張智明 張俊 張煜 章桐

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

主題詞：質(zhì)子交換膜燃料電池 折流分離 水氣分離

1 前言

水氣分離裝置是燃料電池系統(tǒng)中的重要部件之一，位于電堆陽(yáng)極出口與氫氣再循環(huán)裝置之間，用于分離燃料電池反應(yīng)后陽(yáng)極出口的液態(tài)水和氫氣，避免液態(tài)水集聚在氫氣再循環(huán)閉式回路中引起燃料電池性能衰退，從而提升氫氣再循環(huán)利用效率[1-3]。

目前，常用水氣分離裝置按工作原理可分為重力式、過(guò)濾式、旋流式和折流式等[4-8]。徐飛然[9]對(duì)水氣分離裝置內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真研究，探究了其對(duì)分離效果的影響規(guī)律。張英余[10]提出了一種分離效率高、壓降小的水氣分離裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明，效率在90%以上。楊潔等[11]提出了一種燃料電池系統(tǒng)氫氣再循環(huán)裝置中的小型動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器，并以數(shù)學(xué)模型和Fluent數(shù)值仿真為基礎(chǔ)，進(jìn)行了不同氣體流量條件下的分離效率計(jì)算。蔣永偉等[12]面向航空電源中氫氧燃料電池應(yīng)用，提出了一種靜態(tài)微孔水氣分離器，采用3 種不同孔徑的微孔膜分析了不同工作溫度和壓力下的水通量及壓降。工業(yè)界也基于不同的水氣分離原理，設(shè)計(jì)了不同的燃料電池水氣分離裝置[13-15]。水氣分離工作原理中，折流分離[16]是一種高效的多相流分離技術(shù)。當(dāng)液體與氣體混合共同流動(dòng)時(shí)，如果遇到阻擋，密度較小的氣體會(huì)發(fā)生折流，但密度較大的液體受慣性作用，會(huì)繼續(xù)附著在阻擋壁面上流動(dòng)，在重力作用下匯流排出。折流分離技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景恰好符合燃料電池陽(yáng)極出口氫氣和水混合物的分離特點(diǎn)，具有分離效率高、體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、密封性好且無(wú)寄生功耗等優(yōu)點(diǎn)。

雖然工業(yè)界基于折流分離原理提出了燃料電池陽(yáng)極出口水氣分離器的設(shè)計(jì)方案，但針對(duì)車(chē)用水氣分離器裝置關(guān)鍵影響因素分析還不夠深入，缺乏實(shí)際車(chē)用操作條件參數(shù)的研究。而且，水氣分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試具有很多困難，且精度難以保證。因此，本文針對(duì)車(chē)用大功率燃料電池系統(tǒng)中氫氣再循環(huán)回路的水氣分離需求，基于折流分離原理，提出一種車(chē)用小型箱式水氣分離器設(shè)計(jì)方案，采用數(shù)值仿真方法對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，重點(diǎn)研究擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)水氣分離效率的影響。

2 箱式水氣分離裝置設(shè)計(jì)方案

基于折流分離原理的箱式水氣分離裝置的箱體內(nèi)一般設(shè)置多個(gè)擋板，分布在水氣混合物流經(jīng)路徑上，起阻流及引流作用。當(dāng)含有液滴的高速氣流通過(guò)擋板組件時(shí)，由于擋板形狀彎曲，水氣混合物呈現(xiàn)曲線軌跡。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于離心力和慣性力的不同，液滴會(huì)被甩到擋板上，然后在重力作用下順著弧形擋板壁面流下，匯流到排水口。

箱式水氣分離裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包含箱體、進(jìn)出口和擋板3個(gè)部分?；⌒螕醢迨窍涫剿畾夥蛛x裝置實(shí)現(xiàn)高效分離的關(guān)鍵部分。

