流体机械

参数	数值
单电池数	200
电池活性面积/cm²	190
工作温度/K	343.15
阳极入口压力最大值/MPa	0.25
最大输出电流/A	280

参数	数值
单电池数	200
电池活性面积/cm²	190
工作温度/K	343.15
阳极入口压力最大值/MPa	0.25
最大输出电流/A	280

参数	数值
一次流入口温度/K	293.15
一次流入口质量流量/(g·s^-1)	0.12~0.20
二次流入口压力/MPa	0.14~ $Δ$ P
二次流入口温度/K	333.15
二次流水蒸气质量分数	0.57
混合流体出口压力/MPa	0.14

参数	数值
一次流入口温度/K	293.15
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二次流入口温度/K	333.15
二次流水蒸气质量分数	0.57
混合流体出口压力/MPa	0.14

参数	数值	参数	数值
D_p/mm	10.0	θ_c/（°）	60.0
D_s/mm	7.3	θ_d/（°）	3.0
D_n/mm	4.6	NXP/mm	3.4
D_m/mm	6.0	L_d/mm	66.7
L_m/mm	8.0	D_d/mm	10.0

参数	数值	参数	数值
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参数	数值	参数	数值
D_p/mm	10	θ_c/（°）	60
D_s/mm	8	θ_d/（°）	10
D_d/mm	10

参数	数值	参数	数值
D_p/mm	10	θ_c/（°）	60
D_s/mm	8	θ_d/（°）	10
D_d/mm	10

参数	取值	控制结构参数
D_n	0.8~1.6	D_m=3.6，L_m=18，NXP=3
D_m	2.4~4.8	D_n=1.2，L_m=18，NXP=3
L_m	10.8~25.2	D_n=1.2，D_m=3.6，NXP=3
NXP	1.0~3.0	D_n=1.2，D_m=3.6，L_m=18

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水平	D_n/mm	D_m/mm	L_m/mm	NXP/mm
1	0.8	2.4	10.8	1.5
2	1.0	3.0	14.4	2.0
3	1.2	3.6	18	2.5

水平	D_n/mm	D_m/mm	L_m/mm	NXP/mm
1	0.8	2.4	10.8	1.5
2	1.0	3.0	14.4	2.0
3	1.2	3.6	18	2.5

试验号	1 D_n	2 D_m	3 L_m	4 NXP	$ω H 2$	P_p/MPa
1	1	1	1	1	0.406	0.334
2	1	2	2	2	0.611	0.335
3	1	3	3	3	0.603	0.336
4	2	1	2	3	0.323	0.218
5	2	2	3	1	0.384	0.217
6	2	3	1	2	0.340	0.220
7	3	1	3	2	0.222	0.176
8	3	2	1	3	0.255	0.175
9	3	3	2	1	0.241	0.175
k_i₁	0.540	0.317	0.333	0.344
k_i₂	0.349	0.416	0.392	0.391
k_i₃	0.240	0.395	0.403	0.394
R	0.300	0.099	0.070	0.055

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车用燃料电池低功率工况下引射器结构优化设计

姜文涛 , 吴子尧 , 周冉

流体机械 | 设计计算 2025,53(4): 61-67

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流体机械 |设计计算 2025 , 53 (4) : 61 -67

车用燃料电池低功率工况下引射器结构优化设计

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姜文涛（2002），男，硕士研究生，研究方向为燃料电池引射器，E-mail：18235105265@163.com。

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姜文涛, 吴子尧, 周冉

作者信息

沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870

通讯作者:

吴子尧（1986），男，博士，讲师，研究方向为质子交换膜燃料电池及锂离子电池检测，通信地址：110870沈阳经济技术开发区沈辽西路111号沈阳工业大学机械工程学院，E-mail： wzy-1986520@163.com。

作者简介:

姜文涛（2002），男，硕士研究生，研究方向为燃料电池引射器，E-mail：18235105265@163.com。

Structural optimization design of ejectors for automotive fuel cells under low‑power operating conditions

