CN108695531B - 一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器，包括喷射部分、连接部分、驱动部分、腔体部分和二次流部分；所述喷射部分与外部燃料电池氢气罐直接相连，用于将氢气喷射进腔体部分；所述连接部分用于连接喷射部分和二次流部分；所述驱动部分用于驱动喷射部分进行左右直线运动；所述腔体部分用于接收喷射进来的氢气并输出到燃料电池反应堆；所述二次流部分位于喷射部分的下方，用于再循环氢气的回收利用。本发明可以根据不同工况来调节喷嘴距，实现不同工况下的最佳回流比，同时，在保证最佳回流比的情况下保证了残余氢气的最高利用效率，大幅度提高了燃料电池的工作效率和经济性。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及到燃料电池，具体涉及一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器。
背景技术
随着人们对环境保护意识的增强以及能源的短缺，传统的内燃机汽车已经不适应当前的潮流和发展。与此同时，各种新能源汽车迅猛发展。其中，燃料电池汽车作为新能源汽车的代表性类别，受到了空前的重视，并且燃料电池汽车具有将反应堆中化学反应产生的电能直接作为汽车动力源的高能量利用效率的特性，因此在世界汽车研究领域中占据了极大的地位。
传统燃料电池汽车的燃料电池系统包括：从反应气体的化学反应中产生电能的燃料电池堆；将作为燃料的氢气供给至燃料电池堆的氢气供给装置；用于供给燃料电池堆的化学反应所需之作为氧化剂的空气(氧气)的空气供给装置；以及向外部排出作为燃料电池堆反应副产物的热量，对燃料电池堆的运行温度进行最佳控制的同时对作为副产物的水分执行管理功能的热量及水管理系统等。
氢喷射器是燃料电池系统中用于向燃料电池反应堆供应氢气的重要装置。通常情况下，供应的氢气主要由两部分组成，如图1所示：来自燃料电池氢气罐直接向燃料电池反应堆喷射的氢气；反应堆中未反应的氢气以及燃料电池系统工作过程中在电池堆和膜电极组件之间扩散的氢气混合形成二次流(再循环氢气)在氢喷射器附近的二次流入口被引入燃料电池反应堆的氢气。现有技术中的燃料电池氢喷射器如图2所示，其中喷管与喷嘴相对于整个喷射器腔体的位置可左右移动，喷管相对于喷射器相对移动从而改变喷嘴距，喷嘴为固定口径的喷嘴以至于喷嘴出口直径无法调节，虽然能满足不同工况下的最佳回流比，但是由于喷管工作时能左右移动而二次流(再循环氢气)入口的位置固定，因此二次流的再循环氢气通过氢喷射器喷嘴部造成的文丘里效应(在喷嘴处由于高速流动的氢气流会在附近产生负压，从而产生吸附作用)无法始终处于最高利用效率状态。同时，氢喷射器中再循环氢气的利用效率直接或间接的决定了燃料电池的工作效率、经济性以及安全性能。因此，如何使得再循环氢气具有最高利用效率特性就成为当前需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器，可以根据不同工况来调节喷嘴距，实现不同工况下的最佳回流比，同时，在保证最佳回流比的情况下保证了残余氢气的最高利用效率，大幅度提高了燃料电池的工作效率和经济性。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器，包括喷射部分、连接部分、驱动部分、腔体部分和二次流部分；所述喷射部分与外部燃料电池氢气罐直接相连，用于将氢气喷射进腔体部分；所述连接部分用于连接喷射部分和二次流部分；所述驱动部分用于驱动喷射部分进行左右直线运动；所述腔体部分用于接收喷射进来的氢气并输出到燃料电池反应堆；所述二次流部分位于喷射部分的下方，用于再循环氢气的回收利用。
优选地，所述喷射部分包括喷嘴和喷管，所述喷嘴的口径呈现逐渐缩小的状态，所述喷管为圆柱形筒体，与喷嘴固定在一起；所述喷管的一端与外部燃料电池氢气罐直接相连，另一端伸进腔体部分，所述喷嘴位于腔体部分的内部空间。
