目前產業總體上對燃料電池汽車設計及應用中的安全性要求欠缺，為了進一步提升燃料電池汽車的安全性，江蘇大學燃料電池發動機研究所尹必峰教授團隊使用Cradle CFD對車載儲供氫系統進行了氫氣泄漏與擴散研究，本項目不僅為燃料電池車通風結構的安全設計提供參考依據，并為快速排出氫氣提供保障，有效增強了燃料電池汽車安全性能，對于保障生命和財產安全具有重要意義。

針對燃料電池車，研究車載儲供氫系統氫氣泄漏與擴散機理和特性，通過CFD數值仿真對儲氫艙內的流場、氫氣摩爾分數、壓強等進行分析，從而為氫氣傳感器的布置提供理論依據，幫助駕駛人員和ECU在短時間內對供氫系統進行切斷，避免更多的氫氣泄漏。同時建立一套在多樣化場景和高效工況下均能工作的漏氣檢測與定位系統，以提高氣體泄漏事故的防御水平，確保公共安全和環境保護。

設計挑戰

01. 性能與安全

（1）提高燃料電池車氫氣泄漏通風結構的設計；

（2）提高強制通風下旋轉機械結構的設計；

（3）保證燃料電池車內氫氣摩爾分數處于安全值（小于4%）；

（4）部件的耐久性/疲勞（供氫管道、氫氣瓶等）。

02. 精確性與優化

（1）傳感器的布置與位置優化；

（2）旋轉機械噪聲優化；

（3）傳感器響應時間優化與算法優化。

設計案例

01. 優化通風結構

當發生意外情況導致氫氣泄漏后，需要研究自然通風下通風結構的安全設計對于排氫的影響，分析高壓氫氣泄漏與擴散的規律?？紤]外流場以及內流場對于氫氣泄漏的影響，以及設計通風柵格形狀對于排氫性能的影響。

02. 優化排氫風扇

研究強制通風下排氫風扇的位置和結構參數，使儲氫艙內部的氫氣快速下降，控制在可燃極限4%氫氣摩爾分數以下，防止氫氣泄漏帶來的危害。

通過Smartblade插件對葉片的結構進行修改，在Cradle scflow中對排氫風扇進行不連續網格設置，最后求解并在后處理中得到氫氣泄漏的相關云圖和數據。此外還可以使用Odyssee軟件的算法對于風扇參數進行優化與驗證。

03. 泄漏點判定以及傳感器布置

滿足多場景多工況下的氣體泄漏的高效精確檢測與定位需求。研究燃料電池車不同環境條件下（封閉、半封閉或開放空間）的漏氫場景，提出可靠的檢測與定位方法，以確保對氫氣泄漏的及時響應與準確定位。借助多傳感器融合技術，致力于從不同傳感器的數據進行綜合分析，以提高漏氣檢測的準確性和可靠性，更全面地了解氫氣的泄漏和擴散情況。采用先進的數據處理技術和模型優化算法，以提高對氫氣泄漏的準確性。機器學習和深度學習等優化算法將被運用于識別氫氣泄漏，實現對復雜環境中微弱信號的敏感采集，并通過混淆矩陣得出預測的效果。同時開發實時漏氫定位系統，包括利用傳感器網絡和定位算法，快速準確地定位漏氣源，并提供實時報警信息，有助于迅速采取必要的安全措施。

04. 選擇Cradle CFD仿真的理由

首先Cradle CFD的scflow前處理非常強大，基于CAD模型，無需模型修復，直接基于voxelfit網格劃分，同時局部體加密設置非常靈活，易于操作；

其次Cradle CFD有專門設計優化風扇的Smartblade模塊，Smartblade模塊可以自動全參數化生成風扇外形，自動計算，風扇自動化設計工具，生成模型→流場分析→修改模型→結果后處理一系列操作可實現自動化，能夠大大縮小CFD驗證以及后續優化。并且scflow與Odyssee機器學習模塊具有良好的兼容，還具備后處理機器學習嵌入版，可以實時預測不同變量下的計算結果，對于仿真優化提供強大數據支撐。

最后Cradle CFD具有強大的后處理模塊，對于仿真結果可視化，內部流場，組分濃度，可生動形象的展示出來。

總結與展望

后續可以使用Cradle CFD繼續進行以下研究 ↓↓↓

(1) 優化氫氣存儲和輸送系統

通過CradleCFD軟件幫助優化氫氣存儲和輸送系統的設計，減少泄漏風險并提高系統效率。通過模擬分析不同管道、儲罐、閥門等組件的氣流動態，可以優化系統的布局和操作方式，降低泄漏的可能性。

(2) 氫氣擴散導致的爆炸現象和風險評估

模擬氫氣在空間中的擴散行為，以評估泄漏對周圍環境和人員的影響。通過模擬可以復現氫氣泄漏產生超壓爆炸的場景，為安全管理和應急響應提供參考。

(3) 高壓氫氣泄漏與擴散

模擬和優化新型高壓氫氣存儲技術的設計，如高壓氫氣儲罐（35MPa及70MPa）、高壓氫氣管道等。通過模擬分析不同設計方案的氣流動態和泄漏風險，可以指導新技術的研發和應用。

(4) 液氫的泄漏與擴散

希望CradleCFD在材料中加入液氫，并且加入液氫閃蒸模型，實現液氫的泄漏與擴散。也希望CradleCFD能設置連續體以便模擬液氫流動、傳熱、傳質等現象。

*改變數模后前處理要重新設置參數，很多案例參數只需要微改，希望CradleCFD設置一種前處理參數保留功能，提高效率節省時間。

關于江蘇大學燃料電池發動機研究所

江蘇大學燃料電池發動機研究所于2019年9月成立，充分利用整合資源，形成了具有基礎研究、高技術創新、人才和權威評價功能的研究機構。以車規級燃料電池發動機為目標，通過高性能長壽命新型關鍵材料研發、關鍵部件技術攻關、智能化集成技術創新研究，突破發展瓶頸，大力研發并獲得有自主知識產權的燃料電池發動機整機及核心零部件技術，使研究所成為研究成果向應用轉化的有效渠道，起到產業技術自主創新能力的重要源頭和強力支撐平臺的作用，促使我省在相關領域獲得技術領先地位，形成國內新能源動力系統研發群體和相關專業技術人才培養基地。

研究所現為中國內燃機學會燃料電池發動機分委會理事單位，專職研究人員包括教授5人，副教授5人，外籍講座教授2人，江蘇省產業教授1人，全日制在讀博碩士研究生30余人，為我省在先進新能源汽車領域重要的研發力量，承擔和參與國家、各部委和地方縱向研究項目，同時與省內各科研機構、大專院校、企業單位開展廣泛的合作。