Tech Talk: the Ejector

Tech Talk: the Ejector

In the Forze IX custom balance of plant – the umbrella term for all systems conditioning the various mass flows to the fuel cell – one of the major advancements in comparison to our previous vehicle is the inclusion of a fixed-geometry ejector. This is a passive device used to sustain hydrogen recirculation to the fuel cell, specifically on the anode side of the fuel cell.

What is the Purpose of an Ejector?

The ejector, in essence, can be viewed as a pump: a device that increases the pressure of a fluid to overcome the frictional losses it associated with mass transport. Within our balance of plant, an ejector is used to maintain the flow of hydrogen on the anode side of the fuel cell. Typically, this function is fulfilled by pumps, such as the recirculation pump used in the Forze VIII. The major disadvantage of such pumps is that such require large amounts of power, usually in the order of several kilowatts, to achieve the required pressure lift. This power, produced by the fuel cell system, is directly consumed by the systems supporting its operation, and are therefore referred to as parasitic losses.

The ejector aims to reduce the parasitic losses of the balance of plant by tapping into another energy source: the potential energy stored as pressure within the hydrogen storage tanks. The hydrogen in the vehicle is stored under 700 bar, which must be brought back to near atmospheric pressure before it can be used in the fuel cell. Ordinarily, this throttling process is not used to produce useful work; however, ejector systems are designed to use this potential energy to increase the pressure of the hydrogen in the anode recirculation loop. This allows the anode side of the fuel cell to be supplied with an excess amount of hydrogen, ensuring proper operation.

How Does an Ejector Work?

The ejector increases the pressure of the gases in the anode recirculation loop of the fuel cell by throttling the hydrogen to a pressure several bar above the final desired pressure. Using a convergent-nozzle geometry, the hydrogen coming from the storage system is accelerated, which consequently decreases the fluid’s static pressure. If the ejector geometry is designed correctly, the pressure of the fluid leaving the nozzle is lower than the pressure of the fluid already present in the recirculation loop: as a result, the hydrogen in the recirculation loop is entrained because of the negative pressure gradient. The gases in the anode loop are thus accelerated and mix with the hydrogen coming from the storage system at a high velocity. At this point, a significant amount of the fluid’s energy is in the form of kinetic energy. To transfer this kinetic energy back into potential energy, in the form of pressure, the flow is fed through a diffuser. If designed correctly, the ejector can thus increase the pressure of the fluid relative to the entrained flow.

How do you Design an Ejector Geometry?

The design of ejector geometry is no easy task. Ensuring that the maximum pressure lift the ejector is capable of creating is large enough for the desired recirculation mass flows requires extensive simulation of the ejector geometry. The main technique used in this process was computational fluid dynamics (CFD), which aims to accurately model the hydrogen flows.

To validate these simulations and confirm the performance of our design, we have developed a custom ejector test bench. With this knowledge we hope to confirm the feasibility of our design and gather the first data we will need to develop the control systems that will regulate the hydrogen flow coming from the hydrogen storage system.

Written by Alvaro Detailleur, Chief Simulation & Control, team XIV.

Published: the 4th of May, 2021, 13:30

Shell Main Sponsor of Hydrogen Racing Team Forze

Shell Main Sponsor of Hydrogen Racing Team Forze

Delft / The Hague – 3 March 2021; Shell commits as main sponsor to Forze, the hydrogen racing team of students from Delft University of Technology. This team of bright minds is building the fastest race car on hydrogen. With this sponsorship, that started at the beginning of 2021, a next step will be taken in the development of racing on hydrogen. It helps to further develop sustainable mobility in a broad sense and will promote hydrogen as a fuel of the future.

About Forze

Forze is a racing team of 25 full-time students and 35 part-time students. Together they work on the development of a race car on hydrogen. Forze has been around for 14 years, the team’s composition changes every year, and every race car they make is more innovative than its predecessor. With their car they don’t compete in student races, no they join official GT-races on world renowned tracks like Zandvoort and Assen. The team’s ultimate dream: competing in Le Mans.

The Forze IX

The students work collaboratively to continuously build better, faster and more advanced hydrogen-powered race cars. The current team is working on the Forze IX, their ninth race car already. A few features of the Forze IX:

  • LMP3 class;
  • maximum speed of 300 km per hour;
  • Boost-power of 800 bhp;
  • A unique kinetic energy recovery system;
  • All-wheel drive;
  • Two fuel cells.

TU Delft Students Present the World’s Fastest Hydrogen Racing Car

TU Delft Students Present the World’s Fastest Hydrogen Racing Car

Students of the Technical University of Delft presented the design of their newest hydrogen racing car on Wednesday. This car is revolutionary, as this technology has never been used before in such a powerful hydrogen-electric race car. The car will compete with the best conventional racing cars on long distances, a challenge no one has taken on before.

