多堆共軌燃料電池脈沖閥引射器仿真分析

張蒙蒙 陳海娥 鄧陽(yáng)慶

（佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室，佛山 528200）

1 前言

氫燃料電池重型載貨汽車(chē)具有零排放、效率高、燃料加注時(shí)間短、續(xù)駛里程長(zhǎng)、極寒環(huán)境下可正常運(yùn)行等特性和優(yōu)勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景[1-2]。大功率、多堆組共軌燃料電池系統(tǒng)是現(xiàn)階段燃料電池技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)，多堆共軌氫噴射和氫循環(huán)引射技術(shù)可提高電堆應(yīng)用的靈活性和適應(yīng)性。

氫循環(huán)引射技術(shù)的關(guān)鍵部件是引射器，引射器利用儲(chǔ)氫裝置和燃料電池之間的壓差回收氫氣，從而避免寄生功率的產(chǎn)生，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小、易維護(hù)（無(wú)運(yùn)動(dòng)部件）等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。經(jīng)過(guò)研究人員的不斷探索，質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）系統(tǒng)氫循環(huán)引射器在理論和設(shè)計(jì)方面取得了大量研究成果。Jung 等設(shè)計(jì)了由引射器和比例閥組成的噴射泵系統(tǒng)以替代傳統(tǒng)的引射器-鼓風(fēng)機(jī)氫循環(huán)系統(tǒng)，采用脈沖式燃料供給方案克服了引射器在低功率條件下性能差的缺陷[5]。尹燕等建立了用于PEMFC陽(yáng)極再循環(huán)系統(tǒng)的引射器三維數(shù)值模型，并總結(jié)了引射器的幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[6]。相關(guān)研究大多針對(duì)單個(gè)電堆中的單體引射器，研究結(jié)果不能完全適用于大功率、多堆共軌燃料電池系統(tǒng)引射器，故需開(kāi)發(fā)一款新的脈沖閥引射器，在利用前端氫罐的高壓力進(jìn)行氫氣噴射的同時(shí)，提高控制精準(zhǔn)性。

本文基于某峰值功率為200 kW 的大功率三堆PEMFC 開(kāi)發(fā)脈沖閥引射器，在考慮單堆引射器設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，兼顧三堆串聯(lián)帶來(lái)的一致性問(wèn)題，使用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對(duì)單體引射器和供氫系統(tǒng)下多堆引射器進(jìn)行多輪計(jì)算后確定引射器方案，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行驗(yàn)證，最后采用瞬態(tài)CFD 分析進(jìn)一步了解脈沖閥引射器的性能，同時(shí)就噴射頻率對(duì)脈沖閥引射器引射系數(shù)的影響因素進(jìn)行研究。

2 計(jì)算分析

2.1 單體引射器CFD仿真分析

2.1.1 引射器計(jì)算模型

大部分引射器的設(shè)計(jì)以燃料電池電堆額定工況點(diǎn)為基準(zhǔn)條件[7]，為了盡量覆蓋低功率工況點(diǎn)，本文以常用電流密度工況點(diǎn)600 mA/cm2為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。圖1所示為單體引射器的幾何模型。

本文使用Fluent 軟件對(duì)引射器單體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD 計(jì)算，電流密度為600 mA/cm2、過(guò)量系數(shù)為1.6、介質(zhì)為氫氣。表1所示為引射器的計(jì)算邊界條件與初始條件，計(jì)算模型的相關(guān)設(shè)置如表2所示，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量為110×104個(gè)。

表2 單體引射器仿真模型設(shè)置

2.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

通常使用引射系數(shù)k評(píng)價(jià)引射器的性能，引射系數(shù)可直觀地反映一次流對(duì)二次流的引射能力[7-8]：

式中，Gf、Gs分別為一次流、二次流流量。

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到單體引射器的引射系數(shù)為1.17。圖2、圖3所示分別為引射器速度場(chǎng)分布和壓力場(chǎng)分布情況，可以看出，流體在噴嘴喉口處速度達(dá)到最大值，壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能后經(jīng)噴嘴出口超聲速噴出形成馬赫環(huán)，二次流被吸入混合室與一次流相互混合，二者在混合室和喉口段混合均勻，進(jìn)入電堆，為電堆提供所需流體。