Wentao JIANG, Ziyao WU, Ran ZHOU

Affiliations

School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

出版时间: 2025-04-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.009

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摘要

收起

为优化质子交换膜燃料电池氢气循环系统引射器在低功率区的引射性能，针对40 kW级燃料电池引射器结构参数进行了仿真试验。在给定功率下进行单变量影响试验，分别研究喷嘴喉部直径、混合室直径、混合室长度、喷嘴出口与混合室入口距离对引射器性能的影响，并从上述4个因素中分别选取较优的3个参数进行正交试验，对试验结果的极差进行分析，得到上述参数的最优组合和对引射器引射性能的影响程度的顺序；对优化后的引射器进行仿真试验。结果表明，在燃料电池工作电流为60 A的工作条件下，喷嘴喉部直径、混合室直径、混合室长度、喷嘴出口与混合室入口距离分别取0.8，3.0，18，2.5 mm时，得到最大的氢气回流比为2.315；在上述4个参数中，低功率工况下对引射系数影响最大的参数为喷嘴喉部直径，对引射系数影响最小的参数为喷嘴出口相对混合室入口距离。研究结果可为低功率工况下引射器结构参数的优化提供参考。

关键词

质子交换膜燃料电池 / 低功率区 / 引射器 / 正交试验

Abstract

收起

In order to optimize the elicitation performance of the elicitor of the hydrogen recirculation system of a proton exchange membrane fuel cell in the low‑power region，structural parameters of the elicitor of a 40 kW‑class fuel cell were simulated.Univariate influence tests were carried out at a given power to investigate the influence of nozzle throat diameter，mixing chamber diameter，mixing chamber length and the distance between the outlet of nozzle and the inlet of the mixing chamber on the performance of the ejector.The orthogonal tests were carried out by selecting the better three parameters from each of the four factors mentioned above，and the extreme deviation of the test results was analyzed to get the optimal combinations of the parameters mentioned above and the sequence of the degree of influence on the ejection performance of the ejector.Finally，the optimized ejector was simulated.The results show the maximum hydrogen reflux ratio of 2.315 is obtained when the nozzle throat diameter，mixing diameter，mixing chamber length，and the distance between the outlet of nozzle and the inlet of the mixing chamber are taken as 0.8，3.0，18，2.5 mm，respectively，under the working condition of 60 A.The results of the study show that among the four parameters mentioned above，low power condition has a significant effect on the ejection coefficient，while low power condition has a significant effect on the ejection coefficient，and low power condition has a significant effect on the ejection coefficient.Among the four parameters mentioned above，the parameter that has the greatest influence on the ejection coefficient under low power condition is the nozzle throat diameter，and the parameter that has the least influence on the ejection coefficient is the distance between the outlet of nozzle and the inlet of the mixing chamber.The results of the study provide a reference for the optimization of the structural parameters of the ejector under low‑power working conditions.

Key words

proton exchange membrane fuel cell / low power region / ejector / orthogonal experiment

引用本文

姜文涛, 吴子尧, 周冉. 车用燃料电池低功率工况下引射器结构优化设计. 流体机械, 2025 , 53 (4) : 61 -67 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.009

Wentao JIANG, Ziyao WU, Ran ZHOU. Structural optimization design of ejectors for automotive fuel cells under low‑power operating conditions[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (4) : 61 -67 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.009

正文

收起

0　引言

收起

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）是以质子交换膜作为电解质的燃料电池，通过氢气和氧气的电化学反应将燃料的化学能转换为电能。由于发生的电化学反应没有燃烧生成热能，故PEMFC不受卡诺循环的限制，使其能源利用率远高于内燃机^［1］，减少资源的浪费。因此，PEMFC是燃油发动机最有前景的替代者之一^［2］。目前，PEMFC已成功应用于汽车，某些车企已实现量产^［3］。

