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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

大功率燃料电池汽车氢循环系统性能分析

大功率氢燃料电池商用车是推动氢能应用的聚焦点,而设计高效可靠的氢循环系统对其性能至关重要。本文中以200 kW大功率燃料电池系统为例,研究分析了4种氢循环系统方案,基于理论分析和CFD模拟结果,建立了氢循环装置性能评价指标,从不同方面分析总结了各氢循环方案的特点。结果表明,引射器和氢泵联合使用可以显著减小氢泵的功率消耗,相比于仅氢泵模式,在并联模式下氢泵最大功率下降81.4%,串联模式下最大功率下降85.3%。通过循环氢贡献率和功耗的分析表明,引射器和氢泵的串联模式更能充分利用引射器的性能。

车用燃料电池氢气循环系统引射特性研究

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,其工作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,文中首先基于索科洛夫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,最后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,引射系数与工作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。

燃料电池氢循环喷射器性能分析与结构优化

喷射器以其体积小、无运动部件、不产生寄生能耗等一系列优点,正成为氢燃料电池氢气再循环的理想解决方案。但电堆变工况下喷射器的循环流体与供给流体的高度耦合特性致使其与电堆的匹配和优化难度较大。本文针对燃料电池变负载工况下喷射器引射流体压力与背压耦合变化的情况,采用计算流体力学(CFD)流体力学计算和实验相结合的方法,获取多组不同NXP值和工况条件下喷射器内部压力场和速度场,探究变工况下NXP对喷射器性能的影响的演变规律。结果表明,一次流压力的提升有助于提升喷射器循环性能,压力为4 bar时,在NXP=-15.6 mm时,引射比达到峰值2.43。同时,本文基于研究结果,采用数值解析获得变工况喷射器最优NXP的判定方法,结果有助于宽工况下喷射器与电堆的匹配设计与优化。

质子交换膜燃料电池阳极系统零件特性研究

通过台架测试分别在不同负荷下对氢气循环泵以及引射器进行实验,研究氢气循环泵的质量流量、出口温度、进出口压差。针对两款引射器分别进行台架测试与分析,在氢气再循环系统采用双级引射器并联方案,使双级引射器在全负荷下完全取代氢气循环泵,减少氢气循环泵功率,提高电堆输出功率,减少燃料消耗。

燃料电池氢喷射器控制技术研究

为满足燃料电池功率需求,实现氢气侧压力平滑控制,提出了一种氢喷射器控制方案。通过周期性控制喷嘴数和peak-hold时间占空比,并采用了调节量屏蔽方法,以提高压力输出调节能力。建立实验系统,写入软件进行控制实验,表明了该方法的可行性。

燃料电池系统氢循环方案综述

燃料电池氢循环主要作用是维持电堆内氢气循环量,保持堆内的水平衡。好的氢循环设计方案对提高燃料电池寿命、可靠性、以及整车的经济和动力性都有着至关重要的作用。文章从成本、效率、技术成熟度、资源可行性等角度分析了不同氢循环方案的优缺点,同时指出未来氢循环研发的热点和方向。

燃料电池发动机氢气供给系统技术分析

氢气供给系统是燃料电池发动机的核心子系统之一,起着调节燃料电池堆入口氢气流量和压力,实现氢气循环利用、促进燃料电池堆内部水平衡管理的作用。氢气供给系统的方案设计是否合理直接决定着燃料电池发动机的性能和寿命。针对行业内多种氢气供给技术路线并存的现状,通过对燃料电池阳极氢气供给系统的不同方案进行对比,总结了不同氢气供给方案的优缺点,并分析了未来的发展趋势。

质子交换膜燃料电池氢气供应系统的建模及匹配设计

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)供氢系统供气充分且氢压响应迅速的要求,提出了供氢系统零部件匹配设计方法。首先,采用机理和半经验建模相结合的方法建立了燃料电池氢气供应系统集总参数模型,并结合该模型提出了氢气供应系统的匹配设计方法。为验证匹配设计方法的合理性,针对一80 kW电堆进行了仿真分析。结果表明:在前馈+PI控制策略作用下,从怠速阶跃至额定工况的阳极压力上升时间为0.5 s、超调量为3 kPa;排氢扰动作用下压力波动小于0.8 kPa;额定工况引射器的引射比为2.14;泄压阀流量足以保证电堆安全运行。该匹配方法满足了供氢系统动态响应、氢气循环、安全特性的需求,为质子交换膜燃料电池氢气供应系统的选型匹配提供了理论基础。

车用燃料电池氢气供应系统研究综述

氢气供应系统是质子交换膜燃料电池的主要系统之一,具有提高氢气利用效率,优化燃料电池水热管理能力和提高系统安全性等优点,在氢燃料电池汽车中得到广泛应用。通过介绍直排流通模式,死端模式和再循环模式三种典型氢气供应方案的系统组成和工作原理,详细分析和总结各种氢气供应方案的优缺点,并介绍再循环模式中关键设备氢气循环泵和引射器的最新的研究进展和产业化现状,为未来燃料电池氢气供应系统发展提出建议。