优选地，所述腔体部分包括喷射器内腔、扩散腔和腔体，喷射器内腔位于腔体的左侧，所述喷嘴位于喷射器内腔中；所述扩散腔位于腔体的右侧，用于将喷射进来的氢气扩散输出到燃料电池反应堆。
优选地，所述驱动部分包括低速电机、滚珠丝杠和丝杠配套螺母，所述低速电机与氢喷射器外部固定连接，所述滚珠丝杠与低速电机固定连接，所述丝杠配套螺母与喷射部分固定连接；低速电机通过驱动力带动滚珠丝杠旋转，相对位置不变，丝杠配套螺母随滚珠丝杠的转动角度按照对应规格的导程转化为直线运动，带动喷射部分左右直线运动。
优选地，所述二次流部分包括二次流内置移动直管、二次流内置伸缩软管、扩展腔、二次流内置伸缩软管活动腔和外部二次流入口；所述二次流内置移动直管与二次流内置伸缩软管的上端口连接，二次流内置伸缩软管的下端口与固定在二次流内置伸缩软管活动腔壁面上的外部二次流入口相连；扩展腔位于外部二次流入口的上方，用于提供二次流内置移动直管与二次流内置伸缩软管的活动空间。
优选地，所述连接部分包括螺纹连接杆配套螺母、螺纹连接杆和圆形凹槽；螺纹连接杆配套螺母位于喷嘴下方的固定安装端面上，与喷嘴固定连接成为一个整体；所述圆形凹槽位于二次流内置移动直管上部管壁的外侧，为二次流内置移动直管的附加件，二者为一个整体；所述螺纹连接杆的一端带有螺纹，与螺纹连接杆配套螺母配套连接；另一端没有螺纹，呈现圆柱状，与圆形凹槽在装配公差允许范围内间隙配合。
优选地，所述二次流内置移动直管的上部管壁附近设有滑槽、卡位滑块和连接块，所述滑槽沿喷射方向布置，所述二次流内置移动直管通过连接块与卡位滑块相连，沿着滑槽左右滑动。
优选地，所述喷射部分与腔体部分之间设有密封圈，用于实现喷射部分在左右移动过程中与喷射器之间的密封。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)内部零件较为灵活，安装与拆卸方便，便于维修，结构稳定。
(2)可根据不同工况来调节喷嘴距，实现不同工况下的最佳回流比；同时，在保证最佳回流比的情况下保证了残余氢气的最高利用效率，大幅度提高了燃料电池的工作效率和经济性。
(3)可通过残余氢气的最高利用效率来实现燃料电池系统内部氢气浓度低于4％的状态，从而避免了残余氢气在燃料电池系统维护工作期间由于频繁发生的静电等引起的火花、火焰等而燃烧和爆炸的危险，提高安全性能。
(4)可适用于大部分残余气体和二次流的回收利用系统中，可根据实际情况对氢喷射器尺寸和材料进行更换以适应多行业的需求。
附图说明
图1是燃料电池氢供应路线图。
图2是现有燃料电池氢喷射器的结构示意图。
图3是本发明所提供的一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器的剖面图。
图4是本发明所提供的一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器连接部分的局部放大剖面图。
图5是本发明所提供的一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器滑动部分的局部放大剖面图。
图6是本发明所提供的一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器在工作状态下的局部立体图。