圖1 箱式水分裝置結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)系統(tǒng)許用空間要求，箱體初始設(shè)計(jì)高度為57 mm，長(zhǎng)度為90 mm。出水口設(shè)計(jì)在箱體底部，底部采用斜面設(shè)計(jì)，傾斜角為5°。氣液混合物進(jìn)口設(shè)置在箱體上部右側(cè)，與陽(yáng)極氫排出口連接?；貧淇谠O(shè)置在箱體上側(cè)，與氫氣再循環(huán)裝置連接。進(jìn)、出口長(zhǎng)度均設(shè)計(jì)為26 mm。

水氣混合物由進(jìn)口流入后，經(jīng)前、后方擋板實(shí)現(xiàn)氣液分離，密度較小的氫氣集中在水氣分離裝置上部，密度較大的水蒸氣及液滴則集中在水氣分離裝置下部。

3 箱式水氣分離裝置建模與仿真方法

箱式水氣分離裝置以水蒸氣與液滴的分離效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)[17]，水蒸氣的分離效率定義為：從排水口排出水蒸氣的質(zhì)量流量與從混合物進(jìn)口流入的水蒸氣的質(zhì)量流量之比。液滴的分離效率定義為：從排水口排出的液滴數(shù)量與從混合物進(jìn)口流入的液滴數(shù)量之比。

通過(guò)AutoCAD 建立幾何模型，并導(dǎo)入Gambit 進(jìn)行網(wǎng)格化，基于Fluent對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。水氣分離器內(nèi)氣液的流動(dòng)特性變化很大，因此應(yīng)采用湍流模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真[18-19]。綜合湍流模型的優(yōu)缺點(diǎn)以及水氣分離器的結(jié)構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。采用歐拉-拉格朗日方法中的離散相模型對(duì)燃料電池水分裝置中的分散相液滴的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。

3.1 控制方程

控制方程由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程構(gòu)成，是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。其中連續(xù)性方程為質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的具體表述形式：

式中，ρ為流體密度；u為流體速度。

動(dòng)量方程是動(dòng)量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用：

式中，μeff為有效黏性系數(shù)；B為體積力；P為壓力。

3.2 k-ε湍流模型方程

k-ε湍流模型方程為半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｓ糜诿枋鐾牧鬟\(yùn)動(dòng)，湍流動(dòng)能k的輸運(yùn)方程和湍流動(dòng)能耗散率ε方程分別為：

式中，μeff=μ+μt；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)；μt=Cμk2∕ε為湍流黏性系數(shù)；Cμ、C1、C2為模型系數(shù)；σk、σε分別為k和ε的普朗特?cái)?shù)。

3.3 液滴離散相模型方程

Fluent 中通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來(lái)求解離散相顆粒（液滴）的軌道。顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式為：

式中，up為顆粒運(yùn)動(dòng)速度；FD為顆粒的單位質(zhì)量所受曳力；g為重力加速度；ρp為顆粒密度；F為物體所受其他作用力。

單個(gè)顆粒受到的曳力FD,p為：

式中，Ap為單個(gè)顆粒在相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積；CD為阻力系數(shù)。

當(dāng)顆粒為球形時(shí)，可以計(jì)算得到顆粒單位質(zhì)量所受曳力FD為：

式中，dp為顆粒直徑。

阻力系數(shù)CD的值取決于顆粒的雷諾數(shù)Rep：

阻力系數(shù)CD為：

為模擬不同進(jìn)氣流量下的箱式水氣分離裝置的分離效率，采用實(shí)際車(chē)用60 kW燃料電池系統(tǒng)中進(jìn)氣流量50 L∕min、300 L∕min、500 L∕min 進(jìn)行仿真。設(shè)置進(jìn)出口壓降在不同流量下分別為0.5 kPa、3.0 kPa、5.0 kPa，液滴的質(zhì)量流量為2.3 mg∕s、16.2 mg∕s、32.7 mg∕s，水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為0.2。

4 箱式水氣分離裝置進(jìn)出口結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

4.1 進(jìn)出口結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

在電堆陽(yáng)極出口流量一定的情況下，進(jìn)出口半徑?jīng)Q定氣體流速，決定能否及時(shí)排出分離后的氣液，避免水的過(guò)量聚集。進(jìn)出口結(jié)構(gòu)參數(shù)定義為：氣液混合物進(jìn)口直徑d1、回氫口直徑d2、排水口直徑d3，如圖2所示，進(jìn)出口結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示，d1、d2、d3初始值均設(shè)為10 mm。

