热电联供是建立在能量综合梯级利用基础上, 将供电、供热、供水一体化的多联供能源系统, 旨在打破单一供能方式, 提高能源综合利用率^[1]。燃料电池作为第四代发电技术, 以其发电效率高、环境污染小、燃料范围广等优点逐渐应用于汽车、住宅、建筑等领域, 以燃料电池作为动力驱动装置是热电联供新的发展方向^[2]。燃料电池热电联供零部件之间集成性差, 不利于整机布置, 故燃料电池系统的模块化、集成化是燃料电池热电联供发展的技术方向^[3]。目前, 研究主要关注燃料电池的应用领域、系统设计及性能分析, 或燃料电池热电联供系统的设计、建模及仿真。我国燃料电池热电联供尚处于研发阶段, 国内空白、国外禁售、企业样机少, 针对用户需求进行的正向开发少。本文运用模态有限元分析^[4], 在UG NX 10.0仿真平台上对燃料电池系统各模块集成, 对热电联供用纯氢燃料电池系统主机架进行模态分析, 验证结构的稳定性和可靠性, 为氢能热电联供的正向开发奠定基础。

1 燃料电池系统模块化集成

燃料电池热电联供系统主要包括燃料电池系统、储氢系统、能源转换与管理系统及相关系统的辅助系统。图 1为燃料电池热电联供系统基本构架。

如图 1所示, 储氢系统中的氢气进入燃料电池系统与氧气发生化学反应产生能量, 并经过能源转换与管理系统将热能、电能运输到家庭中。其中燃料电池系统包括进气系统、燃料电池电堆系统、排气系统及燃料电池热管理系统；能源转换与管理系统包括热交换器、直流变换器、逆变器、储水单元等；相关控制器的冷却系统还包括散热器、主(辅助)水泵、膨胀水壶等。整套动力系统还包括水管路、空气管路、高(低)线束等。为降低集成的复杂程度, 对燃料电池系统及各零部件进行模块化设计^[5]。依据模块化设计理论, 通过模块的选择组装, 依据功能特点, 结合内部结构设计, 将燃料电池热电联供系统划分为燃料电池模块、储氢模块及散热模块三部分。图 2、3是10 kW燃料电池系统模块化集成外观与内部结构。

如图 2、3所示, 一层布置储氢系统, 便于拆卸燃料储罐及加放氢操作, 提高整体系统的安全性；二层布置锂电池系列, 作为燃料电池系统启动电源；三层布置燃料电池系统；四层布置散热系统。各层通过模块化集成更好的体现各模块的功能特性。

2 热电联供系统主机架结构仿真

模态分析和振动分析是动力特性分析的基础, 是分析系统固有特性和阵型的最重要方法^[6]。模态分析, 即分析频率、阻尼、模态振型等模态参数的过程, 一般应用在工程振动领域, 模态分析分为自由模态和工况模态两种, 每个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型^[7]。自由模态分析所得到的结构固有特性是在较少考虑边界约束条件下进行的, 其固有频率及振型更有利于结构的对比分析及优化设计。结构的固有频率是评价结构动态性能的主要参数, 当结构固有频率和工作频率一致时, 就会发生共振现象, 产生较大的振幅, 大大降低寿命。而固有振型是发生共振现象时结构的振动形式。本文采用UG软件构建三维立体模型, 利用有限元分析模块对主机架进行自由模态分析^[8]。

2.1 模型简化及约束

参数化建模能通过建立参数和约束来定义模型的几何形状和材质^[9]。主机架是燃料电池等各模块集成的机械支撑框架。主机架的设计需要在服务模块布置的前提下对模块布置进行要求限制, 二者相辅相成, 使主机架更加合理。为确保主机架的稳定性, 网格划分的精确性, 避免求解失真, 对热电联供用纯氢燃料电池系统主机架进行一定程度的简化, 并在简化模型的基础上添加约束条件, 忽略螺钉、圆角及各种固定孔, 建立合理有效的模型, 更精确快速的进行结构仿真^[10]。首先, 如图 4所示, 将蓝、绿、红方向分别设为ZC、YC、XC方向, 在底座分别施加YC、XC方向的固定约束, 限制了YC、XC方向的自由度；其次, 对主机架结构中的各部分钢管进行面对面粘连, 防止在所有方向有滑动趋势, 产生相对运动。图 4、5为简化模型添加底座固定点约束和面对面粘连约束。

