摘要

车用燃料电池的耐久性和效率是制约其竞争力的关键问题。在本文中SYMBIO 公司利用GT-SUITE模拟了氢气再循环，并进行了引射器的选型计算以及氢气吹扫策略的优化。

作者：SYMBIO氢能公司

【资料图】

1 背景介绍

下图为美国重型车用燃料电池的指标。燃料电池的耐久性和效率是制约PEMFC竞争力的关键问题。

其中，氢气再循环（Hydrogen Recirculation）是一个关键的技术。一个好的氢气再循环技术应该满足以下要求：

1)能够为燃料电池提供足够的氢气量

2)满足水管理的要求

3)能够维持要求的工况（如压力、温度、电流……）

4)结构紧凑且节能

2 氢气管理

氢气管理一般包含高压氢气供应、氢气再循环、脱水器、以及吹扫等内容。本文主要研究氢气再循环、引射器以及吹扫策略。

本文所用模型如下图所示，主要集中在氢气回路的模拟。氢气再循环模拟的有几个关键特征：①多组分，包含H2O、H2、N2；②水蒸气的冷凝；③吹扫的动力学。

3 计算结果

3.1

模型标定

下图为阳极压损的校核结果，阳极压损最大偏差 11mbar

下图为N2在不同温度和压力下的渗透流量的校核结果，最大偏差15%。

所用于标定模型的参数有阳极的沿程阻力损失、节流系数、以及N2渗透系数，如下图所示

3.2

引射器的模拟

由于引射器内部流动的复杂性，在系统仿真中一般采用基于map的引射器。SYMBIO采用纯氢气介质进行了测试，下图为性能map。

GT-SUITE将会通过下式将上述map修正到其他介质。

SYMBIO同步进行了CFD计算，所采用的介质为H2/N2/H2O的混合气。用于对比基于map的引射器模型与CFD计算的差异。下图为GT-SUITE和CFD计算结果的对比。其中GT-SUITE通过调整上式的Rx值进行标定，最终Rx = 0.5（也是软件默认值）时与CFD计算结果基本一致。

3.3

引射器的选型

SYMBIO 设计了3个引射器，通过对比不同负载下的阳极计量比进行评价。如下图所示，随着电流负载的减小，阳极的计量比会达到下限，即怠速。随着电流的增加，阳极计量比先增加后减小，在最大功率附近减小至计量比的下限。

最佳的引射器应该能够具有最大的功率范围，即能够循环更多的氢气。如下表所示，2号引射器是最佳设计方案。

3.4

氢气吹扫策略

吹扫因子的敏感性分析

所谓吹扫因子（Purge Factor）是指在吹扫过程中浪费的氢气比例。如下图所示，高的吹扫因子将会降低N2浓度，有利于耐久性；但同时增大计量比，不利于能耗。低的吹扫因子将会减小计量比，有利于能耗但降低耐久性。

吹扫因子的优化

如下图所示，优化的原则是：

①中低功率区域，在保证计量比在最优区域的同时，尽可能减小吹扫，以提高经济性。

②在高功率区域，可以适当增大吹扫因子，提高计量比至最优区域。

关于Gamma Technologies

Gamma Technologies（GTI）成立于1994年——享誉全球的整车/发动机仿真领域多物理场CAE系统仿真软件GT-SUITE软件开发商，位于美国芝加哥。GT-SUITE是一款用于车辆系统仿真、分析的CAE（计算机辅助工程)工具，为全世界所有主要车辆和发动机相关企业和研究、咨询单位使用，代表了该领域最先进的技术和开发方向。GT-SUITE丰富的物理场模型库，涵盖流体、机械、热、电、磁、化学和控制等各类模块。其模块化结构，可调高精度模型和开放接口，可支撑从概念设计到验证的全部开发流程。GT-SUITE用户广泛，应用范围遍布传统燃油车、混合动力汽车、新能源汽车、动力总成、传动系统、发动机、电动机、压缩机、催化器、化工、噪声分析、冷却和热管理系统、空调系统、液压系统、供油系统、润滑系统等各个工程领域。

2018年2月，Gamma公司收购美国EC Power旗下动力电池仿真软件AutoLion® ，通过提升既有的混合动力，纯电动汽车和燃料电池汽车等电气化强大能力，更加巩固了Gamma公司作为xEV 开发仿真供应商领先地位！欢迎向GT-SUITE亚洲地区独家代理商IDAJ公司（IDAJ日本/中国/韩国）进行咨询！

关于IDAJ

艾迪捷有限公司（IDAJ Co.,Ltd简称IDAJ），创立于1994年，是全球领先的数字工程领域MBD/CAE解决方案提供商。公司总部位于日本横滨，同时在全球多个国家设立子公司及合资企业。一直以来，IDAJ都将中国视为最重要的战略性发展市场，1997年便进驻中国。作为最早一批入驻中国的外资CFD公司之一，28年来IDAJ深耕技术服务领域，致力于本土化软件开发。我们结合客户软件环境，优化最佳仿真实践环境，助力本土客户成功完成大量工程咨询项目。目前，IDAJ的客户遍及汽车、船舶、航空航天、国防军工和能源电力等行业，以及众多知名高校和科研院所。如欲了解更多信息，敬请访问http://www.idaj.cn/。