多堆共軌燃料電池脈沖閥引射器仿真分析

張蒙蒙 陳海娥 鄧陽慶

（佛山仙湖實驗室，佛山 528200）

1 前言

氫燃料電池重型載貨汽車具有零排放、效率高、燃料加注時間短、續駛里程長、極寒環境下可正常運行等特性和優勢，具有良好的發展前景[1-2]。大功率、多堆組共軌燃料電池系統是現階段燃料電池技術的重要發展趨勢，多堆共軌氫噴射和氫循環引射技術可提高電堆應用的靈活性和適應性。

氫循環引射技術的關鍵部件是引射器，引射器利用儲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生，同時具有結構簡單、噪聲小、易維護（無運動部件）等優點[3-4]。經過研究人員的不斷探索，質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）系統氫循環引射器在理論和設計方面取得了大量研究成果。Jung 等設計了由引射器和比例閥組成的噴射泵系統以替代傳統的引射器-鼓風機氫循環系統，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陽極再循環系統的引射器三維數值模型，并總結了引射器的幾何參數優化設計方案[6]。相關研究大多針對單個電堆中的單體引射器，研究結果不能完全適用于大功率、多堆共軌燃料電池系統引射器，故需開發一款新的脈沖閥引射器，在利用前端氫罐的高壓力進行氫氣噴射的同時，提高控制精準性。

本文基于某峰值功率為200 kW 的大功率三堆PEMFC 開發脈沖閥引射器，在考慮單堆引射器設計要求的同時，兼顧三堆串聯帶來的一致性問題，使用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對單體引射器和供氫系統下多堆引射器進行多輪計算后確定引射器方案，結合試驗臺架進行驗證，最后采用瞬態CFD 分析進一步了解脈沖閥引射器的性能，同時就噴射頻率對脈沖閥引射器引射系數的影響因素進行研究。

2 計算分析

2.1 單體引射器CFD仿真分析

2.1.1 引射器計算模型

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

本文使用Fluent 軟件對引射器單體進行穩態CFD 計算，電流密度為600 mA/cm2、過量系數為1.6、介質為氫氣。表1所示為引射器的計算邊界條件與初始條件，計算模型的相關設置如表2所示，計算網格數量為110×104個。

表2 單體引射器仿真模型設置

2.1.2 計算結果分析

通常使用引射系數k評價引射器的性能，引射系數可直觀地反映一次流對二次流的引射能力[7-8]：

式中，Gf、Gs分別為一次流、二次流流量。

對計算結果進行統計，得到單體引射器的引射系數為1.17。圖2、圖3所示分別為引射器速度場分布和壓力場分布情況，可以看出，流體在噴嘴喉口處速度達到最大值，壓力勢能轉化為流體動能后經噴嘴出口超聲速噴出形成馬赫環，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，進入電堆，為電堆提供所需流體。

圖2 引射器速度場分布

圖3 引射器壓力場分布

2.2 多堆共軌引射器CFD仿真分析

得到單體引射系數后，需要在供氫系統中評價單體引射器是否合適，使用Fluent 軟件對引射器系統進行穩態CFD 計算。引射器需要滿足：供氫系統共軌的三堆引射器的引射系數與單體引射器的引射系數接近；共軌的三堆引射器引射系數一致性需在±5%范圍內；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過數次迭代。

2.2.1 共軌引射器計算模型

圖4 所示為供氫系統多堆共軌引射器模型：流體從電堆流出后經氫水分離器進入引射器，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入電堆。

圖4 供氫系統共軌引射器

使用Fluent軟件對供氫系統的共軌引射器進行穩態CFD 計算，供氫系統引射器的計算工況與單體引射器工況一致：電流密度為600 mA/cm2，過量系數為1.6。多堆共軌引射器仿真計算邊界條件與初始條件如表3 所示，介質為氫氣，計算網格數量為1 200×104個，計算模型參照表2設置。

表3 供氫系統共軌引射器仿真邊界條件

2.2.2 計算結果分析

表4所示為供氫系統多堆共軌引射器的引射系數，從表4 中可以看出：3 個引射器的引射系數等效于單體引射器的引射系數1.10，與單體引射器的仿真計算結果1.17 接近；3 個引射器之間引射系數的偏差在±5%范圍內，引射器一致性好。圖5、圖6 所示分別為供氫系統共軌引射器和進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，從3 個引射器流出的氫氣流動性好，混合均勻，可以為電堆持續提供穩定的氫氣。

表4 供氫系統共軌引射器仿真結果

圖5 供氫系統共軌引射器速度場分布

圖6 進堆氣體速度場分布

3 引射器臺架試驗

為了驗證引射器的設計與仿真模型的可靠性，需要進行引射器臺架試驗。將試制好的脈沖閥引射器安裝在臺架上，如圖7 所示，試驗氣體為氫氣，引射器臺架試驗分為2 個部分，首先驗證脈沖閥噴嘴是否滿足壓力和流量需求，然后進行整體的脈沖閥引射器試驗。

