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引射器需要知道的事项

发布时间:

2021/09/15 00:00

氢引射器:为了进一步降低燃料电池发动机系统的成本造价,同时提升功能效率,经过多项研究、反复试验,最终推出新型氢引射器方案。

为了进一步降低燃料电池发动机系统的成本造价,同时提升燃料电池发动机系统的功能效率,经过多项研究、反复试验,最终推出新型氢引射器方案。

文中针对电动汽车PEMFC氢气循环系统进行了引射器特性研究与建模,基于计算流体力学仿真探究了引射器内部流场特性,揭示了不同压力工况下引射流体入口直径、流体入口直径及混合流体出口直径对引射系数的影响规律,得到以下结论。

取得了多项技术成果,对燃料电池各子系统和相关零部件进行评估及优化,极大地提高发动机性能及稳定性;承接集团降氢耗战略项目,目前氢耗降低10%;自研核心零部件引射器与分水器;对外公开了一代VISTAH-130E发动机产品,拥有率、低氢耗等优异性能;在武汉、京山等夺得多笔氢能公交及环卫车订单,部分已实现了落地运营。

电堆的参数如表2所示,阳极入口氢气质量流量mH2,in即为用于引射器结构计算的流体质量流量GP。引射器结构参数的计算结果见表3。

燃料电池电动汽车是新能源汽车的重要发展方向,燃料电池作为整车的核心能量单元,其性能直接影响车辆经济性、动力性及可靠性。氢气循环系统中,引射器是燃料电池的重要功能元件,文中首先基于设计法对引射器进行结构设计与建模,然后开展了引射流体的流场分析,基于分析结果探究了引射性能的关键影响因素。结果表明,在不同压力工况下,引射系数与流体入口直径呈抛物线趋势,引射系数与引射流体入口直径正相关,引射系数随混合流体出口直径的增加呈现先增后减的趋势。基于上述影响规律对引射系数进行优化,可使引射器回氢性能提高13.55%,改善了燃料电池的氢气利用率,进一步完善了引射器结构优化与引射特性研究。

回流泵为控制部件,会产生额外功耗同时故障率较高,而引射器为被动部件,相同条件下系统净功率增加,氢耗降低。现有市场以回流泵为主,引射器以外采为主,主要在进行样件测试阶段。

文中采用引射器设计法,基于80kW工况对PEMFC电堆进行结构设计。工况参数如表1所示。根据电推参数求出引射器结构设计所需的流体质量流量GP后,即可结合工况参数,利用经验公式计算出引射器的结构尺寸。结构参数包括流体喷嘴截面尺寸、等容混合室截面尺寸、引射器轴向尺寸等。

燃料电池发动机氢气路方式分为回流泵与引射器模式,正常情况下,氢气给予过量,因此需要回流供给,回流的氢气与新氢氢气汇合一起进入电堆。

引射器的数值计算采用k-ε模型的修正方程,即RNGk-ε模型,基于N-S方程组的再归一化,能更好地预测引射器内部流动情况以实现结构优化。假设流体为稳态可压缩湍流,引射器管壁为绝热壁面,流体与引射流体均为理想气体,忽略重力影响且无化学反应发生,则引射气体控制方程为:

通过流体力学仿真得到引射器中间对称截面的压力、速度云图分别如图5、图6所示。流体喷嘴处压力势能转换为流体动能,流体速度在收敛喷嘴处迅速增大,变为超音速,压力值降至时喷嘴出口流体速度达到峰值。在高速射流的卷吸作用下,引射流体与之混合并发生动量交换,高速射流速度降低,引射流体速度增加。形成的混合流体经混合室后速度逐渐降低。通过图6可以看出,引射器中间对称截面的速度分布是非对称的,相应地计算出引射器轴线上的压力、速度变化。

本公司自主研发组合分配引射器,利用不同大小引射器通过逻辑控制组合,加持全工况系统控制策略,可实现流量无级调节,避免目前市场上引射器适用工况窄的缺陷。且拥有自主知识产权,利用机械引射结构替代氢气循环泵,从而减少做功、提升效率、降低系统成本、延长使用寿命。

氢气引射器,是一种组成氢气循环系统的关键部件。如果将燃料电池发动机比喻成,氢气循环系统就是,用来辅助氢气循环,达到的动力输出效果。

基于商用车的应用场景,要做高耐久长寿命的系统,首先基于电堆的特性做策略控制,其次基于系统层级做可实现的故障诊断方法。现有的产品特点,将引射器+分水器、阀体进行了集成;现在的系统产品主要围绕自主开发的石墨板电堆,系统功率覆盖范围60-130kW,基于金属板电堆的系统正在开发中。

21日,主营燃料电池系统的官微发布消息称,为了进一步降低燃料电池发动机系统的成本造价,同时提升燃料电池发动机系统的功能效率,经过多项研究、反复试验,最终推出新型氢引射器方案。

气循环系统见图2,在过程中,通过供应过量氢气的方法来保证输出功率稳定。随着燃料电池内部反应的进行,电堆阳极废气中包含水和一定量未反应的氢气,利用水气分离装置将残余氢气分离出来并传输至引射器。引射器可利用高压氢气产生负压进而回收未反应的残余氢气,且不产生额外的寄生功率。供应的高压氢气从引射器喷嘴喷出后进入混合室,高速气流卷吸流动形成低压区,在压差的作用下,引射残余氢气与之进入混合室,均匀混合后从出口排出,参与电堆阳极反应。

在氢循环技术路线上,目前国内有三种应用方案:采用单一大排量氢气循环泵方案、采用氢气循环泵+引射器、采用引射器方案。在大功率发展趋势下,目前多数研发大功率系统的厂家在氢循环系统方面选择的技术路线是氢气循环泵+引射器,并表示这一技术路线在满足超大功率系统上基本不存在什么问题。

引射器的结构参数对于流体特性有显著影响,进而产生不同的引射效果。以引射系数为评价指标,基于CFD模型进一步研究不同压力工况下引射特性的影响规律。

引射器流体为理想氢气,进口边界条件按总压力进行设定;引射流体入口与混合流体出口的边界条件设定为恒定压力边界,具体设定值参照表1。流体的流态为稳态湍流,且为可压缩的理想状态。初始情况下,湍流强度为5%,温度为298K,设定参数残差小于10-5时收敛。

氢气循环泵是我国主流的氢气循环产品,如果将电堆比作燃料电池的,那么氢气就是燃料电池的,而氢气循环系统就是,保障的自由流动。氢气循环产品主要包括氢气循环泵和氢气引射器,与氢气引射器相比,氢气循环泵在主动可调节、快响应速度和宽区间等方面占有一定优势。在2020年以前,德国厂商占据国内氢气循环泵90%的份额,近年来,国内山东、开始小批量供应氢气循环泵,市场占比在不断提升。

项目从概念设计、系统指标测试、参数提取、引射器设计、引射器加工、引射器测试等流程,历时3个多月,在自研电堆80kw系统上取得成功。

当引射器时,如果混合管粗糙或有毛刺,当气流通过时会产生噪音。此外,在组装喷嘴时,出口截面应与引射器的喉部有一定的距离,喷嘴的中心线应与混合管的中心线一致,否则会导致偏移或交角过大,不利于空气的一次吸入和噪音。

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