在PEMFC工作过程中，为了保证稳定的输出功率，一般采用过量的氢气供应^［4］。同时，为避免燃料的浪费，需要对多余的氢气进行回收再利用，传统的氢气回收方式是利用氢气循环泵进行回收，但是高功耗、高成本、低效率等问题使其应用受限。引射器的结构简单、噪声低、易保养，在不消耗外部能量的情况下可实现气体的回收以及增压^［5］，被广泛应用于石油化工^［6］、制冷^［7］等领域，适用于PEMFC的氢气循环。

NIKIFOROW等^［8］利用二维计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）仿真研究了不同湍流模式对引射器性能计算的影响，结果表明，剪切应力输运（shear stress transport，SST） k-ω湍流模型更适合预测燃料电池引射器的性能。BESAGNI等^［9］提出了一种综合集总参数模型与CFD仿真相结合的方法，并通过试验对该方法进行了验证，结果表明，该方法通过确定各部件在不同状态下的效率，可以准确地评价引射器在设计和非设计工况点的性能，具有广泛的适用性。卢义康等^［10］基于Sokolov设计理论^［11］，建立了引射器的一维模型，研究其工作特性并提出了设计方法，结果表明，引射器的工作特性受操作压力、喉口直径和混合室直径影响，通过调整这些参数可以改善引射器在不同负载下的性能。刘培启等^［12］进行了引射器的优化设计及验证，针对小膨胀比煤层气气井引射的需求，通过气体动力学理论和CFD方法对引射器进行了初步设计和数值优化，研究发现，通过CFD方法优化后的引射器等熵效率较理论设计高约13%，试验验证数值模拟设计的引射器效率更高。PEI等^［13］建立了引射器的计算流体动力学模型，并使用阳极压降公式推导的氢气喷射器的稳态特性方程对主要几何参数进行优化，增强其引射性能并扩展工作范围，研究为PEMFC系统中设计宽工作范围引射器提供了数据和理论支持。

单引射器的应用范围较窄，在低功率下引射效果较差，难以满足燃料电池系统的使用要求，而双引射器组合方案可以在一定程度上扩大工作范围，即在中高功率工况下采用大流量引射器，在低功率工况下采用小流量引射器。但在低功率工况下引射器的有关研究较少，本文针对燃料电池在低功率工况条件下，通过单变量影响试验及正交试验，应用极差分析法得到引射器各结构参数对引射效果的影响排序，确定低功率工况条件下引射器的最佳结构参数，为低功率区下引射器结构参数的优化提供参考。

1　引射器的工作原理及性能指标

收起

1.1　工作原理

引射器是质子交换膜燃料电池阳极氢气循环系统中的关键部件，通过超音速流动的射流工质来实现阳极排气的再循环。引射器具有结构紧凑、无运动部件、运行可靠、无污染、无寄生功率等优点，主要组成部分有工作喷嘴、吸入腔、混合室和扩散室，结构如图1所示。

氢罐内的高压氢气通过减压阀后作为一次流进入引射器，经过工作喷嘴后速度增加，压力降低，燃料电池阳极出口未反应的氢气和水蒸气为二次流，在压差的作用下被带入吸入腔；随后，一次流和二次流进入混合室混合，混合流体在混合室出口的速度几乎相同；最后，混合流体流入扩散室，随着流通截面积的增加，静压增加，速度降低。引射器出口混合流体压力高于二次流压力，升压满足电堆阳极进口要求，混合流体通过阳极气体入口流入燃料电池电堆内，完成再循环。

