用于水下密闭环境中的氢氧燃料电池堆的基于氧氮喷射器的阴极循环技术

《International Journal of Hydrogen Energy》：Oxygen–nitrogen ejector-based cathodic recirculation approach for hydrogen-air fuel cell stacks in underwater confined environments

　　桂文斌|郭庆昌|马丽兰|罗建斌 中国北京清华大学摩擦学国家重点实验室，邮编100084

摘要：水下燃料电池系统因其高能量密度和零排放特性，作为一种极具前景的能源形式而受到越来越多的关注。为满足水下环境中氢氧燃料电池在典型工作条件下的氧气供应及浓度要求，本文提出了一种基于氧氮喷射器的阴极循环系统。研究首先介绍了氧氮喷射器的设计方法，为结构优化提供了理论指导。随后，该喷射器采用蒙乃尔400合金制成，即使在高压工作条件下也具有出色的抗燃烧和爆炸性能。为了验证设计的喷射器，还搭建了实验测试台。实验结果表明，在所有典型工作条件下，该喷射器的卷吸比均大于1，满足了性能要求。燃料电池堆入口处的氧气浓度随功率输出的升高而呈近似线性上升趋势，从28.25%逐步升高到47.96%，符合氧气浓度需保持在25%以上且50%以下的要求。考虑到水下燃料电池系统面临的各种工作条件，研究还探讨了不同工况对喷射器性能的影响。结果表明，基于喷射器的阴极循环方法在水下燃料电池的不同工况下仍能保持良好的性能。

引言：作为潜水器和水下设备的一种极具前景的能源形式，水下燃料电池系统因其高能量密度和零排放特性而备受关注[1,2]。目前，水下燃料电池技术主要采用氢氧燃料电池[3]，但这类电池由于采用纯氧作为阴极，存在水热管理问题加剧、传质障碍、材料耐久性下降以及安全风险增加等弊端[4]。由于传统燃料电池以氢气和空气作为燃料，通过简单回收氢气即可提高燃料效率[[5], [6], [7]]。然而，潜艇等水下航行器在海洋环境中无法直接获取氧气与燃料电池阴极反应，因此需要额外的氧气供应装置以及常规的氢气输送系统。传统的水下燃料电池仅考虑将阳极氧化过程中产生的废气直接排出或由高功率压缩机捕获[8]。相比之下，通过集成喷射器，可以利用船载储气系统中的高压氧气作为工作流体，将低压阴极废气（含有未反应的氧气和惰性气体）卷吸并重新引入供气流中，从而提高氧气的利用效率[9]。可靠高效的阴极氧气供应与循环系统仍是限制氢氧燃料电池在水下封闭环境应用的关键瓶颈。目前，许多研究集中在氢氧燃料电池的阳极氢气循环喷射器上[[10], [11], [12], [13]]。现有关于燃料电池喷射器循环的研究存在明显失衡：虽然基于喷射器的循环技术已在陆地燃料电池的氢气循环系统中得到充分开发与验证，但由于氧气介质的特殊性，现有文献中针对氢氧燃料电池阳极的基于喷射器的氧气循环系统的研究较少。氢气侧喷射器和阴极喷射器虽遵循相同的工作原理，都具有结构简单、无额外能耗且可靠性高的优点，但在应用场景和设计目标上存在显著差异：氢气侧喷射器主要用于陆地燃料电池系统中回收未反应的氢气，以提高燃料利用率；而本研究中的阴极喷射器则是为水下氢氧燃料电池的氧气循环而设计的，旨在解决传统机械式阴极循环泵在高强度水下环境中的高能耗、维护复杂以及故障风险高等问题。Minjin Kin等人提出了一种用于潜艇PEMFC氧气循环的双喷射器系统，无需辅助设备即可在整个工作范围内保持稳定性能，具有无额外能耗、系统效率高以及结构简单、易于维护且无泄漏等优点，为需要回收未使用气体的大规模燃料电池应用提供了有前景的解决方案[14]。Jinwei等人提出，将阳极和阴极循环喷射器集成到氢氧燃料电池-燃气轮机混合系统中，相比传统鼓风机具有更高的运行可靠性以及更低的长期维护成本[15]，但这些研究并未提供关于氧气喷射器的设计、制造和性能测试的详细数据。

