摘要

車用燃料電池的耐久性和效率是制約其競爭力的關(guān)鍵問題。在本文中SYMBIO 公司利用GT-SUITE模擬了氫氣再循環(huán)，并進行了引射器的選型計算以及氫氣吹掃策略的優(yōu)化。

作者：SYMBIO氫能公司

【資料圖】

1 背景介紹

下圖為美國重型車用燃料電池的指標。燃料電池的耐久性和效率是制約PEMFC競爭力的關(guān)鍵問題。

其中，氫氣再循環(huán)（Hydrogen Recirculation）是一個關(guān)鍵的技術(shù)。一個好的氫氣再循環(huán)技術(shù)應該滿足以下要求：

1)能夠為燃料電池提供足夠的氫氣量

2)滿足水管理的要求

3)能夠維持要求的工況（如壓力、溫度、電流……）

4)結(jié)構(gòu)緊湊且節(jié)能

2 氫氣管理

氫氣管理一般包含高壓氫氣供應、氫氣再循環(huán)、脫水器、以及吹掃等內(nèi)容。本文主要研究氫氣再循環(huán)、引射器以及吹掃策略。

本文所用模型如下圖所示，主要集中在氫氣回路的模擬。氫氣再循環(huán)模擬的有幾個關(guān)鍵特征：①多組分，包含H2O、H2、N2；②水蒸氣的冷凝；③吹掃的動力學。

3 計算結(jié)果

3.1

模型標定

下圖為陽極壓損的校核結(jié)果，陽極壓損最大偏差 11mbar

下圖為N2在不同溫度和壓力下的滲透流量的校核結(jié)果，最大偏差15%。

所用于標定模型的參數(shù)有陽極的沿程阻力損失、節(jié)流系數(shù)、以及N2滲透系數(shù)，如下圖所示

3.2

引射器的模擬

由于引射器內(nèi)部流動的復雜性，在系統(tǒng)仿真中一般采用基于map的引射器。SYMBIO采用純氫氣介質(zhì)進行了測試，下圖為性能map。

GT-SUITE將會通過下式將上述map修正到其他介質(zhì)。

SYMBIO同步進行了CFD計算，所采用的介質(zhì)為H2/N2/H2O的混合氣。用于對比基于map的引射器模型與CFD計算的差異。下圖為GT-SUITE和CFD計算結(jié)果的對比。其中GT-SUITE通過調(diào)整上式的Rx值進行標定，最終Rx = 0.5（也是軟件默認值）時與CFD計算結(jié)果基本一致。

3.3

引射器的選型

SYMBIO 設計了3個引射器，通過對比不同負載下的陽極計量比進行評價。如下圖所示，隨著電流負載的減小，陽極的計量比會達到下限，即怠速。隨著電流的增加，陽極計量比先增加后減小，在最大功率附近減小至計量比的下限。

最佳的引射器應該能夠具有最大的功率范圍，即能夠循環(huán)更多的氫氣。如下表所示，2號引射器是最佳設計方案。

3.4

氫氣吹掃策略

吹掃因子的敏感性分析

所謂吹掃因子（Purge Factor）是指在吹掃過程中浪費的氫氣比例。如下圖所示，高的吹掃因子將會降低N2濃度，有利于耐久性；但同時增大計量比，不利于能耗。低的吹掃因子將會減小計量比，有利于能耗但降低耐久性。

吹掃因子的優(yōu)化

如下圖所示，優(yōu)化的原則是：

①中低功率區(qū)域，在保證計量比在最優(yōu)區(qū)域的同時，盡可能減小吹掃，以提高經(jīng)濟性。

②在高功率區(qū)域，可以適當增大吹掃因子，提高計量比至最優(yōu)區(qū)域。

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關(guān)于IDAJ

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