多堆共轨燃料电池脉冲阀引射器仿真分析

2023-10-17张蒙蒙陈海娥邓阳庆

汽车工程师 2023年10期

张蒙蒙陈海娥邓阳庆

（佛山仙湖实验室，佛山 528200）

1 前言

氢燃料电池重型载货汽车具有零排放、效率高、燃料加注时间短、续驶里程长、极寒环境下可正常运行等特性和优势，具有良好的发展前景[1-2]。大功率、多堆组共轨燃料电池系统是现阶段燃料电池技术的重要发展趋势，多堆共轨氢喷射和氢循环引射技术可提高电堆应用的灵活性和适应性。

氢循环引射技术的关键部件是引射器，引射器利用储氢装置和燃料电池之间的压差回收氢气，从而避免寄生功率的产生，同时具有结构简单、噪声小、易维护（无运动部件）等优点[3-4]。经过研究人员的不断探索，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）系统氢循环引射器在理论和设计方面取得了大量研究成果。Jung 等设计了由引射器和比例阀组成的喷射泵系统以替代传统的引射器-鼓风机氢循环系统，采用脉冲式燃料供给方案克服了引射器在低功率条件下性能差的缺陷[5]。尹燕等建立了用于PEMFC阳极再循环系统的引射器三维数值模型，并总结了引射器的几何参数优化设计方案[6]。相关研究大多针对单个电堆中的单体引射器，研究结果不能完全适用于大功率、多堆共轨燃料电池系统引射器，故需开发一款新的脉冲阀引射器，在利用前端氢罐的高压力进行氢气喷射的同时，提高控制精准性。

本文基于某峰值功率为200 kW 的大功率三堆PEMFC 开发脉冲阀引射器，在考虑单堆引射器设计要求的同时，兼顾三堆串联带来的一致性问题，使用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对单体引射器和供氢系统下多堆引射器进行多轮计算后确定引射器方案，结合试验台架进行验证，最后采用瞬态CFD 分析进一步了解脉冲阀引射器的性能，同时就喷射频率对脉冲阀引射器引射系数的影响因素进行研究。

2 计算分析

2.1 单体引射器CFD仿真分析

2.1.1 引射器计算模型

大部分引射器的设计以燃料电池电堆额定工况点为基准条件[7]，为了尽量覆盖低功率工况点，本文以常用电流密度工况点600 mA/cm2为设计基准。图1所示为单体引射器的几何模型。

本文使用Fluent 软件对引射器单体进行稳态CFD 计算，电流密度为600 mA/cm2、过量系数为1.6、介质为氢气。表1所示为引射器的计算边界条件与初始条件，计算模型的相关设置如表2所示，计算网格数量为110×104个。

表2 单体引射器仿真模型设置

2.1.2 计算结果分析

通常使用引射系数k评价引射器的性能，引射系数可直观地反映一次流对二次流的引射能力[7-8]：

式中，Gf、Gs分别为一次流、二次流流量。

对计算结果进行统计，得到单体引射器的引射系数为1.17。图2、图3所示分别为引射器速度场分布和压力场分布情况，可以看出，流体在喷嘴喉口处速度达到最大值，压力势能转化为流体动能后经喷嘴出口超声速喷出形成马赫环，二次流被吸入混合室与一次流相互混合，二者在混合室和喉口段混合均匀，进入电堆，为电堆提供所需流体。

图2 引射器速度场分布

图3 引射器压力场分布

2.2 多堆共轨引射器CFD仿真分析

得到单体引射系数后，需要在供氢系统中评价单体引射器是否合适，使用Fluent 软件对引射器系统进行稳态CFD 计算。引射器需要满足：供氢系统共轨的三堆引射器的引射系数与单体引射器的引射系数接近；共轨的三堆引射器引射系数一致性需在±5%范围内；二次流总轨的压力与单体引射器的二次流压力接近。获得符合需求的引射器方案需要经过数次迭代。

2.2.1 共轨引射器计算模型

图4 所示为供氢系统多堆共轨引射器模型：流体从电堆流出后经氢水分离器进入引射器，即引射器二次流；二次流被吸入引射器与一次流混合形成均匀混合气进入电堆。

图4 供氢系统共轨引射器

使用Fluent软件对供氢系统的共轨引射器进行稳态CFD 计算，供氢系统引射器的计算工况与单体引射器工况一致：电流密度为600 mA/cm2，过量系数为1.6。多堆共轨引射器仿真计算边界条件与初始条件如表3 所示，介质为氢气，计算网格数量为1 200×104个，计算模型参照表2设置。

