基于新型复合可调喷射器的的高功率车辆燃料电池氢气供应系统的建模与动态响应优化

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Modeling and dynamic response optimization of high-power vehicle fuel cell hydrogen supply system based on novel composite adjustable ejector

本研究提出一种新型复合可调喷射器，结合PID-PCA控制策略，优化了200kW PEMFC系统的氢能供应效率，动态响应提升45.5%，功率覆盖扩展至93.25%，并有效控制氮气渗透。

　　在当前全球能源结构转型的背景下，传统化石燃料的不可持续性以及由此引发的环境问题促使了清洁能源技术的不断迭代发展。氢能源以其燃烧产物零碳化和高能量密度等核心优势，逐渐成为突破能源困境的重要途径。作为氢能源利用的核心载体，质子交换膜燃料电池（PEMFC）在工程应用中展现出卓越的性能，其热力学循环效率远超内燃机，功率密度可达传统内燃机的3至5倍，工作温度低至80℃，且整个生命周期的碳排放接近于零。这些特性使其成为交通运输领域内燃机的有力替代方案。因此，许多国家开始制定时间表，逐步淘汰燃油车辆，并将氢燃料电池车定位为未来全球发展的关键技术之一。

在PEMFC系统的工程应用中，氢循环装置的效率直接关系到系统的可靠性和能量转换效率。其选择需要根据系统规模和运行条件进行多维度匹配。相比于依赖机械传动或电化学驱动的循环泵，喷射器因其快速响应、低噪音和结构简单等优点，被认为是高功率燃料电池系统中极具潜力的解决方案。然而，传统固定几何喷射器的性能受到其狭窄关键运行区间的影响，难以满足高功率系统对全工况覆盖的需求。因此，开发高功率可调喷射器成为必然趋势。

已有研究表明，许多学者主要通过优化喷射器的几何结构来提升其性能，如调整扩散器长度和角度、喷嘴出口位置以及混合室长度等。然而，这些研究多集中于喷射器组件层面的性能优化，而忽视了其对燃料电池系统整体性能的影响，也缺乏系统级的匹配特性分析。此外，大多数研究未充分考虑喷射器内部的相变现象以及系统中氮气渗透的影响。这导致了现有喷射器在高功率燃料电池系统中的应用仍面临诸多挑战，如调节范围有限、控制策略复杂、系统响应速度慢等问题。

在系统建模方面，一些学者尝试通过集成COMSOL和Simulink的三维仿真框架来分析基于喷射器的PEMFC系统中氢气供应的稳定性。随后，一些研究基于一维喷射器模型构建了氢气供应系统，并系统探讨了喷射器关键几何参数与燃料电池动态运行条件之间的耦合机制，以及这些参数对氢气吸入比和过量比的影响。然而，这些模型未能充分考虑实际运行过程中喷射器内部的相变现象和氮气渗透效应。在控制策略方面，也有学者提出基于喷射器的氢气供应系统，采用状态反馈控制方法对阳极压力进行调节，以应对PEMFC系统中可能出现的阳极淹水问题。此外，一些研究还结合模糊逻辑控制器和前馈补偿技术，以提高氢气供应系统的动态响应能力和鲁棒性。然而，这些控制策略主要针对低功率系统，未能有效应用于高功率场景。

随着对高功率燃料电池系统需求的增加，研究重点逐渐转向可调喷射器的开发。一些学者提出了可调喷射器的结构设计，通过引入可变位移的针阀和PID控制电子单元，实现了对喷射器出口位置和有效面积的调节，从而提升了系统的调节能力和运行效率。例如，Brunner等人提出了一种可调喷射器，实现了58.80%的功率覆盖（7–17 kW），其压力响应时间约为4.8秒。Jenssen等人则设计了一种结合级联阳极和可调喷射器的氢气回收模型，以提高低功率条件下的氢气利用效率。Jiang等人通过建模可调喷射器并分析针阀形状对吸入性能的影响，进一步扩展了喷射器的运行范围。Song等人则开发了一种双喷嘴喷射器，通过计算流体力学（CFD）分析，使其功率覆盖率达到约80%。Singer等人提出了一种新型脉冲喷射器-喷射器单元，利用脉宽调制技术实现氢气供应的精确控制，从而提升喷射器的吸入性能。尽管这些研究在一定程度上改善了喷射器的性能，但大多数仍局限于组件层面的优化，缺乏对系统级动态响应特性和控制策略的深入研究。

近年来，一些研究尝试将可调喷射器应用于高功率燃料电池系统，以解决传统喷射器在调节范围和控制策略方面的不足。例如，Chen等人提出了一种基于可调喷射器的控制策略，用于固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统，显著提升了系统的响应速度和效率，并扩展了可控范围。Le Tri等人则设计了一种基于针阀的可调喷射器，通过PID控制维持阳极与阴极之间的压力差，实现了100 kW PEMFC系统中全工况下的关键状态运行和自湿化功能。Liu等人设计了一种适用于重型卡车的可调喷射器，通过优化混合效率，使其功率覆盖率达到90.90%（10–110 kW）。Seth等人则基于移动针阀的概念设计了一种可调喷射器，通过CFD优化，使其功率覆盖率达到83%（17–100 kW）。此外，一些系统结合了双喷射器或喷射器与循环泵，以实现88%至90%的功率覆盖率。然而，这些系统仍存在体积和重量较大、模式切换不稳定以及控制策略复杂等问题。

综上所述，现有的研究主要集中在可调喷射器的结构优化和单参数几何调整上，缺乏对系统级控制策略和相变、氮气渗透等关键因素的综合考虑。因此，本文提出了一种全新的复合可调喷射器，旨在实现对喷射器出口位置和有效面积的同时调节，从而提升系统的调节能力和运行效率。该喷射器结构更为紧凑，能够满足高功率燃料电池系统对全工况覆盖的需求。同时，本文还引入了一种结合PID与压力控制算法（PID-PCA）的控制策略，以实现氢气供应的快速、准确和连续控制。通过模拟优化，实现了针阀位移的线性控制，并构建了精确的吸入比预测模型。最后，通过PID-PCA策略评估了200 kW PEMFC氢气供应系统在变载工况下的关键性能参数的动态响应特性，从而进一步扩展了喷射器的功率覆盖范围。该研究不仅填补了高功率PEMFC氢气供应系统中“组件-控制-系统”协同优化的研究空白，也为未来氢能源技术的发展提供了新的理论基础和实践方向。