CN109004247A - 一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，包括电磁阀、比例阀、引射喷嘴、引射腔体、回氢引射口；所述电磁阀、比例阀、引射喷嘴、引射腔体依次串联，所述电磁阀的入口与燃料电池储氢系统相连，所述引射腔体的出口与燃料电池堆入口相连；所述引射腔体由入口至出口依次为引射腔体减缩室、引射腔体混合室、引射腔体扩散室，所述引射腔体减缩室开设有回氢引射口，所述回氢引射口与燃料电池堆出口相连，利用了比例阀开度控制的稳定性,实现了对燃料电池系统氢气供应压力的稳定控制；在较大流量范围内保持较高的引射比,通过引射喷嘴的引射回流作用,增加氢气的利用率,提高阳极侧的氢气当量比。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池发动机技术领域，具体地说是涉及一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置。
背景技术
自 1886年发明汽车以来,汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具。汽车工业也成为现代经济的支柱产业,汽车的出现对人类社会经济.科技,文化产生了巨大影响,汽车的出现改变了世界。随着国民经济快速发展,我国汽车工业也将面临一个快速发展的机遇期。随看全球汽车保有量的急剧提升,传统内燃机汽车所带来的能源和环境问题日益严重,能源短缺和环境污染是21世纪汽车工业面临的两大挑战。
在节能减排的大趋势下,质子交换膜燃料电池汽车作为新能源汽车的一种解决方案,近几年来成为国际研究热点之一.但燃料电池汽车实现全球产业化之前,还有许多问题需要解决,其中燃料电池的氢气供应系统就是比较关键的问题之一。燃料电池的氢气供应系统有多种解决万案,其目的是提高阳极侧氢气供应稳定性,提高阳极侧的氢气当量比和提高氢气利用率等。
在提高阳极侧氢气供应稳定性方面,目前采用较多的方案是通过不同频率电磁阀控制开关策略,需要将中频与高频电磁阀频繁切换才能实现控制的精度与准度。这样不仅增加了喷氢装置的复杂性,对控制也提出了比较苛刻的要求,同时电磁阀频繁的开启大大降低了电磁阀的使用寿命。
在提高阳极侧的氢气当量比和提高氢气利用率上,目前较为成熟的氢气循环装置有循环泵和引射器。循环泵在电堆全工况范围内具有良好的循环效果,但其成本高,质量重,需要消耗额外的功率,特别是在电堆输出功率较低的工况下,寄生功率的比重也随之上升。相比而言,引射器不需额外功耗,无移动部件,具有结构简单.运行可靠,无污染等优点,但在引射器的设计方面,需要将引射器的尺寸计算与试验数据相结合,采用大量经验半经验公式,这样也只能在一定流量范围内拥有较好的引射性能。
有鉴于此,如今迫切需要一种供气压力稳定,合理地设计引射器使其在较大流量范围内保持较高的引射比,以便克服现有供氢回氢装置中存在的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，其意在克服背景技术中存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：
一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，包括电磁阀、比例阀、引射喷嘴、引射腔体、回氢引射口；
所述电磁阀、比例阀、引射喷嘴、引射腔体依次串联，燃料电池储氢系统减压后,进入电磁阀的入口, 该入口可视为该供氢回氢稳压装置进口，所述引射腔体的出口与燃料电池堆入口相连；电磁阀开启关闭信号与燃料电池系统运行工况匹配,作为燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置的总开关，比例阀的开度与燃料电池系统发出功率相匹配,通过某种控制策略完成对比例阀开度的控制需求,实现对燃料电池系统氢气供应压力的稳定控制，电磁阀、比例阀手汽车ECU控制，通过一定的控制策略来控制电磁阀的开启和比例阀的开度。
