[01186939]燃料电池发动机仿真技术的开发及应用

1.任务来源 国家重点研发计划项目,国家自然基金优秀青年基金项目,校企合作项目 2.技术原理及性能指标 燃料电池发动机是一种以氢气/氧气为燃料/氧化剂的高效清洁电化学能量转化装置,其仿真技术面向的是涉及多尺度、多相流、多维度的复杂电化学热物理问题。从结构上看,燃料电池包括流道、气体扩散层、催化层、质子交换膜等不同尺度孔隙结构部件;从工作过程看,能量转换涉及质子、电子、气液、能量传输以及电化学反应等多物理过程;从系统运行角度看,燃料电池发动机是电堆、供气、热管理、加湿等子系统在复杂运行工况下对各辅助系统进行协调控制的过程。此外,燃料电池发动机仿真又可从一维、二维、三维等多个维度进行,通过解析内部运行机制,实现燃料电池优化设计及控制策略制定。 本项目针对单电池部件内多尺度、多相流动过程,开发了多孔电极真实结构重构及受压的气体扩散层结构重构方法,首次实现燃料电池格子玻尔兹曼真实气液物性参数（密度、粘性、表面张力等）的仿真;基于全电池多维度、多工况、全尺寸仿真技术,构建了质子交换膜燃料电池一维-两相流模型,应用于电极参数敏感性分析;开发了全电池“气-水-热-电”多场三维模型,实现了全电池仿真模型的自主化,打破国外CFD商业软件垄断;建立了考虑真实流场结构的“3+1”维高计算效率、高性能模型,快速评价流场性能。针对电堆-系统,搭建了涵盖电堆、供气、加湿与热管理模块的完善系统级瞬态仿真模型,阐明了电堆与辅助子系统之间的耦合水热传输机理及能量传递规律,提出了燃料电池发动机设计方案和控制策略。通过近10年的研究积累,形成了一整套系统的燃料电池发动机仿真技术体系,为其设计开发及产业化提供了理论和技术依据。 本成果提出的燃料电池仿真技术在国内外燃料电池仿真领域具有先进性。提出的基于VOF方法的流道和扩散层内两相流仿真技术,实现对流道湍流和液滴破碎过程的高精度仿真;建立了大尺寸复杂结构流场气-液-热多场耦合模型,设计了一系列新型流场;开发了三维全电池仿真技术,实现高精度及高效率的计算过程;提出车用燃料电池堆仿真技术,考虑了多种复杂动态工况运行条件,实现-30℃冷启动;建立燃料电池系统仿真技术,耦合了多种系统水热部件,提出了阳极循环的自增湿策略以及高效的阳极吹扫策略。 开发的仿真技术成功应用于上汽、捷氢科技PROMEM3H电堆和P390系统、宇通客车12款车型、新源动力HYMOD系列燃料电池模块产品,实现115kW的功率密度、3.1kW/L的体积功率,率先突破了小型汽车、重型牵引车大功率发动机的设计开发和验证,大幅提高了我国新能源汽车产业的国际竞争力,创造了巨大的社会价值和经济效益。 3.技术的创造性与先进性 提出基于VOF方法的流道和扩散层内两相流仿真技术,建立了基于格子玻尔兹曼方法燃料电池流道内传输过程仿真技术;开发了自主化多维度全电池仿真技术,实现高精度及高效率的计算过程;开发了高计算效率动态电堆-系统仿真模型,提出了各辅助系统协同运行的控制策略,提供了整套瞬态燃料电池堆-系统研究的仿真技术方案。 4.应用情况及存在的问题 本课题围绕燃料电池发动机仿真技术开发开展了系统深入研究,基于C++、OpenFOAM等开源软件对燃料电池部件、全电池、电堆及系统仿真技术进行深度定制,打破了国外CFD商业软件在燃料电池仿真方面的垄断,开发仿真体系已成功应用于上汽、捷氢科技PROMEM3H电堆和P390系统、宇通客车12款车型、新源动力HYMOD系列燃料电池模块产品,率先突破了小型汽车、重型牵引车大功率发动机的设计开发和验证,大幅提高了我国新能源汽车产业的国际竞争力,计算性能和准确度达到同类产品国际水平,创造了巨大的社会价值和经济效益。 尽管我国政府已投入大量资源发展燃料电池车,但是目前国内燃料电池车仍处于起步发展阶段,本课题发展的一系列燃料电池部件、全电池、电堆及系统深度定制仿真模型,已成为国内多家主流燃料电池车企及部件生产企业相关产品设计和研发的重要手段。 本课题研发的模型基于C++、OpenFOAM等开源软件自主编程,摆脱了商业软件的依赖,亦可兼容ANSYS、MATLAB等不同商业软件,具备可升级性和先进性,更利于在企业大规模推广应用,必将有巨大的应用前景,在节能减排、国民经济发展和社会生活中发挥重要作用。