摘要
车用燃料电池的耐久性和效率是制约其竞争力的关键问题。在本文中SYMBIO 公司利用GT-SUITE模拟了氢气再循环，并进行了引射器的选型计算以及氢气吹扫策略的优化。
作者：SYMBIO氢能公司
1 背景介绍
下图为美国重型车用燃料电池的指标。燃料电池的耐久性和效率是制约PEMFC竞争力的关键问题。
其中，氢气再循环（Hydrogen Recirculation）是一个关键的技术。一个好的氢气再循环技术应该满足以下要求：
1)能够为燃料电池提供足够的氢气量
2)满足水管理的要求
3)能够维持要求的工况（如压力、温度、电流……）
4)结构紧凑且节能
2 氢气管理
氢气管理一般包含高压氢气供应、氢气再循环、脱水器、以及吹扫等内容。本文主要研究氢气再循环、引射器以及吹扫策略。
本文所用模型如下图所示，主要集中在氢气回路的模拟。氢气再循环模拟的有几个关键特征：①多组分，包含H2O、H2、N2；②水蒸气的冷凝；③吹扫的动力学。
3 计算结果
3.1
模型标定
下图为阳极压损的校核结果，阳极压损最大偏差 11mbar
下图为N2在不同温度和压力下的渗透流量的校核结果，最大偏差15%。
所用于标定模型的参数有阳极的沿程阻力损失、节流系数、以及N2渗透系数，如下图所示
3.2
引射器的模拟
由于引射器内部流动的复杂性，在系统仿真中一般采用基于map的引射器。SYMBIO采用纯氢气介质进行了测试，下图为性能map。
GT-SUITE将会通过下式将上述map修正到其他介质。
SYMBIO同步进行了CFD计算，所采用的介质为H2/N2/H2O的混合气。用于对比基于map的引射器模型与CFD计算的差异。下图为GT-SUITE和CFD计算结果的对比。其中GT-SUITE通过调整上式的Rx值进行标定，最终Rx = 0.5（也是软件默认值）时与CFD计算结果基本一致。
3.3
引射器的选型
SYMBIO 设计了3个引射器，通过对比不同负载下的阳极计量比进行评价。如下图所示，随着电流负载的减小，阳极的计量比会达到下限，即怠速。随着电流的增加，阳极计量比先增加后减小，在最大功率附近减小至计量比的下限。
最佳的引射器应该能够具有最大的功率范围，即能够循环更多的氢气。如下表所示，2号引射器是最佳设计方案。
3.4
氢气吹扫策略
吹扫因子的敏感性分析
所谓吹扫因子（Purge Factor）是指在吹扫过程中浪费的氢气比例。如下图所示，高的吹扫因子将会降低N2浓度，有利于耐久性；但同时增大计量比，不利于能耗。低的吹扫因子将会减小计量比，有利于能耗但降低耐久性。
吹扫因子的优化
如下图所示，优化的原则是：
①中低功率区域，在保证计量比在最优区域的同时，尽可能减小吹扫，以提高经济性。
②在高功率区域，可以适当增大吹扫因子，提高计量比至最优区域。
