氮气和湿度之间的协同作用对质子交换膜燃料电池（PEMFC）喷射器中氢气的循环利用产生影响：性能、冷凝及流动分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Nitrogen and humidity synergy affecting hydrogen recirculation in PEMFC ejectors: Performance, condensation, and flow analysis

氢气喷射器在PEMFC系统中性能受氮气和水蒸气影响的数值研究。通过建立两相多组分CFD模型，分析不同氮浓度（0-0.6）和水汽条件（40%-100%湿度）下喷射器 entrainment ratio（ER）和氢循环比率（HR）的关联，发现氮气浓度升高导致HR显著下降（100%湿度下达96.3%），最佳氮浓度应低于0.4。研究揭示了氮气加剧冷凝和流动畸变，湿度升高放大这种效应，为喷射器优化提供了理论依据。

　　本研究围绕质子交换膜燃料电池（PEMFC）中氢气回流喷射器的性能、冷凝行为及其内部流动特性展开，重点分析了不同氮气和水蒸气浓度对喷射器运行的影响。随着全球对清洁能源需求的不断增长，PEMFC作为一种高效、零排放的能源转换装置，正被广泛应用于工业和民用领域。然而，在PEMFC系统中，氢气供应始终面临诸多挑战，尤其是如何在保持系统效率的同时，有效管理水和热的问题。氢气回流喷射器作为一种无需机械部件、运行成本低且可靠性高的装置，成为解决这些问题的重要手段之一。

在PEMFC系统中，由于质子交换膜的特性，氮气和水蒸气会从阴极侧渗透至阳极侧，并进入喷射器的次级入口。这种现象在以往的研究中较少被系统性地探讨，因此本研究旨在填补这一知识空白。通过建立一个结合两相流和多组分传输的数值模型，研究人员能够更全面地模拟喷射器内部的流动行为，特别是氮气和水蒸气在不同浓度条件下的冷凝效应。该模型经过验证，能够在模拟喷射器性能和冷凝行为方面提供可靠的数据支持。

研究结果表明，氮气浓度的增加会对喷射器的性能产生双重影响。一方面，它能够提升喷射器的引射比（ER），即喷射器在单位时间内将次级流体吸入的能力。然而，另一方面，氮气浓度的上升会显著降低氢气回流比（HR），这一参数对于PEMFC的稳定运行至关重要。具体而言，在高湿度条件下，当氮气浓度从0增加到0.6时，氢气回流比下降幅度达到96.3%，而在低湿度条件下，下降幅度仅为59%。这一发现表明，氮气对氢气回流的影响并非线性关系，而是受到湿度条件的显著调控。

此外，氮气的引入还会改变喷射器内部的冷凝行为。在高湿度条件下，氮气的存在会增加整体冷凝量，并改变冷凝在喷射器混合段中的空间分布。这种变化不仅影响了喷射器的流动特性，还可能导致局部压力升高、马赫数降低以及温度局部上升等现象。研究人员通过数值模拟和实验验证发现，这些效应在高湿度条件下更为显著，进一步加剧了喷射器运行的复杂性。

为了确保喷射器在不同湿度条件下仍能维持较高的氢气回流效率，研究建议将氮气浓度控制在0.4以下。这一阈值的设定基于对多种湿度条件下的模拟结果，表明当氮气浓度超过这一临界值时，氢气回流比的下降幅度将变得不可接受，从而影响整个PEMFC系统的性能。因此，在实际应用中，需要对喷射器的设计和运行策略进行优化，以适应不同湿度和氮气浓度的变化。

在喷射器的设计方面，研究强调了几何参数对性能的决定性作用。例如，喷嘴喉部直径和喷嘴出口位置（NXP）是影响引射比和氢气回流效率的关键因素。通过调整这些参数，可以有效改善喷射器的流体动力学特性，提高其在不同操作条件下的适应能力。同时，研究还指出，喷射器的性能不仅受到几何结构的影响，还与操作条件密切相关。例如，负载变化、温度波动以及氢气利用率等因素都会对喷射器的运行产生重要影响。

在实验研究方面，研究人员采用了多种方法，包括数值模拟和实验验证。通过使用ANSYS ICEM CFD 16.0进行网格生成，并利用FLUENT 19.2进行数值模拟，研究人员能够准确捕捉喷射器内部的流动行为和冷凝过程。此外，研究还参考了实验数据，例如Nikiforow等人在5kW PEMFC系统中的实验结果，以确保模型的可靠性。这些实验和模拟的结果为喷射器的设计优化提供了重要依据。

在喷射器的内部流动特性方面，研究发现，当次级流体中含有水蒸气时，其冷凝行为会受到多种因素的影响。例如，湿度的增加会促进水蒸气的冷凝，从而改变喷射器内部的相变分布。同时，氮气的存在也会对冷凝过程产生影响，特别是在高湿度条件下，氮气的引入可能会导致冷凝现象更加复杂。因此，为了准确模拟喷射器的运行，必须同时考虑氮气和水蒸气的传输特性以及冷凝效应。

研究还指出，氮气的积累会对喷射器的运行产生一定的负面影响。例如，氮气的增加可能会导致冲击波的位移，从而改变局部的热力学条件。这种变化不仅影响喷射器的性能，还可能对整个PEMFC系统的稳定性产生不利影响。因此，在设计喷射器时，必须充分考虑氮气对流动特性和冷凝行为的影响，以确保其在不同操作条件下的可靠运行。

此外，研究还探讨了喷射器在不同湿度条件下的运行策略。例如，在高湿度条件下，喷射器的冷凝量会显著增加，而低湿度条件下则相对较少。这种变化要求喷射器的设计必须具备一定的灵活性，以适应不同湿度条件下的运行需求。通过优化喷射器的几何参数和操作条件，可以有效提高其在不同环境下的适应能力，从而增强整个PEMFC系统的稳定性。

在实际应用中，喷射器的性能优化不仅涉及其几何结构的设计，还与系统的运行策略密切相关。例如，为了减少氮气对氢气回流的不利影响，可以采用更频繁的排气策略，以降低氮气在喷射器中的积累。同时，还可以通过调整氢气的供气压力和流量，来优化喷射器的引射比和氢气回流比。这些策略的实施需要基于对喷射器内部流动特性和冷凝行为的深入理解，以确保其在不同操作条件下的高效运行。

研究还指出，氮气的引入可能会对喷射器的热管理和水管理产生重要影响。例如，在高湿度条件下，氮气的增加会导致喷射器内部的冷凝现象更加显著，从而影响系统的热平衡和水循环。这种影响需要通过合理的系统设计来加以控制，例如通过优化喷射器的结构，减少冷凝区域的温度波动，或者通过引入额外的热交换装置，来改善系统的热管理能力。

总的来说，本研究通过建立一个综合考虑多组分传输和冷凝效应的数值模型，深入探讨了氮气和水蒸气浓度对PEMFC氢气回流喷射器性能的影响。研究结果表明，氮气浓度的增加虽然能够提升喷射器的引射比，但会显著降低氢气回流比，从而影响整个系统的运行效率。因此，在实际应用中，必须对喷射器的设计和运行策略进行优化，以确保其在不同湿度和氮气浓度条件下的高效运行。此外，研究还强调了对喷射器内部流动特性和冷凝行为的深入理解，对于提高PEMFC系统的整体性能和稳定性具有重要意义。通过这些研究，可以为未来的喷射器设计和优化提供理论支持和实践指导，从而推动PEMFC技术的进一步发展和应用。