此设计了120 kW级可变喉口引射器的基本结构和可变喉口方案。本文得到的主要结论如下:
(1)引射器性能受其操作压力影响。随着电堆负载上升,工作流体压力的增加会迅速提高引射比,但在大负载工况下过高的工作流体压力会对引射比产生负面效果;降低阳极流阻能够提高引射流体压力,改善小功率下的引射性能。
(2)引射器性能受混合室直径影响。在电堆全工况下,减小混合室直径会降低最大引射比,并使引射器的工作范围向小负载移动。对于大功率引射器来说,应该采用较大的混合室直径,但过大的混合室直径会使小负载下的引射性能恶化。
(3)可变喉口方案能够改善引射性能。在大负载下,缩小喉口对引射比的影响较小,同时会使工作流体压力成倍增长;而在中小负载下,缩小喉口可以使工作喷嘴保持临界状态,能有效提高引射性能,并使引射器工作范围向小负载工况扩展。因此,可变喉口策略只需要应用于固定喉口引射器工作不佳的中小负载工况。
作者贡献声明
卢义康:模型搭建,试验设计,理论计算,论文撰写;
王旭辉:模型搭建指导,试验设计指导;
许思传:论文总体指导。
参考文献
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