圖2 引射器速度場(chǎng)分布

圖3 引射器壓力場(chǎng)分布

2.2 多堆共軌引射器CFD仿真分析

得到單體引射系數(shù)后，需要在供氫系統(tǒng)中評(píng)價(jià)單體引射器是否合適，使用Fluent 軟件對(duì)引射器系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD 計(jì)算。引射器需要滿足：供氫系統(tǒng)共軌的三堆引射器的引射系數(shù)與單體引射器的引射系數(shù)接近；共軌的三堆引射器引射系數(shù)一致性需在±5%范圍內(nèi)；二次流總軌的壓力與單體引射器的二次流壓力接近。獲得符合需求的引射器方案需要經(jīng)過(guò)數(shù)次迭代。

2.2.1 共軌引射器計(jì)算模型

圖4 所示為供氫系統(tǒng)多堆共軌引射器模型：流體從電堆流出后經(jīng)氫水分離器進(jìn)入引射器，即引射器二次流；二次流被吸入引射器與一次流混合形成均勻混合氣進(jìn)入電堆。

圖4 供氫系統(tǒng)共軌引射器

使用Fluent軟件對(duì)供氫系統(tǒng)的共軌引射器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD 計(jì)算，供氫系統(tǒng)引射器的計(jì)算工況與單體引射器工況一致：電流密度為600 mA/cm2，過(guò)量系數(shù)為1.6。多堆共軌引射器仿真計(jì)算邊界條件與初始條件如表3 所示，介質(zhì)為氫氣，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量為1 200×104個(gè)，計(jì)算模型參照表2設(shè)置。

表3 供氫系統(tǒng)共軌引射器仿真邊界條件

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

表4所示為供氫系統(tǒng)多堆共軌引射器的引射系數(shù)，從表4 中可以看出：3 個(gè)引射器的引射系數(shù)等效于單體引射器的引射系數(shù)1.10，與單體引射器的仿真計(jì)算結(jié)果1.17 接近；3 個(gè)引射器之間引射系數(shù)的偏差在±5%范圍內(nèi)，引射器一致性好。圖5、圖6 所示分別為供氫系統(tǒng)共軌引射器和進(jìn)堆前氣體的速度分布情況，由圖5、圖6可知，三堆共軌引射器速度分布均勻，一致性好，同時(shí)，從3 個(gè)引射器流出的氫氣流動(dòng)性好，混合均勻，可以為電堆持續(xù)提供穩(wěn)定的氫氣。

表4 供氫系統(tǒng)共軌引射器仿真結(jié)果

圖5 供氫系統(tǒng)共軌引射器速度場(chǎng)分布

圖6 進(jìn)堆氣體速度場(chǎng)分布

3 引射器臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證引射器的設(shè)計(jì)與仿真模型的可靠性，需要進(jìn)行引射器臺(tái)架試驗(yàn)。將試制好的脈沖閥引射器安裝在臺(tái)架上，如圖7 所示，試驗(yàn)氣體為氫氣，引射器臺(tái)架試驗(yàn)分為2 個(gè)部分，首先驗(yàn)證脈沖閥噴嘴是否滿足壓力和流量需求，然后進(jìn)行整體的脈沖閥引射器試驗(yàn)。

圖7 引射器試驗(yàn)臺(tái)架

3.1 脈沖閥噴嘴試驗(yàn)

