CN108400354A - 一种用于燃料电池***的可变喉口引射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，所述引射器包括：引射器主体，内测具有再循环氢气流入口和氢气出口；喷嘴，具有高压氢气流入口和用于高压氢气流入引射器主体的渐缩渐扩喷嘴；电磁阀，具有调节喷嘴喉口横截面积大小的探针和控制探针移动的阀体。本发明提供一种用于燃料电池***氢循环回路的引射器，其可以根据电堆功率和电堆所需的氢气量改变喉口的横截面积。引射器在工作的过程，可以通过电磁阀控制探针的位置，以此控制氢循环回路的再循环气体的流量，更具体地说，能够自动控制引射器的工作性能，使其在电堆小功率工况下通过减小喉口地横截面积使再循环气体地循环量增加。

Description

一种用于燃料电池***的可变喉口引射器

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种车用燃料电池动力***，尤其涉及一种车用燃料电池***氢气循环***的引射器。

背景技术

燃料电池汽车是新能源汽车的一种，具有清洁、环保、能量效率高、运行平稳、无噪声等优点，目前对燃料电池汽车的研究越来越多。对于质子交换膜燃料电池，氢气和氧气通过氧化还原反应将化学能转化为电能用来驱动汽车。氢气和氧气的最终生成物为水，对环境没有任何的污染。

车用燃料电池***一般由空气供给***、氢气供给***、水热管理***以及***控制四部分构成。其中氢气供给***又有阳极闭端和氢气循环两种方式。氢气循环方式可以提高氢气的利用率，同时氢气循环还能改善电堆内的水平衡避免电堆内发生水淹，提高电堆的工作效率。氢气循环***当中的循环装置的工作性能直接影响了氢气循环效果。

引射器在上述燃料电池***中的作用主要是用作氢气循环***中的循环装置，储氢瓶中出来的氢气在引射器当中与再循环氢气混合，进入燃料电池电堆，再循环氢气的循环比大小反映了引射器工作性能的好坏。引射器是一个机械部件，而引射器的喉口的横截面积对引射器的工作性能有着决定性的影响。当电堆在小功率输出或反应所需的氢气量很小时，这时从储氢瓶进入引射器的氢气流量也会减小，在这种工况下，引射器的引射性能会下降甚至没有引射效果。因此，如何提高引射器的引射比，扩宽引射器的工作范围是引射器研究的重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种车用燃料电池引射器，可以根据燃料电池的功率或者电堆反应所需的氢气量改变引射器喉口的横截面积，使引射器在各个工况下都能有良好的引射效果。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，所述引射器包括：

引射器主体，内测具有再循环氢气流入口和氢气出口；

喷嘴，具有高压氢气流入口和用于高压氢气流入引射器主体的渐缩渐扩喷嘴；

电磁阀，具有调节喷嘴喉口横截面积大小的探针和控制探针移动的阀体。

作为上述技术方案的改进，所述引射器主体与所述喷嘴之间具有防止氢气泄漏的第一密封件。

作为上述技术方案的改进，所述引射器主体与所述喷嘴之间具有防止氢气泄漏的第二密封件。

作为上述技术方案的改进，所述引射器主体与所述喷嘴之间具有防止氢气泄漏的第二密封件。

作为上述技术方案的改进，所述喷嘴与所述电磁阀之间具有防止氢气泄漏的第三密封件。

作为上述技术方案的改进，所述喉口，在不同的燃料电池功率下，根据不同的进入所述喷嘴当中的氢气流量，所述电磁阀控制所述探针的位置，改变喉口的横截面积。

作为上述技术方案的改进，所述探针在电磁阀的控制下在喷嘴当中做轴向运动。

作为上述技术方案的改进，当电堆输入功率减小或电堆反应所需的氢气流量减小时，所述探针在电磁阀的控制下从电磁阀向喷嘴）方向运动，减小喷嘴喉口处的横截面积。

作为上述技术方案的改进，当电堆输入功率增大或电堆反应所需的氢气流量增大时，所述探针在电磁阀的控制下从喷嘴向电磁阀方向运动，增大喷嘴喉口处的横截面积。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种用于燃料电池***氢循环回路的引射器，其可以根据电堆功率和电堆所需的氢气量改变喉口的横截面积。引射器在工作的过程，可以通过电磁阀控制探针的位置，以此控制氢循环回路的再循环气体的流量，更具体地说，能够自动控制引射器的工作性能，使其在电堆小功率工况下通过减小喉口地横截面积使再循环气体地循环量增加。