附图标记说明：1、喷嘴；2、喷管；3、喷射器内腔；4、密封圈；5、低速电机；6、滚珠丝杠；7、丝杠配套螺母；8、螺纹连接杆配套螺母；9、螺纹连接杆；10、圆形凹槽；11、二次流内置移动直管；12、二次流内置伸缩软管；13、扩展腔；14、二次流内置伸缩软管活动腔；15、外部二次流入口；16、扩散腔；17、腔体；18、滑槽；19、卡位滑块；20、连接块；21、扩展腔外壁面。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图3所示，本发明提供了一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器，包括喷嘴1、喷管2、喷射器内腔3、密封圈4、低速电机5、滚珠丝杠6、丝杠配套螺母7、螺纹连接杆配套螺母8、螺纹连接杆9、圆形凹槽10、二次流内置移动直管11、二次流内置伸缩软管12、扩展腔13、二次流内置伸缩软管活动腔14、外部二次流入口15、扩散腔16、腔体17。
其中喷管2与喷嘴1构成本发明喷射器的喷射部分，与喷射器外部的燃料电池氢气罐直接相连，以使得燃料电池氢气罐中的氢气经过压力与流量控制之后通入喷管2，在喷管内形成稳定的氢气流，再经过喷嘴1。由于喷嘴的物理形状(口径)呈现逐渐缩小的状态，因此在流经喷嘴1直至喷嘴1的出口处氢气流的截面积也会逐渐缩小，故而在喷嘴1的出口处形成高速高压的氢气流，高速高压的氢气流被喷射入扩散腔16中，最终进入燃料电池作为燃料。此氢气流动路线也为燃料电池系统中主要的氢气供应路线。
其中螺纹连接杆配套螺母8、螺纹连接杆9、圆形凹槽10构成本发明喷射器的连接部分，该部分的剖面放大图如图4所示。喷嘴1相对于正常喷嘴在外部轮廓上加工出一个大小合适的螺纹连接杆配套螺母8的安装端面，以使得螺纹连接杆配套螺母8恰好能安装在端面上，从而可知喷管2、喷嘴1(包括喷嘴1上的端面)、螺纹连接杆配套螺母8固定连接成为一个整体。螺纹连接杆9为一个单独零件，被加工成一端带有螺纹，以实现与螺纹连接杆配套螺母8的螺栓连接；另一端没有螺纹(呈现圆柱状)，以实现与圆形凹槽10在装配公差允许范围内的间隙配合。圆形凹槽10是在不影响二次流内置移动直管11内部口径的前提下，在二次流内置移动直管11的管壁上加工出来的。因此，根据连接部分的布置与连接可知，当连接部分外部驱动喷射部分左右移动时，即可同时通过连接部分带动二次流内置移动直管11(内部二次流的入口)左右移动。此过程实现了喷射部分与内部二次流入口同时移动，也即是喷嘴出口处始终处于内部二次流入口中心的正上方，从而使得二次流的再循环氢气通过氢喷射器喷嘴部造成的文丘里效应始终处于最高利用效率状态。
另外考虑连接部分的安装与拆卸时，首先实现螺纹连接杆9有螺母一端的螺栓连接，再实现螺纹连接杆9没有螺母一端的间隙配合即可完成安装；拆卸时，首先拆卸间隙配合，再拆卸螺栓连接即可完成拆卸。因此，螺纹连接杆配套螺母8、螺纹连接杆9、圆形凹槽10的设计也极大的增加了本发明喷射器的灵活性。
其中低速电机5、滚珠丝杠6、丝杠配套螺母7构成本发明喷射器的驱动部分。低速电机5与氢喷射器外部固定连接，又由于滚珠丝杠6与低速电机5固定连接，因此低速电机5通过驱动力带动滚珠丝杠6旋转，但是相对位置不变。从而丝杠配套螺母7随滚珠丝杠6的转动角度按照该滚珠丝杠对应规格的导程转化为直线运动，又丝杠配套螺母7与本发明喷射器的喷射部分固定连接，因此，低速电机5驱动滚珠丝杠6的旋转运动最终将转化成喷射部分的左右直线运动。此过程实现了喷管与喷嘴相对于整个喷射器腔体位置的左右移动，喷嘴的相对移动从而改变喷嘴距。另外，喷管2与喷射器腔体17之间采用密封圈4，以实现本发明喷射器的喷射部分在左右移动过程中与喷射器之间的密封。通过驱动部分工作，带动喷射部分左右移动，再通过连接部分的作用使得二次流内置移动直管11(内部二次流的入口)与喷射部分同时左右移动。此工作过程也即是本发明喷射器的基本原理之一。