所述引射腔体由入口至出口依次为引射腔体减缩室、引射腔体混合室、引射腔体扩散室，所述引射腔体减缩室开设有回氢引射口，所述回氢引射口与燃料电池堆出口相连，气体经过燃料电池堆后,进入引射腔体减缩室,其作用是将未参与化学反应的剩余氢气和阳极侧水蒸气,在引射喷嘴出口真空吸附作用下,进入引射腔体,再次参与化学反应,并为阳极侧加湿。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述引射喷嘴为文丘里喷嘴，利用一种文丘里管,将高压低速的工作流体经过引射喷嘴的减压增速作用后,以超过当地声速的流速进入引射腔体,并在引射喷嘴出口附近的区域形成真空度。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述引射腔体为拉伐尔喷管结构，利用拉法尔腔体原理,不需要额外耗功,实现气体从引射喷嘴出口流经引射腔体时,在引射腔体渐缩室与引射回流气体进行动量交换,流速得以增加，两股气体在引射腔体混合室中后段逐步混合均匀,形成较稳定的流体后进入引射腔体扩散室,将动能转化为压力势能,克服引射腔体出口背压。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述引射喷嘴被接纳在所述引射腔体减缩室内，且其出口对准所述引射腔体混合室，避免由于引射喷嘴导致高速气体无法顺畅的喷出，产生气流紊乱，减小压力损耗。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述引射腔体的出口安装有压力传感器，用于检测氢气进入燃料电池系统前的压力,通过调节比例阀开度匹配相应的氢气进入燃料电池系统前的压力。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述引射腔体的出口连通有泄压电磁阀和机械泄压阀，泄压电磁阀用于燃料电池汽车动力系统断电保护，机械泄压阀用于燃料电池汽车动力系统过压保护。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述所述电磁阀、比例阀、引射喷嘴、引射腔体使用转接头相互进行连接，降低了管路连接造成压力损失,同时也减小了体积。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：还包含一主体，所述引射腔体位于该主体内且其入口和出口以及回氢引射口暴露在该主体外，便于外部器件安装连接。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述主体设置有多个主体固定孔，无需外部支架,便于实现燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置与燃料电池系统集成装配,主体固定口靠近引射腔体侧面中间位置,且主体固定孔位避开引射腔体流道。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：
1、利用了比例阀开度控制的稳定性,实现了对燃料电池系统氢气供应压力的稳定控制；
2、在较大流量范围内保持较高的引射比，调节比例阀开度为燃料电池汽车动力系统提供压力稳定的氢气,通过引射喷嘴的引射回流作用,增加氢气的利用率,提高阳极侧的氢气当量比,降低了尾气排放中氢气浓度,增加了燃料电池汽车动力系统的安全性,同时引射回流的氢气包含水蒸气,可以实现对燃料电池系统阳极侧加湿,提高了燃料电池系统性能；
3、具有结构紧凑,运行稳定噪声小、振动小、控制压力稳定等特点，保证燃料电池汽车能够稳定,高效,安全运行。
附图说明
图1为本发明的外部结构正视图；
图2为本发明的引射腔体结构示意图；
图3为本发明的外部陆构俯视图；
图4为本发明的外部结构左视图；
图5为本发明的外部陆构右视图；
图6为本发明所用泄压电磁阀的外部结构示意图；
图7为本发明所用机械泄压阀的外部陈构示意图。
1. 电磁阀固定孔2. 氢气进口 3、电磁阀 4、比例阀 5、引射喷嘴 6、引射腔体减缩室 7、引射腔体混合室 8、引射腔体扩散室 9、机械泄压固定孔 10、压力传感器 11、电磁泄压阀固定孔12、氢气出口14、引射腔体13、主体固定孔 15、回氢引射口 16、比例阀出口17、比例阀进口 18、泄压电磁阀 19、机械泄压阀 20、主体。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例中的附图1-7，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，
一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，包括电磁阀3、比例阀4、引射喷嘴5、引射腔体14、回氢引射口15、主体20，引射腔体14位于该主体20内且其入口和出口以及回氢引射口15暴露在该主体20外，主体20设置有多个主体固定孔13；
电磁阀3、比例阀4、引射喷嘴5、引射腔体14依次串联，电磁阀3的入口处设置有氢气进口2，该氢气进口2与燃料电池储氢系统相连，引射腔体14的出口为氢气出口12，其与燃料电池堆入口相连；