附图说明

图1为车用燃料电池氢循环***图；

图2为本发明车用燃料电池可变吼口引射器外形图；

图3为所示车用燃料电池引射器截面图；

图4为所示车用燃料电池引射器喷嘴部分的局部放大图；

图5为所示车用燃料电池引射器在电堆大功率负荷下电磁阀全开示意图；

图6为所示车用燃料电池引射器在电堆小功率负荷下电磁阀全关示意图；

*符号说明*

210：储氢罐 220：减压阀

230：引射器 240：电堆

250：排氢电磁阀 260：温度压力传感器

270：温度压力传感器。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。

以下，参照附图说明车用燃料电池可变喉口引射器具体实施方案。

图1是车用燃料电池氢循环***原理图。

参照图1车用燃料电池氢循环***图包括：储氢瓶（210），为燃料电池电堆提供反应所需的氢气；减压阀（220），将储氢瓶流出的高压氢气压力降低到引射器前端所需要的压力；引射器（230），将工作氢气和再循环氢气混合输送到电堆当中；电堆（240），氢气和氧气的反应场所；排氢电磁阀（250），在CPU的控制下按照一定的频率排出一部分的阳极出口的废气；温度压力传感器（260,270），用来检测管路中的温度和压力，并把所检测到的值传递给CPU。

对各构件的详细说明如下，电堆（240）由若干个单电池组成，每个单电池又由膜、催化剂、双极板和气体扩散层组成。氢气通过阳极侧的气体扩散层再穿过膜与穿过阴极侧气体扩散层的氧气发生反应，产生热量并生成水。水一部分扩散到阴极侧的流道，一部分反扩散到阳极侧的流道。电堆在CPU的控制下，输出***所需求的功率，而电堆所输出的功率与氢气和氧气的量有关。当电堆输出的功率增大时，反应所需的氢气和氧气的量也会随之增大，因此需要阳极侧供给更多的氢气；当电堆输出功率减小时，所需的氢气和氧气的量也会减小，因此需要减少阳极侧供给的氢气。

储氢瓶（210）的主要作用是储存氢气。由于氢气的密度非常小，为了提高储存的氢气的量，一般采用高压储氢瓶储存氢气。储氢瓶在CPU的控制下向电堆输送氢气。

减压阀（220）的作用是将储氢瓶出来的高压氢气压力降低到合适的值。由于储氢瓶出来的氢气是高压氢气，并不能让电堆直接使用，而引射器的工作性能与工作氢气的压力有关。因此，减压阀需要在CPU的控制下，将储氢瓶输送的高压氢气压力降低到引射器能够正常工作的压力值。

引射器（230）的主要作用是将经过减压阀的氢气和电堆阳极出口氢气混合，再把混合后的氢气输送给电堆。经过减压阀的氢气压力高于再循环的氢气，工作氢气在喷嘴当中经过渐缩渐扩喷管，压力减小，速度增加。在喷嘴流出之后，将再循环氢气吸入混合室，充分混合。混合后的氢气流经扩散室，扩散室是一段渐扩喷管，混合氢气的速度降低，压力提高，达到电堆阳极入口所需的压力。最后，混合氢气通过电堆阳极入口（A）流入电堆。当工作流体的流量改变时，喉口的最佳横截面积也应该随之改变，工作流体流量增加，喉口的横截面积应该增大；工作流体流量减小，喉口的横截面积应该随之减小。