1.2　性能指标

引射器的引射比

ω

是评价引射器性能的重要指标，表征引射器的引射能力，定义为：

ω = m s m p

（1）

式中，m_s为二次流质量流量，g/s；m_p为一次流质量流量，g/s。

另一种评价引射器性能的重要指标为氢气回流比，表征去除了水蒸气后的二次流与一次流的质量比，定义为：

ω H 2 = ω (1 - y H ₂ O) = m s (1 - y H 2 O) m p

（2）

式中，

y H ₂ O

为二次流中水蒸气的质量分数。

2　引射器模型建立

收起

2.1　模型假设

建立引射器CFD模型，利用ANSYS Fluent 2023软件进行仿真计算，对车用燃料电池阳极氢气循环系统中引射器的建模做出如下假设：

（1）工作流体（一次流）和引射流体（二次流）被认为是单相理想气体，引射器内部流体任意一点的状态参数满足理想气体方程；

（2）引射器的内壁面绝热；

（3）引射器内部气体流动为稳态湍流可压缩流动；

（4）引射器中的流动、混合均为等熵过程，忽略激波、涡旋。

2.2　控制方程

根据牛顿流体流动守恒方程，建立引射器内部流动控制方程。质量守恒方程为：

∇ ⋅ (ρ ν ⃗) = 0

（3）

式中，

ρ

为流体密度，g/m³；

ν ⃗

为流体速度，m/s。

动量守恒方程为：

∇ ⋅ (ρ ν ⃗ ν ⃗) = - ∇ P + ∇ ⋅ τ + ρ g

（4）

式中，

P

为静压，Pa；

τ

为应力张量，N/m²；g为重力加速度，取9.8 m/s²。

能量守恒方程为：

∇ ⋅ [v ⃗ (ρ E + P)] = ∇ ⋅ λ ∇ T - ∑ q h q J q ⃗ + (τ ⋅ v ⃗)

（5）

式中，E为总能量，J；

λ

为导热系数，W/（m·K）；

h q

为焓，J；

J q ⃗

为扩散通量，kg/（m²·s）。

组分传递方程为：

∇ ⋅ ρ ν ⃗ Y q = - ∇ ⋅ J q ⃗

（6）

其中：

ρ = P / (R T)

（7）

J q ⃗ = - ρ D q, m + μ τ S c t ∇ Y q - D T, q ∇ T T

（8）

式中，Y_q为组分

q

的质量分数；D_q，m为质量扩散系数，m²/s；

μ τ

为湍流黏度，mm²/s；

S c t

为湍流斯密特数；

D T, q

为组分

q

的热扩散系数，m²/s。

2.3　边界条件

以40 kW级PEMFC为设计目标，对其进行引射器的设计和仿真优化。燃料电池堆的主要特征参数见表1。

工作时所需的氢气量由下式求得：

m P = N c e l l M H 2 I / (2 F)

（9）

式中，

N c e l l

为单电池数目；

M H 2

为氢气的摩尔质量，g/mol；I为燃料电池工作电流，A；F为法拉第常数，F=96 485

C / m o l

。

一次流入口质量流量由下式求得：

m i n = m P λ a

（10）

式中，m_in为一次流入口质量流量，g/s；λ_a为氢气过量系数，λ_a=1.2。

燃料电池的阳极氢气压降表示燃料电池阳极入口的氢气压力与出口的氢气压力之差，反映了燃料电池内部的工作状态，与引射器的引射性能紧密相关^［8］。PEI等在研究中给出了计算阳极压降的具体公式^［14-20］：

Δ P = Δ P f + Δ P d

（11）

式中，

Δ P f

为摩擦压降，Pa；

Δ P d

为离散压降，Pa。

由试验发现离散压降远小于摩擦压降，故阳极压降约等于摩擦压降：

Δ P f = 1.392 5 × 10 - 6 L A d 2 n μ T (p - p s a t) (λ H - 0.5) I

（12）

式中，L为通道长度，m；A为流道截面积，m²；d为水力直径，m；n为通道数量；μ为动力黏度，N·s/m²；T为流道内温度，K；p，p_sat分别为工作氢气的绝对压力和饱和蒸汽的分压，kPa；λ_H为氢的化学计量比。