圖2 箱式水氣分離裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1 進(jìn)出口結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

4.2 氣液混合物進(jìn)口直徑的影響

圖3 所示為不同進(jìn)氣口直徑下的水蒸氣及液滴分離效率。在進(jìn)氣口直徑5 mm 時(shí)，水蒸氣和液滴的分離效率均處于較低的水平。隨著直徑增大，分離效率有所提升，但提升速度隨著直徑增大而減慢。在直徑12 mm左右時(shí)，進(jìn)氣流量為50 L∕min下的液滴分離效率開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，300 L∕min 以及500 L∕min 進(jìn)氣流量下的液滴分離效率仍有所上升，但幅度緩慢。

圖3 不同進(jìn)氣口直徑下的分離效率

氣液混合物進(jìn)口直徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣流速過(guò)低，削弱擋板的慣性分離作用，難以將攜帶的水完全分離；進(jìn)口直徑過(guò)小容易導(dǎo)致流速過(guò)高，氣液混合物未經(jīng)完全分離便排出，在高速氣流的沖擊下，部分分離后的液滴也重新被攜帶到氣流中，導(dǎo)致分離效率的下降。在進(jìn)口直徑為12 mm時(shí)，3種進(jìn)氣流量下液滴及水蒸氣的平均分離效率分別為60.90%和65.13%，是不同進(jìn)口直徑下分離效率的最大值。因此，氣液混合物進(jìn)口的直徑設(shè)計(jì)推薦值為12 mm。

4.3 回氫口直徑的影響

圖4 所示為不同回氫口直徑下的分離效率。在回氫口直徑較小時(shí)，水蒸氣和液滴的分離效率均處于較高水平，隨直徑增大，分離效率呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，在不同進(jìn)氣流量下水蒸氣及液滴的分離效率均有所減弱。

圖4 不同回氫口直徑下的分離效率

回氫口直徑過(guò)大時(shí)，后擋板的阻擋效果減弱，部分氫氣未經(jīng)分離便由回氫口排出，部分液滴也容易從回氫口逃逸，導(dǎo)致分離效率下降；回氫口直徑過(guò)小時(shí)，氫氣從回氫口的排出受到阻礙，分離后的氫氣易再次攜帶液滴，因此分離效率隨直徑減小有所下降。在回氫口直徑為7 mm 時(shí)，3 種進(jìn)氣流量下液滴及水蒸氣的平均分離效率分別為71.33%和74.06%，達(dá)到不同回氫口直徑下的最大值。因此，回氫口直徑設(shè)計(jì)推薦值為7 mm。

4.4 排水口直徑的影響

圖5 所示為不同排水口直徑下的分離效率。在排水口直徑較小時(shí)，水蒸氣和液滴分離效率均較低，隨直徑增大，分離效率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)排水口直徑為12 mm 時(shí)，不同進(jìn)氣流量下的分離效率均達(dá)到峰值。繼續(xù)增大時(shí)，分離效率出現(xiàn)明顯下降，水蒸氣及液滴的分離效率均有所減弱。因此，排水口直徑設(shè)計(jì)推薦值為12 mm。

圖5 不同排水口直徑下的分離效率

5 箱式水分裝置前方擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

5.1 前方擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

前方擋板對(duì)于箱式水分裝置起著關(guān)鍵作用，對(duì)氣體與液滴進(jìn)行第一次分離。如圖2 所示，前方擋板分為上部直板和下部圓弧。前方擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)為與內(nèi)側(cè)壁距離L1、直板長(zhǎng)度L2、傾斜度θ1、圓弧半徑R、圓弧角度θ2，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示，均以設(shè)計(jì)值3 作為初始值。

表2 前方擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)

5.2 前方擋板與內(nèi)側(cè)壁距離的影響

圖6 所示為不同前方擋板與內(nèi)側(cè)壁距離下的分離效率。在擋板與內(nèi)側(cè)壁距離較小時(shí)，水蒸氣和液滴的分離效率隨著距離的增大而提高，距離為13 mm時(shí)分離效率達(dá)到峰值。

