车用燃料电池引射器设计及测试评价方法研究

在研究开发车用燃料电池引射器时,湿氢流量监测困难、台架技术难度大、试验成本高,并且存在安全隐患和能源浪费问题。为此,在推导空气与氢气、空气与100%RH的氢在相同工作条件下的流量变化关系式的基础上,针对110 kW燃料电池,试制引射器进行空气和氢气测试,并结合数值仿真分析。结果发现:车用燃料电池引射器引射流体中水蒸气质量分数达到40%~50%;在相同工作条件下,空气与氢气的体积和质量流量分别等于其气体常数比值的平方根和比值倒数的平方根,其中空气与氢气的体积和质量流量之比分别为3.786和0.2641。工作、引射和混合流体质量流量的空气实测与仿真数据之间的平均相对误差分别为4.48%、4.54%和2.78%;空气实测数据经折算后与氢气测试数据相吻合,与湿氢的仿真数据平均偏差率分别为5.4%和6.11%;氢气测试数据经折算也与湿氢仿真数据相吻合。因此,空气测试数据经处理可以用于车用燃料电池引射器特性研究。

基于Python的质子交换膜燃料电池引射器自动仿真设计

质子交换膜燃料电池(PEMFC)引射器设计通常需经过结构参数计算、计算域建模、网格划分和数值模拟等步骤,并经过多轮迭代得到一个性能较优的设计方案,所需时间成本较高。针对PEMFC引射器,通过Python编程语言将以上功能进行集成,自动计算引射器结构参数,并调用OpenFOAM软件中的blockMesh工具进行计算域建模、网格划分,以及rhoSimpleFoam求解器进行数值仿真验证,形成一套参数化的自动仿真设计工具。研究表明,该工具可显著提高PEMFC引射器设计开发的速度,从而促进汽车工业的发展。

结构参数不同优化方式对氢燃料电池性能影响

为了提高质子交换膜燃料电池系统中引射器的性能,采用CFD模拟的方法对引射器的三个关键几何参数进行了模拟分析。此外,比较了单一参数分析下最优参数组合、最优优化顺序的参数组合、正交分析得到的参数组合对引射器性能的提升。结果表明,使用正交分析得出的引射器最优参数组合分别相较其他两种性能提升了13.6%和7.5%,该研究为引射器结构参数的优化提供了一种新的思路,对引射器的设计和应用有一定的参考价值。

质子交换膜燃料电池引射器的设计及验证

为提高质子交换膜燃料电池系统引射器的引射性能,基于一款燃料电池系统的阳极氢气循环需求设计了一款引射器,并通过搭建CFD仿真模型,以引射器的5个关键参数为变量,结合燃料电池系统氢气子系统实际工况,分析引射器的关键尺寸参数变化对引射器性能的影响,获得了最优的引射器尺寸参数。以仿真优化结果为基础试制了一个样件,同时试制了4个对比样件进行对比测试。结果表明:混合段直径、喷嘴与混合段距离、混合段长度3个设计参数对引射器性能的影响最大,混合段直径、喷嘴与混合段的距离对应不同工况都有一个最优值;引射器二次侧入口氢气中含有的大量氮气和水蒸气,对引射器的计量比有很大的影响;相比之下,仿真优化后的引射器在不同工况都具有最优引射性能。

甲醇喷射器腐蚀磨损性能研究

相比传统的汽油及柴油,甲醇燃料腐蚀性更强。甲醇喷射器材料的耐腐蚀性决定了喷射器的工作可靠性,对甲醇喷射器结构和工作原理进行介绍,同时对甲醇喷射器关键运动副材料进行耐腐蚀性研究,最后对甲醇喷射器进行可靠性试验验证,为甲醇发动机应用和推广提供一定的借鉴。

