琦睿电池科技专注于储能及氢燃料电池发动机、仿真系统及相关关键零部件自主研发及产业化的高新技术企业。目前氢能事业部核心产品有燃料电池仿真系统、燃料电池增湿器、燃料电池离子过滤器、燃料电池水气分离器、燃料电池引射器、燃料电池空压机、燃料电池氢气循环泵等。

燃料电池电动汽车是新能源汽车的重要发展方向，燃料电池作为整车的核心能量单元，其工作性能直接影响车辆经济性、动力性及可靠性。氢气循环系统中，引射器是燃料电池的重要功能元件， 中首先基于索科洛夫设计法对引射器进行结构设计与建模，然后开展了引射流体的流场分析，最后基于分析结果探究了引射性能的关键影响因素。结果表明，在不同压力工况下，引射系数与工作流体入口直径呈抛物线趋势，引射系数与引射流体入口直径正相关，引射系数随混合流体出口直径的增加呈现先增后减的趋势。基于上述影响规律对引射系数进行优化，可使引射器回氢性能提高13.55%，改善了燃料电池的氢气利用率，进一步完善了引射器结构优化与引射特性研究。

1 氢气供给系统

1.1 PEMFC基本原理

PEMFC主要由膜电极组件和双极板两部分组成，此外还包括密封件、集流板等。双极板与膜电极构成了单体电池，应用中将单体电池固定于特定的密封装置中，利用端板压紧，使用螺杆等进一步固定，单体电池堆集组成燃料电池电堆。整体来看，燃料电池结构与三明治相似，中间为质子交换膜，两侧为催化剂层，氢燃料电池的催化剂层一般为铂基，向外与其相邻的是扩散层和双极板。PEMFC的工作原理如图1所示，膜层将其划分为阴极、阳极两部分，外回路导通，电池工作时扩散层内的反应气体扩散到催化层，气体燃料在催化作用下发生如下电化学反应。

阳极(负极)：

阴极(正极)：

电池反应：

图1 PEMFC的工作原理

进入电池阳极的氢失去电子，反应后产生的氢离子进入电解质，与进入阴极的氧气发生化学反应。电子则是经过外部回路到达燃料电池的阴极参与反应，最终生成水。整个反应伴随着热的产生。上述反应持续进行，电子不断地通过外部回路，完成发电。

1.2 氢气循环系统

PEMFC氢气循环系统见图2，在工作过程中，通过供应过量氢气的方法来保证输出功率稳定。随着燃料电池内部反应的进行，电堆阳极废气中包含水和一定量未反应的氢气，利用水气分离装置将残余氢气分离出来并传输至引射器。引射器可利用高压氢气产生负压进而回收未反应的残余氢气，且不产生额外的寄生功率。供应的高压氢气从引射器喷嘴喷出后进入混合室，高速气流卷吸流动形成低压区，在压差的作用下，引射残余氢气与之进入混合室，均匀混合后从出口排出，参与电堆阳极反应。

图2 氢气循环系统的组成及相关器件

氢气循环泵

1.3 引射器结构设计

中采用索科洛夫引射器设计法，基于80 kW工况对PEMFC电堆进行结构设计。工况参数如表1所示。根据电推参数求出引射器结构设计所需的工作流体质量流量GP后，即可结合工况参数，利用经验公式计算出引射器的结构尺寸。结构参数包括工作流体喷嘴截面尺寸、等容混合室截面尺寸、引射器轴向尺寸等。

氢气引射器

表1 设计工况点参数

燃料电池正常工作时所需氢气量mH2可由式(1)求得。

(1)

式中：I为电池的工作电流；F为法拉第常数；Ncell为电池数目；i为电流密度；A为活化面积。

阳极入口水蒸气的质量分数ωH2O可由式(2)求得。

(2)

式中：XH2O为入口水蒸气的摩尔分数；H为氢气湿度。水蒸气在353 K温度下的饱和蒸汽压为47 414.7 Pa。

阳极入口气体质量流量min 可由式(3)求得。

(3)

式中：mH2,in 为阳极入口氢气质量流量；mH2为纯氢的质量流量；λ为氢气过量系数。

电堆的工作参数如表2所示，阳极入口氢气质量流量mH2,in 即为用于引射器结构计算的工作流体质量流量GP。引射器结构参数的计算结果见表3。

表2 PEMFC电堆参数

表3 引射器结构尺寸

2 引射特性建模及仿真

图3为引射器结构示意， 中采用ANSYS/CFX软件进行引射器的建模与仿真。选择引射系数μ作为引射性能的评价指标，定义为引射流体的质量流量与工作流体的质量流量之比，如式(4)所示。

图3 燃料电池引射器结构示意

(4)

式中：GH为引射流体的质量流量。

2.1 控制方程

引射器的数值计算采用k-ε模型的修正方程，即RNG k-ε模型，基于N-S方程组的再归一化，能更好地预测引射器内部流动情况以实现结构优化。假设流体为稳态可压缩湍流，引射器管壁为绝热壁面，工作流体与引射流体均为理想气体，忽略重力影响且无化学反应发生，则引射气体控制方程为：

+?·(ρU)=0 (5)

+?·(ρU?U)-?·(μeff?U)=
?·p′+?·(μeff?U)T+B (6)

+?·(ρUε)=?

?

(7)

式中：ρ为密度；t为时间；U为速度矢量；k为湍动能；ε为湍动能耗散；μeff为有效黏度；p′为修正压力；B为体积力总和；T为热力学温度；μt为湍流黏度；σεRNG，Cε1RNG，Cε2RNG为系统常数。

2.2 格划分

对于有限元分析来说，仿真精度和计算速度取决于模型 格划分质量的高低。对模型进行 格划分，初步划分后对模型边界区域、工作流体与引射流体接触混合区等处的 格适当优化加密，以保证模型 格划分的质量。最终通过 格无关性验证后的 格数量为1 100 764个。

2.3 边界及初始条件

引射器工作流体为理想氢气，进口边界条件按总压力进行设定；引射流体入口与混合流体出口的边界条件设定为恒定压力边界，具体设定值参照表1。流体的流态为稳态湍流，且为可压缩的理想状态。初始情况下，湍流强度为5%，温度为298 K，设定参数残差小于10-5时收敛。

2.4 模型验证

为验证CFD模型的准确性，在工作流体入口压力4×105～6×105 Pa范围内选择5个点进行仿真运算，得到引射器工作流体质量流量GP与工作流体压力pp的变化曲线，如图4所示。GP与pp在该范围内呈线性正相关，符合理论推导结果。二者关系式可表示为如下形式：

Gp=kpp+b (8)