噴嘴由脈沖閥和拉法爾噴嘴集成獲得，如圖8所示，試驗(yàn)時(shí)僅開(kāi)啟一次流供氣管路，通過(guò)控制程序調(diào)節(jié)不同的占空比，記錄3 個(gè)噴嘴在不同占空比下的噴射流量，試驗(yàn)證明，脈沖閥集成拉法爾噴嘴能夠精準(zhǔn)控制噴射流量，噴嘴試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，3 個(gè)噴嘴在不同占空比下的噴氫量滿足設(shè)計(jì)流量需求，同時(shí)3 個(gè)噴嘴的流量一致性偏差在±5%范圍內(nèi)，驗(yàn)證了噴嘴加工工藝的可靠性。

圖8 脈沖閥噴嘴

圖9 脈沖閥噴嘴試驗(yàn)結(jié)果

3.2 脈沖閥引射器試驗(yàn)

引射器臺(tái)架試驗(yàn)需要同時(shí)打開(kāi)一次流供氣管路和二次流供氣管路，將脈沖閥占空比調(diào)節(jié)到最大，然后控制一次流噴射壓力進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)類似比例閥模式。

分別取電流密度為600 mA/cm2、800 mA/cm2和1 200 mA/cm2進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，記錄一次流和二次流流量，得到3個(gè)工況點(diǎn)的引射器引射系數(shù)，取與試驗(yàn)同樣的邊界條件進(jìn)行CFD 仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算獲得的一次流和二次流流量得到引射系數(shù)的仿真結(jié)果，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)一致，誤差在允許范圍5%內(nèi)，證明建立的仿真模型的準(zhǔn)確性滿足要求，可以進(jìn)行后續(xù)仿真計(jì)算。

圖10 引射系數(shù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 引射器影響因素分析

本文利用仿真分析研究一次流噴射壓力Pf、入堆壓力Pd、二次流引射壓力Ps和氮?dú)夂繉?duì)引射系數(shù)的影響。

首先研究不同邊界條件對(duì)引射器的影響。在相同電流密度600 mA/cm2條件下，以表1 所示參數(shù)為基礎(chǔ)，分別改變一次流壓力Pf、二次流壓力Ps和入堆壓力Pd，計(jì)算分析結(jié)果如圖11～圖13所示：同等壓力變化條件下，Ps對(duì)引射系數(shù)的影響最大，Pd次之，Pf影響最小。

圖11 不同一次流噴射壓力下的引射系數(shù)

圖12 不同二次流引射壓力下的引射系數(shù)

圖13 不同入堆壓力下的引射系數(shù)

引射器實(shí)際工作時(shí)，工作氣體不是純氫氣，其中存在部分氮?dú)?。氮?dú)夂繉?duì)引射系數(shù)也存在影響，取氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)分別為0、5%、10%、15%和20%進(jìn)行計(jì)算分析，分析結(jié)果如圖14 所示。由圖14 可知，氮?dú)夂繉?duì)引射系數(shù)影響較大，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)每增加5%，對(duì)應(yīng)的引射系數(shù)減小約16%，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)的引射系數(shù)約為純氫氣條件下引射系數(shù)的一半。

圖14 不同氮?dú)夂肯碌囊湎禂?shù)

5 單體引射器瞬態(tài)CFD仿真分析

為更深入地了解脈沖閥引射器的性能及其影響因素，需要對(duì)脈沖閥引射器進(jìn)行瞬態(tài)仿真。

5.1 引射器瞬態(tài)計(jì)算模型

本文使用Fluent軟件對(duì)引射器單體進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，設(shè)電流密度為600 mA/cm2、過(guò)量系數(shù)為1.6、介質(zhì)為純氫氣，網(wǎng)格數(shù)量為110×104個(gè)。瞬態(tài)計(jì)算一次流質(zhì)量流量邊界采用脈沖（開(kāi)/關(guān)）模式，如圖15所示，此時(shí)一次流噴射頻率為20 Hz，取5 個(gè)周期進(jìn)行計(jì)算，其余邊界條件與穩(wěn)態(tài)計(jì)算保持一致，參照表1，計(jì)算模型設(shè)置參照表2。