表3 供氢系统共轨引射器仿真边界条件

2.2.2 计算结果分析

表4所示为供氢系统多堆共轨引射器的引射系数，从表4 中可以看出：3 个引射器的引射系数等效于单体引射器的引射系数1.10，与单体引射器的仿真计算结果1.17 接近；3 个引射器之间引射系数的偏差在±5%范围内，引射器一致性好。图5、图6 所示分别为供氢系统共轨引射器和进堆前气体的速度分布情况，由图5、图6可知，三堆共轨引射器速度分布均匀，一致性好，同时，从3 个引射器流出的氢气流动性好，混合均匀，可以为电堆持续提供稳定的氢气。

表4 供氢系统共轨引射器仿真结果

图5 供氢系统共轨引射器速度场分布

图6 进堆气体速度场分布

3 引射器台架试验

为了验证引射器的设计与仿真模型的可靠性，需要进行引射器台架试验。将试制好的脉冲阀引射器安装在台架上，如图7 所示，试验气体为氢气，引射器台架试验分为2 个部分，首先验证脉冲阀喷嘴是否满足压力和流量需求，然后进行整体的脉冲阀引射器试验。

图7 引射器试验台架

3.1 脉冲阀喷嘴试验

喷嘴由脉冲阀和拉法尔喷嘴集成获得，如图8所示，试验时仅开启一次流供气管路，通过控制程序调节不同的占空比，记录3 个喷嘴在不同占空比下的喷射流量，试验证明，脉冲阀集成拉法尔喷嘴能够精准控制喷射流量，喷嘴试验结果如图9所示，3 个喷嘴在不同占空比下的喷氢量满足设计流量需求，同时3 个喷嘴的流量一致性偏差在±5%范围内，验证了喷嘴加工工艺的可靠性。

图8 脉冲阀喷嘴

图9 脉冲阀喷嘴试验结果

3.2 脉冲阀引射器试验

引射器台架试验需要同时打开一次流供气管路和二次流供气管路，将脉冲阀占空比调节到最大，然后控制一次流喷射压力进行试验，此时类似比例阀模式。

分别取电流密度为600 mA/cm2、800 mA/cm2和1 200 mA/cm2进行台架试验，记录一次流和二次流流量，得到3个工况点的引射器引射系数，取与试验同样的边界条件进行CFD 仿真计算，根据计算获得的一次流和二次流流量得到引射系数的仿真结果，并与试验数据进行对比，结果如图10所示。由图10可知，试验结果与仿真结果趋势一致，误差在允许范围5%内，证明建立的仿真模型的准确性满足要求，可以进行后续仿真计算。

图10 引射系数仿真与试验结果对比

4 引射器影响因素分析

本文利用仿真分析研究一次流喷射压力Pf、入堆压力Pd、二次流引射压力Ps和氮气含量对引射系数的影响。

首先研究不同边界条件对引射器的影响。在相同电流密度600 mA/cm2条件下，以表1 所示参数为基础，分别改变一次流压力Pf、二次流压力Ps和入堆压力Pd，计算分析结果如图11～图13所示：同等压力变化条件下，Ps对引射系数的影响最大，Pd次之，Pf影响最小。

图11 不同一次流喷射压力下的引射系数

图12 不同二次流引射压力下的引射系数

图13 不同入堆压力下的引射系数

引射器实际工作时，工作气体不是纯氢气，其中存在部分氮气。氮气含量对引射系数也存在影响，取氮气体积分数分别为0、5%、10%、15%和20%进行计算分析，分析结果如图14 所示。由图14 可知，氮气含量对引射系数影响较大，氮气体积分数每增加5%，对应的引射系数减小约16%，氮气体积分数为15%时的引射系数约为纯氢气条件下引射系数的一半。

图14 不同氮气含量下的引射系数

5 单体引射器瞬态CFD仿真分析

为更深入地了解脉冲阀引射器的性能及其影响因素，需要对脉冲阀引射器进行瞬态仿真。

5.1 引射器瞬态计算模型

本文使用Fluent软件对引射器单体进行瞬态仿真分析，设电流密度为600 mA/cm2、过量系数为1.6、介质为纯氢气，网格数量为110×104个。瞬态计算一次流质量流量边界采用脉冲（开/关）模式，如图15所示，此时一次流喷射频率为20 Hz，取5 个周期进行计算，其余边界条件与稳态计算保持一致，参照表1，计算模型设置参照表2。

图15 单体引射器瞬态CFD仿真一次流流量边界

5.2 计算结果分析

二次流引射流量如图16 所示。由图16 可知，二次流量主要分为阀门开启进气阶段、阀门关闭惯性进气阶段和回流阶段的流量。喷射频率为20 Hz时脉冲阀引射器的引射系数为1.49，大于稳态计算获得的引射系数1.17，由此可知脉冲阀引射器可以覆盖更多的低功率工况点，再匹配合适的控制策略即可尽量满足低负荷工况点的需求。