多堆共轨燃料电池脉冲阀引射器仿真分析.pdf
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1、2023 年第 10 期汽车工程师 Automotive Engineer【摘要】基于某峰值功率为200 kW的大功率三堆共轨质子交换膜氢燃料电池(PEMFC),使用Fluent软件对脉冲阀引射器单体和供氢系统的多缸共轨脉冲阀引射器进行稳态计算流体力学(CFD)迭代计算,确定引射器方案,利用引射器台架试验验证了设计方案和仿真模型的可靠性,对脉冲阀引射器引射系数的影响因素进行仿真分析,可知同等压力变化条件下,二次流喷射压力对引射系数的影响最大,入堆压力次之,喷射压力影响最小,同时,氮气含量对引射系数影响较大,最后进行脉冲阀引射器瞬态仿真分析,结果表明:同稳态结果相比较,瞬态条件下计算的引射系数有
2、很大的裕度,因此在电堆实际工作时可以进一步覆盖低功率工况;保持脉冲阀占空比不变,提高喷射频率,有利于引射系数的提高。关键词:氢燃料电池多堆共轨脉冲阀引射器均匀性计算流体力学分析中图分类号:TK91文献标志码:ADOI:10.20104/ki.1674-6546.20230058The Simulation Analysis of Pulse Valve Ejector for Multi-StackCommon-Rail Fuel CellZhang Mengmeng,Chen Haie,Deng Yangqing(Foshan Xianhu Laboratory,Foshan 528200)
3、【Abstract】Based on a 200 kW peak power three-stack common-rail Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC),the steady Computational Fluid Dynamics(CFD)iterative calculation between the single pulse valve ejector and the multi-stack common-rail pulse valve ejector under and hydrogen supply system was c
4、arried out by Fluent software,and the ejectorscheme was determined.Then the reliability of the design and simulation was verified by the ejector bench test.The influencefactors of pulse valve ejector were simulated and analyzed,from which we can know that with the same pressure variation,theinjectio
5、n pressure of secondary flow has the greatest influence on the ejection coefficient,followed by the inlet pressure,andthe injection pressure has the least influence.Meanwhile,nitrogen content has great influence on the ejection coefficient.Finally,the transient simulation analysis of the pulse valve
6、 ejector was carried out.The results show that,compared with thesteady state results,the ejection coefficient calculated under transient state has a large margin,so it can further cover the lowpower condition.Keeping the duty cycle unchanged and increasing injection frequency are beneficial to the i
7、mprovement ofejection coefficient.Key words:Hydrogen fuel cell,Multi-stack,Pulse valve ejector,Uniformity,CFD simulation【引用格式】张蒙蒙,陈海娥,邓阳庆.多堆共轨燃料电池脉冲阀引射器仿真分析J.汽车工程师,2023(10):11-16.ZHANG M M,CHEN H E,DENG Y Q.The Simulation Analysis of Pulse Valve Ejector for Multi-Stack Common-Rail Fuel CellJ.Automot
8、ive Engineer,2023(10):11-16.多堆共轨燃料电池脉冲阀引射器仿真分析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。11汽 车 工 程 师张蒙蒙,等:多堆共轨燃料电池脉冲阀引射器仿真分析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
9、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 ExchangeMembrane 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
10、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
11、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。图1引射器几何模型本文使用 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110104个。表1单体引射器仿真边界条件与初始条件参数喷射流量/gs-1喷射压力/kPa喷射温度/引射压力/kPa取值0.4150025194.5参数引射温度/入堆压力/kPa入堆温度/取值7320070表2单体引射器仿真模型设置参数粘性模型物料属
12、性混合物属性设置k-模型(Realizable),强壁面函数,粘滞加热理想气体比热:混合律热导率:理想气体混合律粘度:理想气体混合律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:k=Gs/Gf(1)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
13、需流体。1 4501 3051 1601 0158707255804352901450速度/ms-1图2引射器速度场分布4.354.013.683.353.012.682.342.011.681.341.01压力/MPa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122023 年第 10 期张蒙蒙,等:多堆共轨燃料电池脉冲阀引射器仿真分析在5%范围内;二次流总轨的压
14、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。电堆入口电堆出口氢水分离器一次流入口图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 200104个,计算模型参照表2设置。表3供氢系
15、统共轨引射器仿真边界条件参数喷射流量/gs-1喷射压力/kPa喷射温度/出堆压力/kPa取值1.2350025195.5参数出堆温度/入堆压力/kPa入堆温度/取值73200702.2.2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
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