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未势能源百千瓦级全功率“单引射器”氢循环模块完成系统搭载

来源:未势能源  |  发布时间:2020-07-17  |  浏览:5882

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“氢燃料电池行业已被广泛共识未来将是中国汽车产业由“跟随”向“引领”跨越的一个重要支撑,坚持高标准原创性的自主创新,无疑将是凸显这种“引领”地位的关键一环。在此方面,未势能源来自全球10国逾200人的研发团队,始终坚持正向设计自主研发,产品开发全周期严格遵循“V”型流程,历经千项实验室及整车级安全性、可靠性测试,高标准、严要求地为中国氢燃料电池汽车产业发展贡献核心技术。

作为燃料电池汽车的“心脏”,燃料电池发动机是众多企业研发攻坚的靶心,而作为“血液”的氢气是否能高效循环反应,是动力能否顺畅输出的关键,氢循环模块就像是一个“起搏器”,是氢燃料电池发动机的关键技术之一。”


氢气循环模块技术痛点


为满足车辆和燃料电池电堆需求,氢循环模块发挥着提高电堆氢气利用率和改善阳极水平衡的作用;为了实现混合气体的循环,典型的氢循环架构通常采用氢气循环泵或引射器这两种不同的形式,如下所示:


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由于氢气循环泵研发成本高,且氢气密封、水汽腐蚀和冲击问题难以解决,国外也仅有不多几家能够提供解决方案,国内目前仍主要依赖进口,尤其是大功率级别氢气循环泵资源相当稀缺,相比之下,架构II因其天然的优势正逐渐成为阳极氢循环模块的技术趋势,低成本、高可靠性、高效率的氢循环方案势必要用引射器。


引射器低负载工况和高负载工况很难同时兼顾,按低负载工况设计引射器基本尺寸,可能会导致在高负载工况下引射器工作流压力过高,在混合室内产生激波;按高负载工况设计引射器基本尺寸,可能会导致在低负载工况下引射器压升不满足系统需求,引射效果差。为解决这一痛点问题,全球知名燃料电系统供应商提出了以下解决方案:


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表1 引射器技术痛点解决方案


上述方案均能有效解决引射器在低负载工况和高负载工况全覆盖的痛点问题,但方案2-5同时也导致了氢循环模块的复杂化和成本上升,使用单引射器的氢循环模块要比使用氢循环泵的氢循环模块成本下降90%以上。


因此,综合考量设计研发全功率范围工作的引射器,并针对不同电堆功率情况实现回氢功能,优化燃料电池性能,提高燃料电池发动机寿命,已逐步成为燃料电池行业的研发热点,对促进未来燃料电池汽车商业化目标的实现意义重大。


百千瓦级全功率“单引射器”技术,燃料电池发动机应用设计


日前,未势能源科技有限公司燃料电池发动机研发团队基于以上行业综合性技术痛点,针对客户和市场需求持续创新,致力于打造一款高功率、高功率密度、高系统效率、高环境适应性、低成本的燃料电池发动机,结合公司自主研发的120KW电堆产品,精准匹配正向开发出一套“比例电磁阀+单引射器”的氢循环模块,可有效弥补引射器的上述缺点,提升引射器性能效率,改善燃料电池内部湿度分布,成功解决“卡脖子”难题,实现燃料电池发动机关键细分领域新产品技术攻关突破。


据该项目负责人透露,该款单引射器具有高集成度、体积小、成本低、全工况运行等技术优势,与电池端板高度集成,尺寸小于200mm*50mm*50mm,内壁表面精度小于Ra0.8;能够保证电堆从6kw-120kw功率范围内正常工作;通过CAE结构强度仿真和有效密封设计保证质量小于50g,寿命大于1万小时;未势能源拥有该超声速单引射器的全部知识产权,且已在公司自主研发的燃料电池发动机上稳定运行半年。


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图2 引射器内部结构和布局


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表2 引射器参数表


为了开发一款全工况低成本的单引射器,未势能源始终坚持正向开发,采用零部件V模型开发流程,在样机设计和工程DV验证之间快速迭代,主要开发过程如下:



图3 引射器开发过程


基于该产品的开发,未能能源已经掌握了如下关键技术:


1.超声速引射器热力学物理模型建模技术:精确计算引射器的基本尺寸,预估引射器性能;


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图4 引射器基本尺寸


2.超声速引射器CFD三维仿真技术:能够建立准确的三维数值仿真流场边界参数,进行热力学物理模型的验证;


图5 CFD三维仿真技术


3.引射器性能虚拟测试技术:氢气供应系统测试台架能模拟先期在质谱分析仪采集的真实电堆阳极混合气体成分、温度、压力和湿度,从而在测试台架快速验证引射器样件,实现引射器设计的快速迭代;


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图6  引射器性能虚拟测试

(质谱分析仪、氢循环模块台架测试 )


4.带电堆测试和系统性能验证技术:进一步校准CFD仿真模型、氢气供应系统台架设置,不断驱动引射器设计的迭代和有效数据的积累。

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图7 系统性能验证


测试结果显示,该产品整体性能指标均达到预期设计要求,并满足市场高性能需求。


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图8 引射器性能测试结果


值得注意的是,由于电堆的阳极温度和湿度直接影响引射器的引射比和压升,在设计引射器时就需考虑此影响因素,按电堆最恶劣的条件和燃料电池发动机的需求进行设计,避免不同运行工况造成引射比差的情况。


目前,未势能源超声速单引射器正处于DVP测试验证,预计2020年底进入小批量产阶段。


业内表示,我国氢能产业当前的首要任务是打造氢能技术研发体系,并形成自己的氢能产业链,从而促进整体氢能经济的规模化发展。燃料电池发动机方案设计是燃料电池汽车的核心技术,从技术角度来看,未势能源在创新引射器产品设计上的应用研究,表明了我国在燃料电池发动机关键细分领域的核心技术突破已超出原有预期目标,也标志着未势能源在自主技术研发之路上又迈上了一个新台阶,积极跻身氢能行业创新主力,对促进我国燃料电池汽车关键技术研发及商业化发展、推动交通领域低碳转型、提升我国能源国际竞争力和创新力,具有里程碑式的战略意义。