大功率PEMFC氢气系统建模与仿真

针对大功率车用燃料电池发动机的氢气系统进行建模,基于MATLAB/Simulink平台搭建氢气系统核心部件模型及其控制模型,并集成氢气系统整体模型,基于该模型进行2种常见汽车行驶工况—CLTCP和NEDC工况的动态仿真,结果表明,所建控制模型能较好保证阳极入口压力满足工作压力需求,并将阴极和阳极的压差维持在0.02 MPa,2种工况的氢气利用率分别为99.67%和99.76%,表明该模型可以用于大功率车用PEMFC系统开发。

低功率烟叶烘烤甲醇燃烧器引射性能分析

甲醇作为液态清洁能源,是实现烟叶等农副产品智慧绿色烘烤的有效途径,但在烟叶烘烤的不同阶段热量需求变化大,导致现有低功率甲醇燃烧器稳定性及环境温度适应性差。为此,以低功率烟叶烘烤甲醇燃烧器为研究对象,采用数值模拟方法分析甲醇燃烧器引射性能,研究不同燃料质量流量下,喷嘴直径、喷嘴位置、扩压管长度、喉管长度、一次风入口直径对燃烧器引射性能的影响。研究发现,引射器摩尔引射系数与喷嘴直径呈负相关,与一次风入口直径呈正相关。基于对各结构参数的分析,得到甲醇燃烧器引射器的改进结构参数。当燃料入口质量流量在0.68~9.20 kg/h之间时,改进后的燃烧器摩尔引射系数维持在1.95~4.41之间。与改进前相比,引射器平均摩尔引射系数提升49.7%。同时,改进后的引射器具有较好的温度适应性,在较低燃料温度和环境温度时,仍能确保引射器出口温度高于甲醇燃料露点温度,有利于甲醇燃料的稳定燃烧。

120kW级燃料电池可变喉口引射器的设计及特性

引射器是质子交换膜燃料电池氢气循环系统中的关键部件,依靠超音速流动的射流工质实现阳极排气的再循环。传统的固定结构引射器通常针对电堆额定工况设计,工作在非设计工况时性能较差;而可变喉口引射器可以动态地改变其喉口大小,有效扩大其工作范围。基于Sokolov设计理论,搭建了引射器的一维模型并探究了其工作特性,在此基础上提出了一种可变喉口引射器的设计方法。研究结果表明,引射器的工作特性主要受其操作压力、喉口直径和混合室直径影响;通过缩小喉口、提高工作流体压力可以使工作喷嘴保持临界状态,这对大负载下的引射性能影响较小,但能够有效提高电堆小负载下的引射比,并使引射器的工作范围向小负载扩展。

氢燃料电池引射器结构参数优化研究

针对影响氢燃料电池引射器性能的结构参数太多导致其难以优化的问题,以额定工况下氢燃料电池引射器为研究对象,提出一种基于两次正交试验设计的引射器结构参数优化方法。首先,建立CFD分析有限元模型,并进行试验验证,对影响引射系数的全部结构参数进行第1次正交试验,运用Fluent软件进行求解,通过极差分析确定各结构参数对引射系数影响的主次顺序;其次,对影响引射系数的主要结构参数进行第2次正交试验,应用极差分析法快速得到最优的结构参数;最后,对优化后的引射器进行模拟仿真,获得了最大的引射系数为2.455,并经试验验证了模拟结果的准确性。研究结果表明,经过两次正交试验设计,可以减少引射器结构优化的试验次数,提高燃料电池引射器的引射系数,为引射器结构参数的优化研究提供了参考,具有指导和借鉴意义。

基于EBF神经网络的引射器结构参数优化

为提高氢燃料电池引射器的性能,以额定工况下氢燃料电池引射器为研究对象,提出一种基于椭球基(EBF)神经网络模型和非线性序列二次规划(NLPQL)算法的引射器结构参数优化方法。基于正交试验,建立EBF神经网络模型,描述引射器结构参数与引射系数间的非线性关系;通过引射系数模拟值与代理模型预测值的对比以及复相关系数,验证了代理模型的精度;最后,应用NLPQL算法进行全局寻优,获得使引射系数最大的结构参数组合,并进行模拟验证。研究结果表明:基于EBF神经网络和NLPQL算法,提高了燃料电池引射器的引射系数,相对于正交试验方案最大值,引射系数提高了3.9%。基于正交试验设计和EBF神经网络的方法,可以扩大引射器结构参数研究范围和水平,节约CFD模拟计算时间。