如图 4所示, 添加底座固定点约束, 增强热电联供用纯氢燃料电池系统主机架简化模型的可靠性和安全性。如图 5所示, 将简化模型各部分钢管进行面对面粘连, 使燃料电池等各模块安全稳定的布置在模型上, 提高其稳定性和承载能力。

2.2 网格划分

网格划分, 就是将一个连续结构拆分成有限数量的区域, 这些区域成为单元, 它是有限元分析前处理的重中之重, 也是结构仿真的关键一步, 所划分的网格关系到有限元分析的规模、速度、精度以及计算的成败^[11]。在计算结构固有动力特性时, 若仅计算少数低阶模态, 可选择较少的网格, 若计算的模态阶次较高, 则选择较多的网格。图 6、7为有限元网格模型及局部放大图。

如图 6所示, 定义结构材料为碳素结构钢Q235, 其材料密度为7.85 g/cm³, 杨氏模量为206 GPa, 泊松比为0.3^[12]。在UG CAE模块对热电联供系统集成内部结构进行3D四面体网格划分, 单元格类型为CTETRA(10), 单元大小为5 mm, 模型共计357 390个节点, 237 213个单元。

2.3 模态分析

热电联供用纯氢燃料电池系统主机架是一个多自由度的弹性系统, 它也有无限多的固有振型, 而作用在主机架上的激励来自于空压机、水泵、传播路径方面的振动。试图在所有频率上消除作用在主机架上的激励, 与主机架的某些振型的共振是不可能的。因此, 只有将注意力集中在各激励的能量集中的频率上, 使之与所研究的主机架的某阶振型不发生共振^[13]。

2.3.1 固有频率与振型

由理论和实践可以发现, 低阶模态对主机架影响较大^[14]。因此, 对热电联供用纯氢燃料电池系统主机架进行模态分析, 提取前六阶固有频率和振型^[15], 不必标出全部固有频率及振型。表 1是前六阶固有频率与振型描述。图 8是前六阶频率对应的模态振型。

如图 8所示, 结构一、二、三阶模态振型为整体振型, 表现为顶部的相对位移；四、五阶模态振型为局部振型, 表现为一、二层横梁的弯曲, 这是由于此段在较长范围内横梁支撑力度薄弱所致, 从而导致刚度薄弱。在实际安装过程中, 此部位会安装储氢系统及锂电池, 可限制弯曲变形, 能够有效弥补该部位的刚度不足。六阶模态振型是复合振型, 表现为各层横梁处的相对位移。

2.3.2 结果分析

根据分析的结果和经验数据, 带边界约束的分析结果比较接近于实际情况, 故选取带边界约束的分析结果进行分析。对分析结果的衡量主要有:考量热电联供系统振动对热电联供用纯氢燃料电池系统主机架造成的疲劳破坏。

空压机转速额定为30 000 rpm, 频率500 Hz, 远超我们所研究感兴趣的前六阶频率, 启动过程, 空压机在控制策略上可以直接跳到6 000 rpm, 避开主机架振动范围。

主水泵最高转速为5 200 rpm, 频率87 Hz, 额定转速为3 600 rpm, 频率为60 Hz；辅助水泵最高转速为3 000 rpm, 频率为50 Hz, 额定转速为2 400 rpm, 频率为40 Hz；根据模态仿真图可以得出, 在频率分别为40 Hz、50 Hz、60 Hz时, 整个主机架在底部无较大偏移量, 主水泵与辅助水泵安装位置定在整个热电联供系统主机架的最底部为合理设计。

结合振动模型的分析数据, 为避免产生较大的振动, 与地面固定连接, 整体的振动会有较大改善, 系统的安全性可以得到很好的保障。

3 结语

本文用UG软件对燃料电池系统进行集成, 对热电联供用纯氢燃料电池系统主机架进行建模及仿真, 并应用UG软件的CAE模块对主机架进行模态分析, 通过自由模态分析掌握其固有频率及振型。在激励方面, 空压机通过改变控制策略等方式避免振动的产生, 水泵的频率在50 Hz左右, 安装在系统框架底部, 能够避免主机架的振动。研究结果为热电联供用纯氢燃料电池系统主机架的设计和制造提供重要的参考数据, 同时也为相关问题的深入研究奠定基础。