Not All Work in Vain

Originally, Forze Hydrogen Electric Racing had organised a large event for the Forze IX reveal on the 20th of April, that was unfortunately cancelled due to the coronavirus. Determined to still share their hard work with the world, they decided to go online with their presentations: A new reveal every month until the grand finale, which took place yesterday. The team consists of 23 students that have voluntarily worked full time on the development of a race car for the past year. “The construction and ambition of this team are like no other. We work so intensively that it was a huge blow when we were forced to work from home,” says team manager Jesper Frijns. While presenting in front of a live audience was unfortunately not possible, last night, Jesper Frijns and chief engineer Antonio Scoccimarro told the inspiring story of Forze online. “It was amazing to, on behalf of the team, part-timers, sponsors and partners, be able to present the design. We have achieved something incredible in these turbulent times,” said Frijns. The result of the presentation can be seen on the YouTube channel of Forze Delft.

Racing Against Porsche

Besides the story of the team itself, there were extensive talks about the latest design of the team, a race monster named Forze IX. “We want to continue growing, challenge ourselves and push the limit of technology. That is why we accepted the challenge and that is why the Forze IX will race faster than any hydrogen car before,” says Frijns. As soon as the Corona crisis allows for it, production will take off, after which the racing car will be competing against Porsches, Lamborghinis and BMWs soon. A year ago, the predecessor of the car, the Forze VIII, gained a podium place in the Supercar Challenge Sport’s Class. With 520hp, the new hydrogen-electric car will have twice that of its predecessor. The Forze IX can reach a top speed of up to 300 km/h. With an acceleration of 0 to 100 km/h within 3 seconds, sharp turns and a perfectly thought-out race strategie, they expect to be able to handle the competition. With these impressive numbers the students prove once again that racing can also be green and without emission.

Emission-Free Racing

Despite the many revolutionary technologies implemented within the Forze IX, the basic principle of the hydrogen car remains the same. During racing, hydrogen from the tanks is combined with oxygen from the air in the fuel cell. There, a chemical reaction takes place where electricity is generated, with which the electric motors are powered. The only emission from this process is water. It is comparable to electric driving, although there is a big difference: instead of waiting for charging, you can just refuel the hydrogen tank, and the race car is ready to hit the track within a few minutes. With this design the team expects to make a big leap in the world of green racing. Therefore, they will put in all of their efforts to make sure the Forze IX will be able to complete its first laps in the summer of 2021.

World’s First: Hydrogen-Electric Race Car Beats the Petrol-Powered Competition

World’s First: Hydrogen-Electric Race Car Beats the Petrol-Powered Competition

Picture by Hexashots

The “Forze VIII”, a hydrogen-electric Le Mans-style prototype, became the first-ever hydrogen-electric vehicle to beat petrol-powered cars in an official race Sunday evening. The car, that was designed, built, tested and raced by a group of students from the Delft University of Technology, finished second in the Supercar Challenge at the TT Circuit in Assen, the Netherlands.

Proud to finish on the podium

In a field of 43 petrol-powered race cars, the pink race car started the last race of the weekend from the fourth position. After a strong start, the car climbed quickly from fourth to second in its class. Within a few laps, driver Leo van der Eijk had already built up a 15-second gap between him and the third position. The team was able to keep up the pace for the rest of the race and secured a podium position. “We’re incredibly proud of what we have accomplished today. Never before did a hydrogen-electric race car beat other cars in an official competition – let alone the kind of petrol-powered race cars we were racing against today. This podium finish is the result of not just one year, but twelve years of dedication, faith and hard work. Being a student team makes it feel almost unreal to be the first to ever accomplish this” says Zhi Wei Cai, Team Manager.

Learned a lot from Zandvoort

Mid-July the team also faced gasoline-driven competitors at the future Formula 1 Circuit of Zandvoort. The team was unable to finish the first race because of technical difficulties, but the second race was promising. However, after setting the fastest lap time, the car shut down for a brief moment, causing the Forze VIII to drop from the first to the last position. Not having enough time to reclaim the places they lost, the team finished last.

Zhi Wei Cai, Team Manager: “After our race in Zandvoort, we knew we had the pace. The biggest challenge for this weekend was to maintain that speed for an entire race. That’s why we worked harder than ever before in the last weeks to maximise our performance here in Assen. It was worth it, this time we finally secured a spot on the podium.

Picture by Hexashots

0-100 km/h in less than 4 seconds, emission-free

The student-built Forze VIII is a hydrogen-electric car. Just like battery-electric cars, the wheels are driven by electric motors, which are powered by electricity. In a hydrogen-electric vehicle, that electricity is produced while the car is driving. Hydrogen from a tank is combined with oxygen from the outside air, a process that produces only water next to the electricity needed to power the electric motors. The car can be refilled in three minutes.