燃料电池动力系统引射器辅助优化研究

燃料电池动力系统依靠其核心配套设备氢氧介质循环泵向电堆持续供应燃料与氧化剂,在循环管路中加入引射器辅助增压既可以有效利用高压气体的能量,又能够降低氢氧介质循环泵耗功量。对氢氧介质循环泵与引射器的热力过程展开研究,并对引射器辅助优化方案进行了理论计算与CFD仿真。对不同计算方法得到的结果进行对比和分析,以供此类产品设计参考。

PEMFC全功率变流量喷射器流场特性研究

针对质子交换膜燃料电池全功率氢循环对喷射器变流量的需求,提出并设计了不同嵌套方式的四喷嘴喷射器,以实现不同工况下变流量性能。为研究不同嵌套方式喷射器的流场特性及其循环性能,采用计算流体力学方法对喷射器进行建模和分析。结果表明,部分嵌套喷射器的内部流场比全嵌套喷射器的内部流场稳定;当二次流压力和背压不变时,一次流压力从6 bar(1 bar=100 kPa)增加到10 bar,部分嵌套喷射器引射比先上升后下降,在压力为7 bar时存在最大值;而全嵌套喷射器引射比是下降的趋势,通过与实验数据的比较,部分嵌套喷射器具有更优的性能;最后通过多喷嘴PWM逻辑控制,实现了170 kW燃料电池全功率变流量拟线性调控性能,满足燃料电池在变功率运行下的氢循环需求。

无人机燃料电池氢循环引射器设计及流动性能研究

氢燃料电池无人机发展迅速,但无人机结构紧凑气源容量有限,如何提高氢气利用率,进一步增强续航能力是一个亟待解决的问题。针对该问题,本文设计了引射循环系统,将排空的氢气进行回收利用,以提高氢气利用率。以典型的1.7 kW无人机燃料电池为例,采用计算流体力学方法设计了氢循环引射器,并进行性能分析,揭示了不同工况下内部流场特性。结果表明在二次流压力与出口压力压差为10 kPa时,一次流压力在300~700 kPa的范围内具有良好的引射性能。同时研究了关键结构参数喉嘴面积比(AR)和不同工况对引射性能的影响,研究表明,最佳AR随一次流压力变化而变化,统筹考虑本文选择AR=16,满足了不同工况下的全局最优引射性能,氢气利用率最高提升了30.3%,进一步延长了无人机的续航能力。

具有喷射制冷的SOFC/TRCC电冷联供系统4E分析

提出了一种通过跨临界CO_(2)循环(TRCC)和喷射制冷循环(ERC)回收固体氧化物燃料电池/燃气轮机(SOFC/GT)余热的新型电冷联供系统.在工程求解器(EES)软件环境下建立了系统的数学模型,从能量、㶲、环境和经济(4E)的角度对系统进行研究,分析了关键参数变化对系统性能的影响.结果表明:联供系统在设计工况下净输出功率为272.874 kW,可向用户提供15.785 kW冷负荷,系统总成本为0.288 8元/(kW·h);系统总发电效率、总㶲效率和能源综合利用效率分别为68.12%、66.60%和72.06%;增加燃料利用率或提高SOFC入口温度和增大TRCC透平入口压力都可提高联供系统的㶲效率,当空燃比达到10.88时,系统㶲效率达到最大值66.94%;增大燃料利用率和SOFC入口温度或降低TRCC透平入口压力可降低系统总成本,在空燃比为10.57时达到最小值0.280 8元/(kW·h).