其中二次流内置移动直管11、二次流内置伸缩软管12、扩展腔13、二次流内置伸缩软管活动腔14和外部二次流入口15构成本发明喷射器的二次流部分。二次流内置移动直管11与二次流内置伸缩软管12的上端口连接，二次流内置伸缩软管12下端口与固定在二次流内置伸缩软管活动腔14壁面上的外部二次流入口相连。图5所示为氢喷射器被动滑动部分的剖面放大图，二次流内置移动直管11通过连接块20与卡位滑块19相连，卡位滑块19位于滑槽18内，滑槽18的下方为扩展腔外壁面21，可知当本发明喷射器的驱动部分工作时，带动喷射部分左右移动，再通过连接部分的作用使二次流内置移动直管11(内部二次流的入口)与喷射部分同时左右移动时，会受到卡位滑块19的限制，使得二次流内置移动直管11带动可伸缩的二次流内置伸缩软管12只能沿着滑槽18左右滑动。由于有滑块19以及滑槽18的限制，二次流内置移动直管11在左右滑动过程中不会发生转动和上下前后方向上的移动，大大的增加了左右滑动的稳定性。
由于二次流内置伸缩软管12的材质为可伸缩软管，当二次流内置移动直管11带动可伸缩的二次流内置伸缩软管12移动时可保证下端口位置可固定不变，大大增加了外部二次流入口15的稳定性。另外，二次流内置伸缩软管12在所有可能位置左右移动时所经过的空间为二次流内置伸缩软管活动腔14，扩展腔13为二次流内置移动直管11与二次流内置伸缩软管12在所有可能位置左右移动时所经过的空间之和。如图6所示。
实施例
一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器，其工作过程如下：
本发明实施例中的氢喷射器是安装在燃料电池系统中的反应堆之前，燃料电池系统中的氢气罐之后。当本发明喷射器开始工作时，来自氢气罐的氢气经过压力与流量控制之后就会进入喷管2之中形成稳定的氢气流，由于喷嘴的物理形状(口径)呈现逐渐缩小的状态，氢气流经过喷嘴1时就会在喷嘴1的出口处形成高速高压的氢气流，在喷射口处喷射而出从而造成文丘里效应(在喷嘴1出口处由于高速流动的氢气流会在附近产生负压，从而产生吸附作用)，这种效应产生的吸引力会将喷嘴1出口处附近的二次流(再循环氢气)引射入扩散腔16，以达到残余氢气的回收利用。
当工况发生变化时，通过低速电机5的正反转带动滚珠丝杠6旋转，使得丝杠配套螺母7随滚珠丝杠6的转动角度按照该滚珠丝杠对应规格的导程转化为直线运动，由于丝杠配套螺母7与本发明喷射器的喷射部分固定连接，从而实现了喷管与喷嘴相对于整个喷射器腔体位置的左右移动，以至于喷嘴的相对移动来改变喷嘴距，满足不同工况下最佳回流比。与此同时，当驱动部分带动喷射部分左右移动时，即可同时通过连接部分带动二次流内置移动直管11(内部二次流的入口)沿着滑槽18左右滑动。喷射部分与内部二次流入口的同时移动使得喷嘴1出口处始终处于内部二次流入口中心的正上方，由于从二次流内置伸缩软管12、二次流内置移动直管11引入二次流(再循环氢气)的过程是伴随着燃料电池的工作而保持一个持续的状态，同时部分被引入的再循环氢气会在内部二次流入口的正上方(喷嘴1出口处附近)堆积，因此进入本发明喷射器的二次流(再循环氢气)始终处于喷嘴1出口处的附近，使得喷嘴1出口处文丘里效应产生的吸引力有最大化的利用，从而保证了二次流(再循环氢气)处于最高利用效率状态，也即是残余氢气最高的回收利用状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器，包括喷射部分、连接部分、驱动部分、腔体部分和二次流部分，其特征在于：所述喷射部分与外部燃料电池氢气罐直接相连，用于将氢气喷射进腔体部分；所述连接部分用于连接喷射部分和二次流部分；所述驱动部分用于驱动喷射部分进行左右直线运动；所述腔体部分用于接收喷射进来的氢气并输出到燃料电池反应堆；所述二次流部分位于喷射部分的下方，用于再循环氢气的回收利用；
所述喷射部分包括喷嘴(1)和喷管(2)，所述喷嘴(1)的口径呈现逐渐缩小的状态，所述喷管(2)为圆柱形筒体，与喷嘴(1)固定在一起；所述喷管(2)的一端与外部燃料电池氢气罐直接相连，另一端伸进腔体部分，所述喷嘴(1)位于腔体部分的内部空间；