圖6 不同前方擋板與內(nèi)側(cè)壁距離下的分離效率

擋板與內(nèi)側(cè)壁距離過(guò)小時(shí)，側(cè)壁與擋板間的空間過(guò)小，氣液混合物分離后難以及時(shí)排出，分離后的水容易被重新攜帶；擋板與內(nèi)側(cè)壁距離過(guò)大時(shí)，氣體可以從底部繞過(guò)擋板，導(dǎo)致分離效率下降。因此，擋板與內(nèi)側(cè)壁距離設(shè)計(jì)推薦值為13 mm。

5.3 前方擋板直板長(zhǎng)度的影響

圖7 所示為不同前方擋板直板長(zhǎng)度下的分離效率。直板長(zhǎng)度較小時(shí)，水蒸氣和液滴的分離效率均較低，隨著長(zhǎng)度的增大，水蒸氣分離效率保持上升的趨勢(shì)，當(dāng)長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，液滴分離效率和水蒸氣分離效率達(dá)到峰值。

圖7 不同前方擋板長(zhǎng)度下的分離效率

擋板長(zhǎng)度過(guò)小，部分氣體未經(jīng)分離便可以繞過(guò)擋板，分離作用減弱；擋板長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，氣體流動(dòng)困難，與分離器底部間距過(guò)小，易發(fā)生對(duì)水的二次攜帶。因此，擋板直板長(zhǎng)度設(shè)計(jì)推薦值為20 mm。

5.4 前方擋板傾斜度的影響

圖8 所示為不同前方擋板傾斜度下的分離效率。在傾斜度較小時(shí)，水蒸氣和液滴的分離效率均較低，隨著傾斜度的增大，分離效率有所上升，當(dāng)傾斜度為70°時(shí)，50 L∕min進(jìn)氣流量下的水蒸氣的分離效率首先出現(xiàn)下降趨勢(shì)。其他條件下分離效率則在傾斜度增大到80°時(shí)開(kāi)始下降，液滴分離效率在70°～80°之間后同樣停止增長(zhǎng)。

圖8 不同前方擋板傾斜角度下的分離效率

傾斜角過(guò)小，水氣混合物正面撞擊擋板面積較小，擋板分離作用減弱；傾斜角過(guò)大，擋板阻礙氣流流動(dòng)作用越強(qiáng)，不利于分離后氣體及時(shí)排出，分離效率有所下降。因此，擋板傾斜度設(shè)計(jì)推薦值為80°。

5.5 前方擋板圓弧半徑的影響

圖9 所示為不同前方擋板圓弧半徑下的分離效率。圓弧半徑較小時(shí)，分離效率較低，隨著半徑增大，分離效率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)半徑為9 mm 時(shí)，液滴的分離效率首先出現(xiàn)下降趨勢(shì)。水蒸氣分離效率在半徑增到10 mm時(shí)開(kāi)始下降。

圖9 不同圓弧半徑下的分離效率

半徑過(guò)小，擋板阻擋作用減弱，氣體容易繞過(guò)擋板，部分水無(wú)法分離；半徑過(guò)大，水過(guò)度積聚在擋板處難以及時(shí)排出。相較于氣體，液滴更易積聚在圓弧處，所以液滴分離效率首先出現(xiàn)下降趨勢(shì)。液滴在圓弧半徑為9 mm 時(shí)的平均分離效率為63%，10 mm 時(shí)為62.3%。水蒸氣在圓弧半徑為9 mm 時(shí)的平均分離效率為70%，10 mm時(shí)為71.55%。因此，半徑對(duì)水蒸氣分離效率影響更大。綜上，半徑設(shè)計(jì)推薦值取10 mm最佳。

5.6 前方擋板圓弧角度的影響

圖10所示為不同前方擋板圓弧角度下的分離效率。圓弧弧度較小時(shí)，分離效率較低，隨著弧度增大，分離效率逐漸增加，弧度為80°時(shí)，分離效率開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中500 L∕min大進(jìn)氣流量下的下降趨勢(shì)最為平緩。

