燃料电池供氢组合阀仿真与拓扑优化研究

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燃料电池供氢组合阀仿真与拓扑优化研究　　摘要：针对燃料电池供氢系统管路集成和轻量化开展研究，提出了一种集成式组合阀，建立了该阀AMESim模型，仿真研究了阀设计参数与输出量之间的变化规律；以阀体轻量化为目标对阀体结构拓扑优化。结果表明，与原供氢系统相比，集成式组合阀系统体积减少了43%，具有0.3s的快速响应能力和2×10-4g/s的流量控制精度，拓扑优化后的组合阀质量减少了46.7%。　　燃料电池不受卡诺循环的效率限制[1-2]，具有高效率、低排放、高能量密度等优势。目前供氢系统较多采用多级阀门串联调节实现车载供氢。这种供氢系统存在管路复杂、结构分散、集成度低等问题[3]，导致车内空间利用率低、故障发生率高，进而影响氢气效率，而氢气的压力与流量调节程度对燃料电池堆的效率影响显著[4-5]，因此有必要对燃料电池供氢系统的集成化展开研究。14

1　　目前供氢系统组合阀方面相关研究不多，刘扬等[6]根据逻辑次序关系提出了一种组合阀结构，结构由电磁阀、减压阀、手动阀等组成，为更高压力系统的研制提供了参考经验，但其结构形式与供氢系统的配置调整依存度较大。丰田对阀组结构进行了改进，取消了不锈钢阀套，最终阀质量降低了25%，部件数量减少35%，但此举并未涉及供氢系统集成方面的相关工作[7]。郭志阳等[8]提出了一种组合瓶阀，包括压力释放装置、电磁阀模块以及高压压力传感器等，但管路需要单独的压力调节器实现降压，集成度相对较低。本文中针对1kW燃料电池堆，对适用于35MPa供氢系统的集成组合阀结构展开研究，并对阀体结构进行拓扑优化。　　1组合阀工作原理及结构　　1.1供氢系统工作原理　　燃料电池汽车对供氢系统具有较高的要求，主要体现在对氢气的控制精度与动态响应方面，现对1kW供氢系统提出如下性能指标[9]。　　(1)氢流量满足1kW燃料电池需求，额定流量0.016g/L，控制精度5×10-4g/L。　　(2)35MPa氢气减压稳压，额定压力0.05MPa，控制精度3×10-3MPa。　　(3)具有过流保护装置，当压力或流量异常时，能自动关断氢气供应。　　(4)检测阀体内部的氢气压力、温度。　　图1为供氢管路系统原理，35MPa氢气由1通过主减压阀2进行减压，氢气过滤网3保证氢气的清洁，定差减压阀4实现气体进一步降压，由于直动式电磁阀很难直接克服高压气体，将开关电磁阀5放置在远端有利于实现对氢气的控制，紧急时刻也能利用其通断功能切断氢气通道，保护电堆。14

2　　1.2组合阀结构设计　　图2为集成式组合阀3D模型，分别从强度、可靠性、集成度、加工制造等多方面综合考虑组合阀结构，将主减压阀模块、定差减压阀模块、开关电磁阀模块集成到主阀体内，实现集成式管路设计。14

3　　对摩擦副表面进行阳极氧化处理可有效避免不锈钢阀芯与铝合金阀体发生黏附和不良密封。采用SLM(selectivelasermelting)技术的400MPa拉伸强度铝合金[11]，利用金属3D打印技术实现阀体的加工。集成组合阀省去了管路的多段连接，令整个系统结构变得紧凑，密封点数量减少，可有效降低机械故障率，提高系统的可靠性。　　2组合阀数学建模14

4　　2.1气路模型　　针对满足1kW燃料电池对氢气的需求设计，为方便建模做如下假设：①气体遵循理想气体定律；②各节流口处的气体流动视为绝热过程；③忽略温度影响，环境温度为293K；④不计气体泄漏。　　2.2减压部分模块计算　　主减压阀与定差减压阀阀芯受力分别如图3(a)、(b)所示，阀芯运动方程满足式(9)：14

5　　2.3AMESim模型　　根据式(1)～(9)，在AMESim平台上建立组合阀模型如图4所示，各部分参数设置如表1。14

6　　2.4仿真结果14

7　　电磁阀控制信号频率f为100Hz，占空比d为55%。组合阀压力与流量稳态特性如图5(a)、(b)所示。当压力不断降低，减压阀出口压力保持在2MPa附近，入堆压力也稳定在0.05MPa，精度达到了±2.5×10-3MPa；质量流量为0.016±2×10-4g/s。14

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9　　当f不变d增加，压力与流量呈现如下规律：0%～20%为零位死区；20%～80%为快速增长区；80%～100%为阀门死区。分析发现，存在2次死区的根本原因在于占空比的极小与极大极易造成阀芯静止不动，从而导致输出量不发生改变。因此可利用20%～80%的有效区间对组合阀的输出量进行大范围快速调节。　　综上，在不同的f与d组合下，能够实现入堆压力与流量的调节，这对将来组合阀的精确控制提供了一定的理论依据。　　3阀体的拓扑优化　　3.1拓扑优化理论基础14

10　　拓扑优化理论中对于形状较为复杂的零件一般采用连续体拓扑优化方法。本文中采用密度函数差值模型SIMP[15]((solidisotropicmaterialwithpenalization)将材料的刚度与相对密度联系起来，插值模型如式(10)：　　3.2模型与边界条件的建立　　采用SolidWorks进行建模，将IGS文件导入Workbench中进行前处理，采用CFD物理场、Fluent求解器进行网格划分，节点1179908个，单元845061个，平均质量达到0.835，结果较为满意。14

11　　进行求解之前需对阀体进行载荷与约束的施加，即边界条件的确定。阀体受到来自安装位置的全约束，受到内部氢气与弹簧等作用力。根据燃料电池堆的工作环境，可将供氢系统分为零流量、小流量与大流量3种状态，分别代表氢气切断、低速稳定输出、加速大功率输出3种工况，各工况的权值平均化，即ω1=ω2=ω3=1/3；柔度目标函数和频率目标函数的权值同样平均化，即λ=1/2；惩罚因子q=2。　　3.3优化结果　　利用Workbench拓扑优化模块进行阀体拓扑优化，优化结果与模型重构分别如图8、图9所示。　　图10表示了优化前后的阀体应力应变云图，可以看出最大应力点降低，总应变非常小，阀体强度得到保证。表2为阀体优化统计结果。14

12　　4结论　　对燃料电池供氢系统的集成化展开研究。结果表明，组合阀使系统体积与质量分别降低36.6%、28%；AMESim仿真结果显示，输出压力与流量稳态精度分别达到2.5×10-3MPa、2×10-4g/s，具有0.3s的快速响应能力；改变电磁阀的频率与占空比可对氢气压力与流量进行不同程度的调节；对阀体的拓扑优化使质量与体积得到了进一步降低。受35MPa实验条件的限制，今后可采用低压试验进行进一步研究工作。14

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