While the pink race car is not comparable to the petrol-powered competition from a technical point of view, it is in terms of performance. The Forze VIII can accelerate from 0 to a 100 km/h in under 4 seconds and has a top speed of over 210 km/h. The maximum torque the motors can deliver is 780 Nm, this is the same “turning power” as a 10cm long wrench that has a 780kg weight attached to one end. For comparison: the Ferrari 812 Superfast, one of the fastest models the Italian sports car manufacturer produces, taps out at 718 Nm.

Picture by Hexashots

The next-generation hydrogen racer

Student team Forze Hydrogen Electric Racing has existed for over 12 years, in this period they have built 8 cars. The team’s mission is to promote fuel-cell technology. “We build an inspiring example, a race car, and we use it to show the possibilities of hydrogen to the world,” says Cai. “The Forze VIII has been that example for the last two years, we have done everything we can on this platform. Designing, building and testing the next generation hydrogen-racer, the Forze IX, will be the next challenge for our team. Todays podium-finish has only made us more enthusiastic about what we can do with the next 

Waterstofracewagen is op dreef

De door Delftse studenten ontwikkelde waterstof racewagen Forze VIII heeft dit weekend twee veelbelovende races gereden waarin coureur Jan Bot in beide races de snelste rondetijd neerzette. In deze wedstrijden nam het Forze team met hun waterstof raceauto op tegen conventionele racewagens.

Vliegende start

Met een uitstekende start begon studententeam Forze zondagavond 14 juli aan een 60 minuten durende race op circuit Zandvoort. Als enige waterstofvoertuig ter wereld dat meedoet aan een officiële autorace was er veel aandacht voor de roze racewagen. Het team zette al snel na de start de beste rondetijd binnen hun klasse neer, na een dag eerder ook al het ronderecord voor elektrische sportwagens op Circuit Zandvoort te hebben aangescherpt.

De Forze VIII maakte een enorme inhaalslag in de eerste helft van de race en voor een aantal rondes reed de wagen op de eerste plek met ruim 10 seconden voorsprong op de nummer twee. Terwijl de voorsprong groter en groter werd viel de wagen uit het niets kort uit door een technisch probleem. De Forze VIII wist de hierdoor opgelopen achterstand niet meer in te halen, maar heeft de rest van de race consistent goede rondetijden neergezet.

Zhi Wei Cai, Team Manager: “Er is afgelopen jaar met het hele team enorm hard gewerkt om deze prestatie mogelijk te maken. Vorig jaar waren we het eerste team ter wereld dat überhaupt een race uitreed op waterstof, al konden we toen nog totaal niet meekomen met de competitie. Om nu, één jaar later, consistent competitieve rondetijden neer te zetten is fantastisch. Als je bedenkt wat ons team bereikt met beperkte middelen, stel je dan eens voor wat er allemaal bereikt kan worden met waterstof als écht grote partijen hier serieus werk van maken. Ons tempo ten opzichte van de benzine aangedreven competitie laat zien dat waterstoftechnologie echt potentie heeft.”

Het team op het podium na de finish.

Racen zonder uitstoot

Een waterstofauto, zoals de Forze VIII, is in feite een elektrische auto. In plaats van elektrische energie op te slaan in batterijen wordt er echter gebruik gemaakt van een zogenaamde brandstofcel. Hierin wordt waterstof uit een tank gecombineerd met zuurstof uit de buitenlucht. Deze reactie heeft twee restproducten: elektriciteit en puur water. De elektriciteit gaat naar de twee elektromotoren die de achterwielen aandrijven en het water wordt verneveld in de buitenlucht. “We kunnen onze waterstoftanks binnen 3 minuten aftanken, dat is een enorm voordeel ten opzichte van batterij-elektrisch voertuigen,” zo vertelt Team Manager Zhi Wei Cai.”

Pitstop tijdens de free practice op vrijdag, foto door Hexashots.

Forze Hydrogen Electric Racing

Studententeam Forze Hydrogen Electric Racing bestaat al sinds 2007. Het team heeft inmiddels acht auto’s gebouwd, allen waterstof aangedreven. Waar de eerste vijf wagens nog kleine karts waren waarmee het team meedeed aan een studentencompetitie, is de Forze VIII een volwaardige racewagen zoals je ze normaal gesproken op Le Mans verwacht. Ook voor de toekomst heeft het team nog wilde plannen, Cai: “Volgend jaar gaan we aan de slag met de Forze IX, een nóg krachtigere en snellere wagen dan ons huidige model. Of we volgend jaar al klaar zijn om te racen is nog niet duidelijk, voor ons ligt de prioriteit bij de kwaliteit en de prestaties van de wagen.”

De Forze VIII tijdens de race op zaterdag, foto door Hexashots.