所述驱动部分包括低速电机(5)、滚珠丝杠(6)和丝杠配套螺母(7)，所述低速电机(5)与氢喷射器外部固定连接，所述滚珠丝杠(6)与低速电机(5)固定连接，所述丝杠配套螺母(7)与喷射部分固定连接；低速电机(5)通过驱动力带动滚珠丝杠(6)旋转，相对位置不变，丝杠配套螺母(7)随滚珠丝杠(6)的转动角度按照对应规格的导程转化为直线运动，带动喷射部分左右直线运动；
所述二次流部分包括二次流内置移动直管(11)、二次流内置伸缩软管(12)、扩展腔(13)、二次流内置伸缩软管活动腔(14)和外部二次流入口(15)；所述二次流内置移动直管(11)与二次流内置伸缩软管(12)的上端口连接，二次流内置伸缩软管(12)的下端口与固定在二次流内置伸缩软管活动腔(14)壁面上的外部二次流入口(15)相连；扩展腔(13)位于外部二次流入口(15)的上方，用于提供二次流内置移动直管(11)与二次流内置伸缩软管(12)的活动空间；
所述连接部分包括螺纹连接杆配套螺母(8)、螺纹连接杆(9)和圆形凹槽(10)；螺纹连接杆配套螺母(8)位于喷嘴(1)下方的固定安装端面上，与喷嘴(1)固定连接成为一个整体；所述圆形凹槽(10)位于二次流内置移动直管(11)上部管壁的外侧，为二次流内置移动直管(11)的附加件，二者为一个整体；所述螺纹连接杆(9)的一端带有螺纹，与螺纹连接杆配套螺母(8)配套连接；另一端没有螺纹，呈现圆柱状，与圆形凹槽(10)在装配公差允许范围内间隙配合；
所述二次流内置移动直管(11)的上部管壁附近设有滑槽(18)、卡位滑块(19)和连接块(20)，所述滑槽(18)沿喷射方向布置，所述二次流内置移动直管(11)通过连接块(20)与卡位滑块(19)相连，沿着滑槽(18)左右滑动；
当连接部分外部驱动喷射部分左右移动时，即可同时通过连接部分带动二次流内置移动直管左右移动。
2.根据权利要求1所述的一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器，其特征在于：所述腔体部分包括喷射器内腔(3)、扩散腔(16)和腔体(17)，喷射器内腔(3)位于腔体(17)的左侧，所述喷嘴(1)位于喷射器内腔(3)中；所述扩散腔(16)位于腔体(17)的右侧，用于将喷射进来的氢气扩散输出到燃料电池反应堆。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的一种高效燃料电池残余氢回收利用的氢喷射器，其特征在于：所述喷射部分与腔体部分之间设有密封圈(4)，用于实现喷射部分在左右移动过程中与喷射器之间的密封。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Effective date of registration: 20210811 Address after: 430000 No. 18 Shenlong Avenue, Wuhan Economic and Technological Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Applicant after: WUHAN XIONGTAO HYDROGEN FUEL CELL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: No.205 Luoshi Road, Hongshan District, Wuhan City, Hubei Province Applicant before: WUHAN University OF TECHNOLOGY |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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