在低流量区阳极压降与燃料电池输出电流近似满足线性关系，如式（13）所示：

Δ P = 1.115 6 × 10 - 5 I + 0.003 89

（13）

仿真时，引射器的工况需接近循环系统的实际工作情况。引射器一次流入口设为质量流量入口，二次流入口设为压力入口，引射器出口设为压力出口。针对40 kW级PEMFC的工作状态，确定引射器工作的边界条件，见表2。

2.4　模型验证

为验证引射器仿真模型的准确性，利用仿真数据与PEI等^［13］试验数据进行对比分析，试验引射器的几何参数表3。

使用CATIA-V5绘图软件根据引射器结构参数绘制三维模型，利用ANASYS Fluent 2023软件进行六面体网格的划分及仿真计算，湍流模型采用RNG

k - ε

模型，以一次流入口质量流量为自变量进行仿真，得到引射器仿真结果与试验结果氢气回流比的对比偏差，如图2所示。氢气回流比的平均误差为3.69%，最大误差不超过6%，该误差可能主要由试验误差及加工精度引起，故该仿真模型是较为准确的。

3　单变量影响试验设计及结果

收起

根据NIKIFOROW等^［8］的研究，对引射器的5个特征参数进行初步设计，结构参数见表4。

选取D_n，NXP，D_m，L_m这4个关键参数为引射器结构优化参数，每个参数等间距取5个水平，在低功率范围内（50~80 A）进行对比，并选出较好的3个水平，其余结构参数保持初值，见表5。

3.1　优化工作喷嘴喉部直径D_n

D_n表示工作喷嘴的出口直径，其尺寸影响一次流进入吸入腔时的压力和速度。如图3所示，当D_n从0.8 mm增加到1.6 mm时，氢气回流比逐渐下降，且变化幅度较大，说明D_n对引射器氢气回流比的影响呈现单调递减规律；当D_n取1.4 mm和1.6 mm，燃料电池工作电流为50 A和60 A时，引射效果几乎为0，故较优的水平为0.8，1.0，1.2 mm。

将不同尺寸对氢气回流比的影响程度γ

H 2

定义为：

γ H 2 = Δ ω H 2 O / Δ s

（14）

式中，

Δ ω H 2 O

为氢气回流比的变化值；

Δ s

为该参数尺寸的变化值，mm。

H 2

可在一定程度上反应该参数的尺寸变化对引射效果的影响程度，当燃料电池工作电流为60 A时，γ

H 2

的最大值为2.574/mm，D_n对引射器引射性能的影响较大。

随着D_n的减小，为保证加工精度，加工成本会呈几何级数上升，同时，还会对一次流入口压力产生很大影响。如图4所示，随着D_n的减小，一次流入口压力P_p逐渐增大，过高的压力会导致一次流体入口前端流量控制阀的选型困难，对阳极氢气循环系统的密封也提出更高的要求。因此，在保证引射器引射性能的同时，也要避免过高的一次流入口压力。

在该燃料电池低功率区，一次流入口压力最高为0.46 MPa，在可接受范围内。在该试验中，D_n的最优值为0.8 mm。

3.2　优化喷嘴出口相对混合室入口距离NXP

NXP表示喷嘴出口相对混合室入口距离，该尺寸会影响一次流和二次流交汇的位置。如图5所示，随着NXP增大，氢气回流比先增大后减小，在NXP=2时取得最优值。当燃料电池工作电流为60 A时，γ

H 2

的最大值为0.147/mm，氢气回流比对NXP敏感性较差。过小和过大的NXP都会使得引射器引射能力降低，过小的NXP会导致一次流和二次流的交汇位置靠后，一次流缺少足够的空间与二次流混合，引射的二次流较少，故氢气回流比降低；过大的NXP使得工作喷嘴距混合室较远，造成吸入腔出现回流现象，导致引射能力下降。在该试验中，NXP的最优值为2.0 mm。