圖15 單體引射器瞬態(tài)CFD仿真一次流流量邊界

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

二次流引射流量如圖16 所示。由圖16 可知，二次流量主要分為閥門(mén)開(kāi)啟進(jìn)氣階段、閥門(mén)關(guān)閉慣性進(jìn)氣階段和回流階段的流量。噴射頻率為20 Hz時(shí)脈沖閥引射器的引射系數(shù)為1.49，大于穩(wěn)態(tài)計(jì)算獲得的引射系數(shù)1.17，由此可知脈沖閥引射器可以覆蓋更多的低功率工況點(diǎn)，再匹配合適的控制策略即可盡量滿足低負(fù)荷工況點(diǎn)的需求。

圖16 噴射頻率為20 Hz時(shí)單體引射器二次流引射流量

一次流噴射壓力如圖17 所示。由圖17 可知，脈沖閥全開(kāi)時(shí)所需噴射壓力約為1.2 MPa，考慮脈沖閥自身流阻約為0.2～0.3 MPa，1.5 MPa 的噴射壓力滿足脈沖閥開(kāi)啟條件。實(shí)際上脈沖閥最大開(kāi)啟壓力一般為1.5～2.0 MPa，本文脈沖閥引射器的噴射壓力仍有裕度，后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化。

圖17 一次流噴射壓力

5.3 噴射頻率對(duì)引射系數(shù)的影響

為了研究不同脈沖閥噴射頻率對(duì)脈沖閥引射器引射系數(shù)的影響，在占空比不變的條件下，分別在10 Hz、20 Hz和40 Hz噴射頻率條件下進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

表5所示為不同噴射頻率下脈沖閥引射器的引射系數(shù)和二次流流量。由表5 可知，隨著噴射頻率的提高，引射系數(shù)增大，不同噴射頻率下的引射系數(shù)近似線性關(guān)系，由此可以擬合出不同噴射頻率下的引射系數(shù)。

表5 不同噴射頻率下引射系數(shù)和二次流流量計(jì)算結(jié)果

圖18、圖19 所示分別為噴射頻率為10 Hz、40 Hz 時(shí)的二次流引射流量，對(duì)比圖16、圖18 和圖19 可知，當(dāng)占空比保持不變時(shí)，提高脈沖閥噴射頻率，脈沖閥關(guān)閉時(shí)二次流的回流流量減少，二次流總流量增大，進(jìn)而提高了引射系數(shù)。

圖18 噴射頻率為10 Hz時(shí)單體引射器二次流引射流量

圖19 噴射頻率為40 Hz時(shí)單體引射器二次流引射流量

6 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究適用于多堆共軌燃料電池的脈沖閥引射器，分別進(jìn)行了單體引射器仿真分析、供氫系統(tǒng)多堆共軌引射器仿真分析、引射器臺(tái)架試驗(yàn)和引射器瞬態(tài)分析，可以得到以下結(jié)論：

a.供氫系統(tǒng)三堆共軌引射器的平均引射系數(shù)1.10 與單體引射器的引射系數(shù)1.17 接近；供氫系統(tǒng)三堆共軌的二次流流量一致性在±5%范圍內(nèi)；二次流總軌壓力與單體引射器的二次流壓力接近。

b.噴射頻率20 Hz 條件下脈沖閥引射器瞬態(tài)計(jì)算獲得的引射系數(shù)為1.49，同穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果相比較仍有裕度，故在電堆實(shí)際工作時(shí)可進(jìn)一步覆蓋低功率工況。保持占空比40%不變，提高噴射頻率，有利于引射系數(shù)的提高。

c.同等壓力變化條件下，二次流噴射壓力對(duì)引射系數(shù)的影響最大，入堆壓力次之，一次流噴射壓力影響最??；氮?dú)夂繉?duì)引射系數(shù)影響較大。