传统喷射器由喷嘴、吸气室、混合室和扩压室组成，其结构尺寸是根据具体工作条件设计的。但由于喷射器常常在变化的工作环境中运行，其性能会表现出不稳定性，且会受到结构参数和工作条件的影响。研究人员通常通过修改结构参数来提升喷射器性能，这些部件结构尺寸的变化会改变双流体流的流动状态和横截面积，进而影响喷射器性能，这也促使学术界广泛研究结构参数优化以提高运行效率。Masoud等人建立了PEMFC氢气喷射器的多目标优化框架，通过系统分析确定喷嘴喉部直径和出口位置为关键参数，从而使性能提升20%，同时提高了运行稳定性[16]。Shuai等人提出了一种混合伴随参数优化方法来设计喷射器，通过流线型腔体过渡设计，使不同工作模式下的卷吸比提升3.1–6.1%，同时还消除了回流涡流[17]。Jiangkun等人基于新的喷射理论建立了优化模型，通过多参数耦合分析使工作范围扩大38 - 42%，并确定了喷嘴位置和喉部直径的关键阈值，以避免性能在非设计工况下下降[18]。在设计喷射器的几何结构参数时，设计师通常会根据设计的运行条件，对各种喷射器结构参数进行正交实验分析，以找到在给定条件下能实现最佳工作性能的参数组合。但在实际应用中，实际工作条件往往与设定条件存在一定差异，流量和压力的波动会迫使喷射器在不同工作模式之间切换，这对固定几何结构的喷射器性能构成了巨大挑战——由于其核心结构参数是预先设定的，它们只能在特定的设计条件下实现最佳的卷吸比。一旦工作点发生偏移，主流体和次流体之间的压力平衡就可能被打破，从而导致喷嘴过度膨胀或膨胀不足、混合室出现激波不稳定等问题，这些都会大幅降低卷吸效率，甚至引发回流，无法维持所需的卷吸比，而在动态应用中面临的限制更为复杂。因此，研究人员推出了新的喷射器设计，一定程度上拓宽了其工作范围。Yajie等人提出了一种用于PEMFC氢气循环的双喷嘴喷射器，通过可切换的单喷嘴/双喷嘴工作模式，可将工作范围扩展到17 - 85千瓦，并且在250 - 700千帕的供气压力下仍能保持高效，克服了传统固定几何结构喷射器的局限性[19]。Meihong等人研究了同轴喷嘴喷射器中的瞬态湍流涡动动力学，建立了描述其在不同工作条件下流场演化特征的定量关联关系，同时还提出了一种可变混合室长度的喷射器，使其卷吸比提升了17.48%[20]。Zhengshu等人设计了用于PEMFC氢气回收系统的多喷嘴喷射器，其在工作范围和低功率稳定性方面均优于传统设计和双喷嘴设计[21]。变几何结构喷射器可通过调节喷嘴位置[22]和喉部面积[23,24]，快速响应工作条件的变化。这类设计可通过智能控制算法避免或减轻性能下降问题，从而实现适应性，因此在解决动态环境下的系统稳定性问题以及在一定程度上提高能源效率方面发挥着重要作用。多喷嘴喷射器和变几何结构喷射器确实提升了实际应用中的运行适应性和系统效率，但由于结构复杂，存在可靠性降低、控制难度增加以及成本上升等问题，难以得到广泛应用。水下航行器的燃料电池在运行过程中会经历不同的工况，包括高速、低速以及静止怠速状态，这些状态都对喷射器在各种工况下持续保持高效提出了较高要求。为满足燃料电池系统的氧气需求，喷射器必须保持卷吸比大于1。目前关于用于水下燃料电池阴极循环系统的氧氮喷射器的研究存在三个主要缺陷。首先，现有燃料电池循环系统的相关研究存在明显失衡：阴极循环系统采用机械泵进行循环，而这些泵存在高能耗、维护复杂以及在恶劣水下环境中容易故障等缺陷；而基于喷射器的循环技术则具有被动运行、可靠性高以及能量损失低等优点，已在陆地燃料电池的氢气循环系统中得到充分开发与验证，但针对氢氧燃料电池的基于喷射器的氧气循环系统的研究却很少。其次，目前研究中报道的大多数喷射器都是用不锈钢或铝合金制成的，这些材料几乎无法满足水下高压纯氧环境中的耐腐蚀和抗燃烧要求，而且尚未有效解决高压条件下氧气与传统材料发生反应导致喷射器喷嘴处发生燃烧和爆炸的风险问题。最重要的是，在系统设计和性能优化方面，现有的喷射器设计主要是基于氢氧燃料电池系统的工作特性，没有考虑水下环境中氧气循环的特殊需求，也尚未系统研究喷射器的卷吸比、临界背压与水下燃料电池变化的工作条件之间的动态匹配关系，目前缺乏实验数据和理论模型来指导适合水下燃料电池运行的氧氮喷射器循环系统的设计。总体而言，针对氢氧水下燃料电池的基于氧氮喷射器的阴极循环系统的研究还处于相对较低的水平。所有现有的喷射器设计都是基于陆地氢气循环的工作特性进行优化的，它们未能考虑到水下氧气循环的特殊要求，比如材料需要具备抵抗高压纯氧腐蚀的能力、满足防爆要求，以及能够适应阴极大流量变化的工作条件。此外，也缺乏实验数据和理论模型来指导适合水下燃料电池运行的氧氮喷射器循环系统的设计。现有氢气侧喷射器研究中的成熟结构优化和设计方法为本研究提供了基本的理论框架。在此基础上，我们针对水下阴极氧气循环的特殊性，进行了材料改进和结构优化。因此，本文设计并制造了采用蒙乃尔400合金制成的氧氮喷射器，并通过实验验证其性能，旨在填补这一研究空白，为水下燃料电池系统的实际应用提供技术支持。