氢燃料电池系统多喷嘴氢气引射器的特性仿真与过程策略

氢气引射器由于体积小、成本低、低功耗、无噪声等优点,是代替氢气循环泵的有效方案。针对单喷嘴引射器作用范围狭窄的问题,提出了多喷嘴氢气引射器的设计,满足燃料电池系统全功率强变载的需求。利用gFUELCELL仿真建模平台,研究了四喷嘴引射器的引射特性及动态拉载过程中电堆内物理场变化,并对搭载四喷嘴引射器的150 kW燃料电池系统的过程策略进行了优化。研究结果表明:与单喷嘴引射器相比,四喷嘴引射器可以覆盖8~153 kW电堆工况范围,实现燃料电池系统运行从怠速到峰值功率的全覆盖。

引射器二次流入口结构对引射性能的影响

作为五部委联合发布八项核心技术之一,氢气循环系统技术路线逐渐从氢气循环泵转向引射器。然而,采用引射器技术路线的典型问题之一就是难以全功率覆盖,需要更为精细的引射器优化设计。主要研究二次流入口结构参数对引射性能的影响,基于Ansys-Fluent软件,采用混合湿氢气介质,体积分数分别为氢气81%、水蒸气11%、氮气8%,建立引射器三维物理模型及其数值计算模型,数值分析不同二次流结构参数对引射性能影响。计算结果表明:不同的二次流入口结构对引射性能影响较小,其机理为二次流结构制约着混合段的流动混合,导致混合程度不同,进而影响引射性能。上述结果能为高效、全功率覆盖车用燃料电池系统引射器的设计提供理论依据。

多堆共轨燃料电池脉冲阀引射器仿真分析

基于某峰值功率为200 kW的大功率三堆共轨质子交换膜氢燃料电池(PEMFC),使用Fluent软件对脉冲阀引射器单体和供氢系统的多缸共轨脉冲阀引射器进行稳态计算流体力学(CFD)迭代计算,确定引射器方案,利用引射器台架试验验证了设计方案和仿真模型的可靠性,对脉冲阀引射器引射系数的影响因素进行仿真分析,可知同等压力变化条件下,二次流喷射压力对引射系数的影响最大,入堆压力次之,喷射压力影响最小,同时,氮气含量对引射系数影响较大,最后进行脉冲阀引射器瞬态仿真分析,结果表明:同稳态结果相比较,瞬态条件下计算的引射系数有很大的裕度,因此在电堆实际工作时可以进一步覆盖低功率工况;保持脉冲阀占空比不变,提高喷射频率,有利于引射系数的提高。

燃料电池系统氢循环部件性能测试

搭建了燃料电池系统测试台架,设计了引射器和氢气循环泵两个部件基于燃料电池系统的测试方案,并对引射器和氢气循环泵进行了性能测试和对比分析。测试数据表明,引射器方案的燃料电池系统系统输出功率比氢气循环泵方案大0.1kW~0.3kW,系统效率比氢气循环泵方案低0.2%~0.7%,从燃料电池系统系统层面分析氢循环部件性能可以获得更为全面的评价分析结果。

质子交换膜燃料电池系统引射器的数值分析

基于CFD方法建立了应用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极氢气循环系统引射器的三维数值模型,研究了其结构参数,如混合管直径、等压混合管收敛角、等容混合管长度、扩散管长度和角度对引射器回流比的影响.结果表明:回流比主要受二次回流管与吸入腔之间的压差和混合管进口面积影响;存在最佳的等压混合管收敛角、等容混合管长度和扩散管角度;扩散管长度和混合管直径越大,回流效率越高.

质子交换膜燃料电池引射器的设计及特性

提出了以文丘里管引射器为循环装置的供应系统.以索科洛夫的引射器设计方法为基础,针对某高压质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统对引射器进行结构设计及特性研究,并对其进行了试验验证.结果表明:增大引射器出口压力和引射流体压力可使引射系数得到提高;工作流体压力对引射器性能的影响随引射器出口所处工况的变化而变化.