引射腔体14为拉伐尔喷管结构且由入口至出口依次为引射腔体减缩室6、引射腔体混合室7、引射腔体扩散室8，引射腔体减缩室6开设有回氢引射口15，回氢引射口15与燃料电池堆出口相连。
优选的，电磁阀3上开设有电磁阀固定孔1，便于电磁阀3的安装固定。
进一步的，引射喷嘴5为文丘里喷嘴且被接纳在引射腔体减缩室6内，且其出口对准引射腔体混合室7。
进一步的，主体20上开设有用于连接泄压电磁阀18和机械泄压阀19的泄压电磁阀固定孔11和机械泄压阀固定孔9，泄压电磁阀固定孔11、机械泄压阀固定孔9均位于主体20侧面且靠近其一端，泄压电磁阀固定孔11、机械泄压阀固定孔9均与引射腔体14的出口（即氢气出口12）连通，使得安装后的泄压电磁阀18和机械泄压阀19与与引射腔体14的出口（即氢气出口12）连通。
进一步的，主体20还安装有压力传感器10，压力传感器10位于引射腔体扩散室8这一侧,其读取值作为燃料电池堆进口压力值。
进一步的，电磁阀3、比例阀4、引射喷嘴5、引射腔体14使用转接头相互进行连接。
具体的工作原理为：
燃料电池储氢系统内的氢气通过减压,减压后的氢气压力一般在10~15bar 范围内,然后氢气进入电磁阀,通过电磁阀3开启氢气进入比例阀,通过比例阀4匹配燃料电池功率,控制相应的开度,将供氢压力稳定在可控范围内,供氢压力波动范围可以控制在士0.05bar内(氢气尾排电磁阀开启瞬间),如果氢气尾排电磁阀不开启,供氢压力几乎没有波动；引射喷嘴5其结构上利用一种文丘里喷嘴原理,将高压低速的工作流体经过引射喷嘴5的减压增速作用后,以超过当地声速的流速进入引射腔体14，并在引射喷嘴5出口附近的区域形成真空度，这一真空度可将回氢引射口15的引射回流气体吸附到引射腔体渐缩室6内，引射腔体14利用拉伐尔喷管原理,不需要额外耗功,实现气体从引射喷嘴5出口流经引射腔体14时,在引射腔体渐缩室6与从回氢引射口15进入的引射回流气体进行动量交换,流速得以增加，两股气体在引射腔体混合室7中后段逐步混合均匀,形成较稳定的流体后进入引射腔体扩散室8,将动能转化为压力势能,克服引射腔体出口背压,最后完成燃料电池系统的供氢回氢。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，包括电磁阀（3）、比例阀（4）、引射喷嘴（5）、引射腔体（14）、回氢引射口（15）；
所述电磁阀（3）、比例阀（4）、引射喷嘴（5）、引射腔体（14）依次串联，所述电磁阀（3）的入口与燃料电池储氢系统相连，所述引射腔体（14）的出口与燃料电池堆入口相连；
所述引射腔体（14）由入口至出口依次为引射腔体减缩室（6）、引射腔体混合室（7）、引射腔体扩散室（8），所述引射腔体减缩室（6）开设有回氢引射口(15)，所述回氢引射口(15)与燃料电池堆出口相连。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，其特征在于：所述引射喷嘴（5）为文丘里喷嘴。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，其特征在于：所述引射腔体（14）为拉伐尔喷管结构。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，其特征在于：所述引射喷嘴（5）被接纳在所述引射腔体减缩室（6）内，且其出口对准所述引射腔体混合室（7）。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，其特征在于：所述引射腔体（14）的出口安装有压力传感器（10）。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，其特征在于：所述引射腔体（14）的出口连通有泄压电磁阀（18）和机械泄压阀（19）。
7.根据权利要求6任一所述的一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，其特征在于：所述所述电磁阀（3）、比例阀（4）、引射喷嘴（5）、引射腔体（14）使用转接头相互进行连接。
8.根据权利要求6所述的一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，其特征在于：还包含一主体（20），所述引射腔体（14）位于该主体（20）内且其入口和出口以及回氢引射口(15)暴露在该主体（20）外。
9.根据权利要求6所述的一种燃料电池汽车动力系统的供氢回氢稳压装置，其特征在于：所述主体（20）设置有多个主体固定孔（13）。
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