圖10 不同前方擋板圓弧角度下的分離效率

圓弧弧度過(guò)小，圓弧處水不易聚集，圓弧所起的作用有限，無(wú)法有效分離水與氫氣；弧度過(guò)大時(shí)，分離后水不能順利排出，影響后續(xù)分離過(guò)程。500 L∕min 時(shí)流速快，水在圓弧處排出較為容易，下降較為緩慢，因此，圓弧弧度設(shè)計(jì)推薦值為80°。

6 箱式水分裝置后擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

6.1 后方擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

后方擋板實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體與液滴進(jìn)行二次分離，分離前方擋板第一次分離后仍未徹底分離的水和氫氣。如圖2所示，后方擋板可進(jìn)一步細(xì)分為左、中、右3個(gè)部分，結(jié)構(gòu)參數(shù)為后方擋板左側(cè)擋板長(zhǎng)L3、右側(cè)擋板長(zhǎng)L4、中間擋板長(zhǎng)L5、左側(cè)擋板傾斜角度θ3、右側(cè)擋板傾斜角度θ4、后方擋板與上側(cè)壁面距離L6、后方擋板與左側(cè)壁面距離L7。后擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3 所示，均以設(shè)計(jì)值3 作為初始值。

表3 后擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)

6.2 后方擋板左側(cè)擋板長(zhǎng)度的影響

圖11所示為不同后方擋板左側(cè)擋板長(zhǎng)度下的分離效率。在左擋板長(zhǎng)度較小時(shí)，分離效率較低，隨著長(zhǎng)度增大，分離效率逐漸增加，長(zhǎng)度為13 mm時(shí)，分離效率開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖11 不同后方擋板左側(cè)擋板長(zhǎng)度下的分離效率

左側(cè)擋板長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)，部分水會(huì)隨氣體繞過(guò)擋板，從回氫口逃逸，而擋板長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，氫氣排出困難，容易重新攜帶液滴，分離過(guò)程受阻，降低分離效率。因此，左側(cè)擋板長(zhǎng)度為13 mm時(shí)分離效率最佳。

6.3 后方擋板右側(cè)擋板長(zhǎng)度的影響

圖12所示為不同后方擋板右側(cè)擋板長(zhǎng)度下的分離效率。在右擋板長(zhǎng)度較小時(shí)，分離效率較低，隨著長(zhǎng)度的增大，分離效率逐漸增加，長(zhǎng)度為10 mm時(shí)，分離效率開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，右擋板長(zhǎng)度設(shè)計(jì)推薦值為10 mm。

圖12 不同后方擋板右側(cè)擋板長(zhǎng)度下的分離效率

6.4 后方擋板中間擋板長(zhǎng)度的影響

圖13所示為不同后方擋板中間擋板長(zhǎng)度下的分離效率。中間擋板長(zhǎng)度在4～6 mm 范圍內(nèi)時(shí)，分離效率有所增加，超過(guò)6 mm 時(shí)，分離效率開(kāi)始下降，而在50 L∕min 的進(jìn)氣流量下，長(zhǎng)度在8 mm 時(shí)分離效率才出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖13 不同后方擋板中間擋板長(zhǎng)度下的分離效率

在50 L∕min 進(jìn)氣流量下，氣液混合物流速較小，慣性作用較弱，因此，在擋板較短時(shí)難以使水氣完全分離，分離效率較低。水蒸氣及液滴的平均分離效率在中間擋板長(zhǎng)度6 mm時(shí)均較8 mm時(shí)大，綜合分離效率在長(zhǎng)度為6 mm時(shí)最佳。

6.5 后方擋板左側(cè)擋板角度的影響

圖14所示為不同后方擋板左側(cè)擋板角度下的分離效率。在左擋板角度較小時(shí)，分離效率較低，隨著角度增加到25°，300 L∕min 及500 L∕min 進(jìn)氣流量下的分離效率達(dá)到峰值，而后開(kāi)始下降。在50 L∕min的進(jìn)氣流量下，角度在30°時(shí)分離效率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖14 不同后方擋板左側(cè)擋板角度下的分離效率