3.3　优化混合室直径D_m

D_m表示混合室直径。图6示出D_m从2.4 mm增加到4.8 mm时，引射器氢气回流比变化情况。当工作电流为70 A时，γ

H 2

的最大值为0.55/mm，D_m对氢气回流比的影响程度较小。随着D_m增加，氢气回流比整体呈现先增加后减小变化，这是因为过小的混合室直径会导致混合流体流速过快，更接近临界状态，限制引射器的卷吸性能，使引射能力降低；过大的混合室直径使得一次流与二次流混合不充分，导致引射性能下降^［12］。

此外，不同工况下D_m的最优值不同。当工作电流不大于60 A时，D_m的最优值为3.0 mm；当工作电流不小于70 A时，D_m的最优值为3.6 mm。这是因为不同工况下一次流的质量流量不同，所需的最佳混合室直径也不相同。

3.4　优化混合室长度L_m

L_m表示混合室长度。如图7所示，随着L_m的增大，氢气回流比的变化规律并不明显，整体呈现先增后减的趋势。这是因为混合室长度过小，会导致混合气体混合不充分；混合室长度过大又会造成较大摩擦损失。在低负载工况范围内，L_m取18 mm在大部分工况下能够获得最大的氢气回流比。

4　正交试验设计及结果

收起

4.1　试验方案的确定

结构参数对引射器性能的影响是综合作用的结果，单变量影响试验不能确保单个参数的最优值组合在所有工况下适用。正交试验方法可以同时考虑多个因素对试验结果的影响，而且能够有效减少试验次数，得出结构参数的最优水平组合。

在单变量影响试验的基础上，每组试验选取3个引射效果较好的水平，如表6所示。

如果采用全面试验需要81次试验，查正交试验表L₉（3⁴），需要9次试验，大大减少了试验次数。在燃料电池工作电流为60 A的工况下，正交试验结果如表7所示。在9次正交试验中，一次流入口压力最大为0.336 MPa，在可接受范围内，故试验结果均有效。

4.2　试验结果的极差分析

极差分析是对试验结果进行比较的一种分析方法。在表7中，k_ij表示各水平所对应试验结果的算数平均值，其中i为正交表的列号，j为水平数；R为数据分析得出的极差值，是k_ij中的最大值与最小值之差，如下式所示：

R=max｛k_ij｝-min｛k_ij｝（15）

表7中极差值均不相等，说明参与正交试验的4个因素的水平变化对试验的结果影响程度不同。R越大，代表该因素在试验中对结果的影响程度越高，各结构参数对氢气回流比的影响大小的顺序为：D_n>D_m>L_m>NXP。最优参数组合为：D_n=0.8 mm，D_m=3.0 mm，L_m=18 mm，NXP=2.5 mm。

利用正交试验优化后的结构参数最优组合建立CFD模拟仿真计算域，用Fluent进行仿真，监测二次流入口流量。经过仿真试验，优化后引射器的氢气回流比为2.315，大于所有正交试验方案的氢气回流比，达到了优化引射器性能的目的。

5　结论

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（1）通过单变量影响试验和正交试验，确定了各结构参数对低功率工况下燃料电池引射器引射性能影响程度的顺序为：D_n>D_m>L_m>NXP。

（2）通过正交试验法和极差分析法，40 kW级PEMFC在低功率工况下，引射器结构参数的最优的组合为：D_n=0.8 mm，D_m=3.0 mm，L_m=18 mm，NXP=2.5 mm。在该最优组合下，引射器的氢气回流比为2.315。

（3）通过正交试验优化后的引射器可以弥补引射器在低功率工况下引射能力不足的缺陷，再与高功率工况引射器组成双引射器组合方案，扩大引射器的有效工作范围，代替低功率工况下使用的氢气循环泵，从而减少燃料电池系统的寄生功率。

参考文献

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文献

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排序方式：

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2025年第53卷第4期

170

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.009

接收时间：2024-09-10
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-04-30

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收稿日期：2024-09-10
修回日期：2025-02-25

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沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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