圖7 引射器試驗臺架

3.1 脈沖閥噴嘴試驗

噴嘴由脈沖閥和拉法爾噴嘴集成獲得，如圖8所示，試驗時僅開啟一次流供氣管路，通過控制程序調節不同的占空比，記錄3 個噴嘴在不同占空比下的噴射流量，試驗證明，脈沖閥集成拉法爾噴嘴能夠精準控制噴射流量，噴嘴試驗結果如圖9所示，3 個噴嘴在不同占空比下的噴氫量滿足設計流量需求，同時3 個噴嘴的流量一致性偏差在±5%范圍內，驗證了噴嘴加工工藝的可靠性。

圖8 脈沖閥噴嘴

圖9 脈沖閥噴嘴試驗結果

3.2 脈沖閥引射器試驗

引射器臺架試驗需要同時打開一次流供氣管路和二次流供氣管路，將脈沖閥占空比調節到最大，然后控制一次流噴射壓力進行試驗，此時類似比例閥模式。

分別取電流密度為600 mA/cm2、800 mA/cm2和1 200 mA/cm2進行臺架試驗，記錄一次流和二次流流量，得到3個工況點的引射器引射系數，取與試驗同樣的邊界條件進行CFD 仿真計算，根據計算獲得的一次流和二次流流量得到引射系數的仿真結果，并與試驗數據進行對比，結果如圖10所示。由圖10可知，試驗結果與仿真結果趨勢一致，誤差在允許范圍5%內，證明建立的仿真模型的準確性滿足要求，可以進行后續仿真計算。

圖10 引射系數仿真與試驗結果對比

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和氮氣含量對引射系數的影響。

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

圖12 不同二次流引射壓力下的引射系數

圖13 不同入堆壓力下的引射系數

引射器實際工作時，工作氣體不是純氫氣，其中存在部分氮氣。氮氣含量對引射系數也存在影響，取氮氣體積分數分別為0、5%、10%、15%和20%進行計算分析，分析結果如圖14 所示。由圖14 可知，氮氣含量對引射系數影響較大，氮氣體積分數每增加5%，對應的引射系數減小約16%，氮氣體積分數為15%時的引射系數約為純氫氣條件下引射系數的一半。

圖14 不同氮氣含量下的引射系數

5 單體引射器瞬態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，需要對脈沖閥引射器進行瞬態仿真。

5.1 引射器瞬態計算模型

本文使用Fluent軟件對引射器單體進行瞬態仿真分析，設電流密度為600 mA/cm2、過量系數為1.6、介質為純氫氣，網格數量為110×104個。瞬態計算一次流質量流量邊界采用脈沖（開/關）模式，如圖15所示，此時一次流噴射頻率為20 Hz，取5 個周期進行計算，其余邊界條件與穩態計算保持一致，參照表1，計算模型設置參照表2。

圖15 單體引射器瞬態CFD仿真一次流流量邊界

5.2 計算結果分析

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開啟進氣階段、閥門關閉慣性進氣階段和回流階段的流量。噴射頻率為20 Hz時脈沖閥引射器的引射系數為1.49，大于穩態計算獲得的引射系數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，再匹配合適的控制策略即可盡量滿足低負荷工況點的需求。

圖16 噴射頻率為20 Hz時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，脈沖閥全開時所需噴射壓力約為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啟條件。實際上脈沖閥最大開啟壓力一般為1.5～2.0 MPa，本文脈沖閥引射器的噴射壓力仍有裕度，后續可進一步優化。

圖17 一次流噴射壓力

5.3 噴射頻率對引射系數的影響

為了研究不同脈沖閥噴射頻率對脈沖閥引射器引射系數的影響，在占空比不變的條件下，分別在10 Hz、20 Hz和40 Hz噴射頻率條件下進行對比計算。

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

表5 不同噴射頻率下引射系數和二次流流量計算結果

圖18、圖19 所示分別為噴射頻率為10 Hz、40 Hz 時的二次流引射流量，對比圖16、圖18 和圖19 可知，當占空比保持不變時，提高脈沖閥噴射頻率，脈沖閥關閉時二次流的回流流量減少，二次流總流量增大，進而提高了引射系數。

圖18 噴射頻率為10 Hz時單體引射器二次流引射流量

圖19 噴射頻率為40 Hz時單體引射器二次流引射流量

6 結束語

本文主要研究適用于多堆共軌燃料電池的脈沖閥引射器，分別進行了單體引射器仿真分析、供氫系統多堆共軌引射器仿真分析、引射器臺架試驗和引射器瞬態分析，可以得到以下結論：

a.供氫系統三堆共軌引射器的平均引射系數1.10 與單體引射器的引射系數1.17 接近；供氫系統三堆共軌的二次流流量一致性在±5%范圍內；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計算獲得的引射系數為1.49，同穩態計算結果相比較仍有裕度，故在電堆實際工作時可進一步覆蓋低功率工況。保持占空比40%不變，提高噴射頻率，有利于引射系數的提高。

c.同等壓力變化條件下，二次流噴射壓力對引射系數的影響最大，入堆壓力次之，一次流噴射壓力影響最小；氮氣含量對引射系數影響較大。