左側(cè)擋板角度過(guò)大，水容易隨著氣體從左側(cè)繞過(guò)擋板；角度過(guò)小，液滴不易被擋板聚集，容易從擋板側(cè)面逃逸，分離作用減弱。在50 L∕min 的進(jìn)氣流量下，氣液混合物流速及慣性小，更易從側(cè)面逃逸，因此擋板角度25°時(shí)平均分離效率最佳。

6.6 后方擋板右側(cè)擋板角度影響

圖15所示為不同后方擋板右側(cè)擋板角度下的分離效率。隨著右擋板角度的增大，分離效率逐漸提高，角度增大到35°時(shí)，分離效率停止上升并出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因此分離效率在35°時(shí)最佳。

6.7 后方擋板與上壁位置的影響

圖16所示為不同后方擋板與上壁位置下的分離效率。由圖16可知，隨擋板距上壁距離增大，分離效率提高，當(dāng)增大到14 mm，分離效率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖16 不同后方擋板與上壁距離下的分離效率

當(dāng)L6過(guò)小時(shí)，離回氫口間距過(guò)近，阻礙氫氣順利排出，分離后氫氣易重新攜帶液滴，降低分離效率；當(dāng)L6過(guò)大時(shí)，難以阻擋全部液滴，部分液滴從擋板上部流出，導(dǎo)致分離效率下降。因此，距離為14 mm 時(shí)分離效率最佳。

6.8 后方擋板與側(cè)壁距離的影響

圖17所示為不同后方擋板與側(cè)壁距離下的分離效率。由圖17可知，隨著與側(cè)壁距離增大，分離效率逐漸提高，當(dāng)距離增大到20 mm時(shí)，分離效率達(dá)到峰值，而后開(kāi)始下降，因此分離效率在20 mm時(shí)最佳。

圖17 不同后方擋板與側(cè)壁距離下的分離效率

7 水氣分離效率評(píng)估

上述箱式水分裝置各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)推薦值如表4 所示。根據(jù)表4中箱式水氣分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值，建立箱式水分裝置模型進(jìn)行仿真分析，評(píng)估50 L∕min、300 L∕min、500 L∕min 進(jìn)氣流量下水蒸氣和液滴的分離效率。

表4 箱式水分裝置優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)

水蒸氣的分離效率分別為79.8%、88.6%、86.2%，液滴的分離效率分別為77.5%、87.9%、82.5%。與上述仿真時(shí)得到的分離效率對(duì)比，可以看出，3 種進(jìn)氣條件下優(yōu)化后的分離效率明顯得到提升。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文基于折流分離原理設(shè)計(jì)了一種新型雙擋板箱式水分裝置，實(shí)現(xiàn)了燃料電池陽(yáng)極排氣口中氫氣和水的分離，減少進(jìn)入氫再循環(huán)回路中的水含量，并利用Fluent 進(jìn)行了流體仿真分析，詳細(xì)剖析了進(jìn)出口直徑以及雙擋板各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率的影響，保證燃料電池的工作性能，主要工作總結(jié)如下：

a.運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)水氣分離器在不同燃料電池工作條件下的工作狀況進(jìn)行仿真，得到了箱式水分裝置在進(jìn)氣流量50 L∕min、300 L∕min、500 L∕min 下的分離效率，使裝置可以應(yīng)用到不同工況中，并保證水分裝置的分離效率；

b.對(duì)進(jìn)出口的直徑，前方擋板的長(zhǎng)度、傾斜度、圓弧形狀，后方擋板的長(zhǎng)度、彎曲角度、位置參數(shù)對(duì)分離效率的影響進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估，得到了各結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)推薦值；

c.基于各結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)推薦值，重新進(jìn)行了分離效率的數(shù)值仿真分析，驗(yàn)證了優(yōu)化后的水分裝置在不同氣體工作條件下都具備良好的分離效率，為車(chē)用燃料電池水分裝置設(shè)計(jì)和仿真分析提供了一定的參考。