排氢电磁阀（250）的作用排出一部分电堆阳极出口的气体，降低氢循环回路中水蒸气的量。电堆在运行的过程中会产生水，水一部分反扩散到阳极气体扩散层，然后扩散到再循环的氢气当中。氢循环回路当中水蒸气的相对湿度会随着电堆的运行时间逐渐增加，当氢循环回路中水蒸气的相对湿度过高时，阳极气体扩散层中的水会堵住气体扩散层中的通道，导致水淹，阻碍气体传输，使电堆工作性能下降。排氢电磁阀打开会将阳极出口的一部分气体排出，降低氢循环回路当中水蒸气的相对湿度，防止水淹的发生。

另外氢循环***回路的各个零部件需要管路连接，这些管路需要保证安全，不漏气。

图2显示的是本发明车用燃料电池可变喉口引射器的外形图，图3是所示引射器的外形图，图4是所示引射器喉口部分的局部剖视图。

以下为了便于说明，将经过减压电磁阀（220）流入引射器的氢气称为工作氢气，将电堆未反应完流入引射器的氢气称为再循环氢气。

所发明的引射器喷嘴部分当中的121与图1当中的减压电磁阀通过管路相连，工作氢气流经减压电磁阀，从喷嘴当中的121流入引射器。引射器主体当中的111部分与图1当中的电堆阳极出口B相连，再循环氢气从引射器主体111部分流入引射器。

所述引射器包括引射器主体（110），喷嘴（120），电磁阀（130），密封件（140,150,160）构成。其中电磁阀由探针（131），电磁阀插头（133），电磁阀芯（132）以及弹簧构成。

引射器喷嘴（120）侧面有工作氢气流入喷嘴的通道，一端与电磁阀相连，另一端通入引射器主体当中。通入主体中的那部分内部流道由减缩喷管、喉口和渐扩喷管三部分构成。工作氢气从侧面121流入喷嘴，然后流经喷嘴的渐缩渐扩喷管。亚声速流体流经渐缩喷管的过程，会将其压力能转换为动能，压力降低，速度增加；在喉口处达到当地声速，喉口是一段等截面的管路；当达到声速的流体流经渐扩喷管时，其压力能转化为动能，压力下降，速度增加。工作氢气流经渐缩渐扩喷管，其压力和速度按着上述过程变化，在喷嘴出口处压力低于再循环氢气。超声速的气体在流出喷管之后，会在喷管出口处形成激波，压力和速度快速的波动，以此将再循环的氢气吸入引射器主体中的混合室。

引射器主体（110）由侧面的再循环氢气流入管道111，混合室，扩散室组成。工作氢气从喷嘴流出，将再循环氢气吸入混合室，混合室是一端等截面的管路，再循环氢气和工作氢气在混合室中充分混合；充分混合的气体流出混合室，流入扩散室，扩散室是一段渐扩喷管，混合氢气在流经扩散室的过程中压力增加，速度降低；经过增压的混合氢气从引射器主体和电堆阳极入口之间的管路流入电堆。

电磁阀（130）由电磁阀体，探针（131），电磁阀芯（132）和弹簧构成。电磁阀的电源接口和信号入口为133。探针（131）固定在电磁阀芯（132）上，电磁阀芯可在电磁阀内做轴向运动。电磁阀根据所接受到的信号产生电磁力和弹簧产生的弹力来控制电磁阀芯和探针的运动，其中，弹簧处于压缩状态。

弹簧弹力：

其中k为弹性系数，x为弹簧的型变量。

用来表示电磁力。

两者的合力：

电磁阀工作过程中，，阀芯处于静止状态；，阀芯向远离喷嘴方向移动，直到，停止运动；当，阀芯向靠近喷嘴方向移动，直到。

密封件（140，150，160）的作用主要是防止氢气泄漏。氢气泄漏一方面会影响引射器的工作性能，使得引射器内压力降低；另外一方面，氢气泄漏会产生一定的安全危害，氢气***的下限浓度为4.1%。喷嘴（120）和引射器主体（110）之间采用两个密封件（140，150），两级密封，防止引射器主体和喷嘴之间发生泄漏。电磁阀（130）和喷嘴（120）之间采用一级密封（160）