Puntjes op de i

Voordat het zo ver is staat er eerst nog een tweede raceweekend op de planning. Halverwege augustus zal het team deelnemen aan de Gamma Racing Days op het TT circuit van Assen. “We hebben nog een maand de tijd om de Forze VIII te verbeteren, zodat we in onze volgende race het tempo dat we hebben laten zien de hele race vast kunnen houden.” aldus Cai. In het weekend van 17 en 18 augustus wordt het duidelijk in hoeverre de Delftse studenten daarin geslaagd zijn.

Defensie helpt studenten uit de brand

Een raceauto op waterstof die met 200 km/h over een asfaltbaan op een hermetisch afgesloten legerplaats zoeft, omgeven met luchtverdedigingssystemen van Defensie. Het klinkt als een scene uit een actiefilm, maar vond vanmiddag daadwerkelijk plaats op Luitenant-generaal Bestkazerne te Vredepeel.

Forze VIII naast een Patriot-Launcher en Fennek ‘Stinger Waepon Platform’

“Een gekke vraag, hebben jullie misschien ergens een afgesloten asfaltbaan van 700 meter die we in de komende week een paar uur kunnen gebruiken?” Met die zin begon het contact tussen Defensie en het studententeam Forze van de TU Delft. De studenten hebben het afgelopen jaar hard gewerkt om hun racewagen op waterstof klaar te stomen voor een race in Zandvoort op 13 en 14 juli, maar door technische problemen moest test na test worden uitgesteld. “De circuits zaten vol en daarbuiten is het lastig om een plek te vinden waar we onze tests kunnen uitvoeren,” zo zegt Zhi Wei Cai, Team Manager van de groep. “Uit pure noodzaak hebben we toen maar de stoute schoenen aangetrokken en Defensie opgebeld.” En dat dat een juiste zet was bleek wel toen er direct enthousiast op het voorstel werd ingegaan. Binnen een paar uur werden persoonsgegevens doorgegeven, vrijwaringen getekend en voertuigen geregistreerd.

Brigadegeneraal Gerhard Schonewille, directeur Materieel en Diensten van de Koninklijke Landmacht licht graag toe waarom Defensie snel medewerking toezegde: “Als Landmacht volgen we technologische ontwikkelingen op de voet en dragen we daar ook graag aan bij. Met energiebesparing en -transitie kun je in een operatie bijvoorbeeld het aantal logistieke transporten beperken, die altijd een risico vormen en beveiligingscapaciteit vergen.” Defensie zelf verwacht volgend jaar de eerste zonne-energie gedreven wagen in het voertuigenpark: de Lightyear one.

Defensie was er dus snel klaar voor, nu de studenten en hun wagen nog. “De afgelopen 2 weken is er 24/7 aan de auto gewerkt. De energiebuffer moest vervangen worden, een enorme klus die ook nog eens met de grootste zorgvuldigheid moet gebeuren,” aldus Cai. Zelfs de nacht voorafgaand aan de door Defensie opgezette test werd er doorgewerkt door de studenten, die het uiteindelijk voor elkaar kregen de auto test klaar te hebben met nog een aantal uur op de klok.

Luchtafweergeschut naast het circuit

De Delftse studenten, die normaal gesproken op het toekomstige Formule 1 Circuit in Zandvoort testen, voerden maandagmiddag misschien wel de best beveiligde autotest ooit uit. Het Defensie Grondgebonden Luchtverdedigingscommando had ter inspiratie zelf enkele van hun raketsystemen langs de baan gezet.

Forze VIII in actie op de Luitenant-generaal Bestkazerne

Water uit de uitlaat

De roze racewagen van team Forze is gebouwd om het op te nemen tegen racewagens die “gewoon” op benzine rijden. In de Delftse auto is het echter lang zoeken naar een druppel benzine. In een zogenaamde brandstofcel wordt waterstof uit een tank gecombineerd met zuurstof uit de buitenlucht. Deze reactie heeft twee restproducten: elektriciteit en puur water. De elektriciteit gaat naar twee elektromotoren die de achterwielen aandrijven en het water wordt verneveld in de buitenlucht.

Een succesvolle test

De test van maandag was een groot succes. Cai: “Door de lange rechte baan konden we tot onze topsnelheid accelereren en de energiebuffer volledig volladen door regeneratief te remmen tot stilstand. Alles werkte naar behoren, een groot succes dus! Nog een paar dagen sleutelen en dan zijn we klaar voor Zandvoort”

De roze racewagen zal dit jaar viermaal in actie komen. Tweemaal tijdens de Dutch Supercar Challenge in Zandvoort op 13 en 14 juli en tweemaal tijdens de “Gamma Racing Days” op het TT Assen Circuit, op 17 en 18 augustus.