章节节选：
喷射器模型开发：如图1所示，喷射器由主喷嘴、吸气室、恒压混合段、恒面积混合段和扩压室组成。主流体流经喷嘴后压力迅速下降，且随着喷嘴横截面积的增大，主喷嘴内的流速也会增加，从而在吸气室形成低压区，使得二次流体被吸入喷射器中。主流体和二次流体进入……
氧氮喷射器结构设计：首先，要明确阴极循环系统的工作条件和性能要求，为喷射器设计提供边界条件。针对30千瓦级水下燃料电池的需求，要确定不同工作条件下的阴极入口流压、温度、质量流量以及氧气浓度，这些参数将作为氧氮喷射器的出口参数。随后，根据燃料电池的实际工作环境，进一步明确……
实验测试：实验平台构建：根据氧氮喷射器的工作条件和性能要求，搭建相应的实验平台。该平台能够控制喷射器三个端口处的压力，并收集这些端口处的温度、压力和流量参数，以此测试喷射器在典型工作条件下的性能。单台设备性能测试：根据燃料电池的典型工作条件，本研究提出了一种与氧氮喷射器相结合的阴极循环系统，用于适应水下环境的30千瓦氢气-空气燃料电池。主要研究结果总结如下：(1)提出了氧氮喷射器的设计方法，为结构优化提供了理论指导。该喷射器由蒙乃尔400合金制成，在工作条件下具有天然的抗燃烧和爆炸风险能力，满足了严格的CRediT作者贡献标准。 Gui Wenbin：数据整理，初稿撰写。Guo Qingchang：概念设计，审稿与编辑。Ma Liran：项目管理，审稿与编辑。Luo Jianbin：验证，审稿与编辑。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。