图4所示的是喷嘴的喉口部分局部视图。工作氢气的流量和电堆的输出功率相关，电堆的输出功率小，消耗的氢气量减小，所供给的氢气量也会减少。当引射器的工作氢气的流量低于设计工况时，引射器的工作性能下降，这时候如果减小喉口的横截面积可以提高引射器的工作性能。探针的一侧是横截面积逐渐变化，当引射器的工作流体流量减小时，探针可以在电磁阀的控制下向靠近喷嘴方向移动，减小喉口的横截面积；当工作流体的流量增加时，探针可以在电磁阀的控制下向远离喷嘴方向移动。

图5为所示车用燃料电池引射器在电堆大功率负荷下电磁阀全开示意图。当电堆的输出功率达到最大时，此时电堆所需的氢气量最大，电磁阀接收到CPU发来的控制信号，产生电磁力此时，阀芯在电磁力的作用下向远离喷嘴方向运动。在运动的过程中，弹簧弹力逐渐增加。电磁阀芯运动弹簧压缩的极限状态，在这个状态下，弹簧不能够继续压缩，此时喷嘴喉口处的横截面积达到最大值。

图6为所示车用燃料电池引射器在电堆小功率负荷下电磁阀全关示意图。在这个状态下，电磁阀的电磁力最小，同时也是电磁阀不工作时阀芯的位置。当电磁力时，阀芯向靠近喷嘴方向移动，当阀芯的一端与密封件（160）想接触时，由于密封件的阻挡，阻碍了阀芯继续运动。阀芯在这个位置时，喉口处的横截面积最小。当电磁阀不工作时，电磁力，阀芯在弹簧弹力的作用下，也会保持在这个位置。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，其特征在于，所述引射器包括：

引射器主体（110），内测具有再循环氢气流入口（111）和氢气出口（112）；

喷嘴（120），具有高压氢气流入口（121）和用于高压氢气流入引射器主体的渐缩渐扩喷嘴（122）；

电磁阀（130），具有调节喷嘴喉口（123）横截面积大小的探针（131）和控制探针移动的阀体（132）。

2.如权利要求1所述的一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，其特征在于，所述引射器主体（110）与所述喷嘴（120）之间具有防止氢气泄漏的第一密封件（140）。

3.如权利要求1所述的一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，其特征在于，所述引射器主体（110）与所述喷嘴（120）之间具有防止氢气泄漏的第二密封件（150）。

4.如权利要求1所述的一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，其特征在于，所述引射器主体（110）与所述喷嘴（120）之间具有防止氢气泄漏的第二密封件（150）。

5.如权利要求1所述的一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，其特征在于，所述喷嘴（120）与所述电磁阀（130）之间具有防止氢气泄漏的第三密封件（160）。

6.如权利要求1所述的一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，其特征在于，所述喉口（123），在不同的燃料电池功率下，根据不同的进入所述喷嘴（120）当中的氢气流量，所述电磁阀（130）控制所述探针（131）的位置，改变喉口（123）的横截面积。

7.如权利要求6所述的一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，其特征在于，所述探针（131）在电磁阀（130）的控制下在喷嘴当中做轴向运动。

8.如权利要求6所述的一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，其特征在于，当电堆输入功率减小或电堆反应所需的氢气流量减小时，所述探针（131）在电磁阀（130）的控制下从电磁阀（130）向喷嘴（120）方向运动，减小喷嘴（120）喉口（123）处的横截面积。

9.如权利要求6所述的一种用于燃料电池***的可变喉口引射器，其特征在于，当电堆输入功率增大或电堆反应所需的氢气流量增大时，所述探针（132）在电磁阀（130）的控制下从喷嘴（120）向电磁阀（130）方向运动，增大喷嘴（120）喉口（123）处的横截面积。