CN111785994A - 一种燃料电池氢气引射器及其氢气循环系统 - Google Patents

一种燃料电池氢气引射器及其氢气循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池的技术领域，公开了一种燃料电池氢气引射器及其氢气循环系统；燃料电池氢气引射器包括喷嘴、引射器主体与调控主体；引射器主体包括依次连通设置的吸入室、混合室与扩散室；吸入室一侧设有用于高压氢气流入的一次流入口，扩散室一侧设有用于混合气体流出的混合气体出口；喷嘴设于吸入室内；调控主体设有冷媒通道与混合冷却通道；冷媒通道用于冷媒的流通；混合冷却通道用于从电堆排出的高温氢气水蒸气混合气体和冷媒换热冷却；混合冷却通道与吸入室相连通。本发明的燃料电池氢气引射器通过调控冷媒的温差和流量，可以实现对水蒸气冷凝量的控制，从而实现对氢气占比的控制，从集成排水增加氢气引射器量。

Description

一种燃料电池氢气引射器及其氢气循环系统
技术领域
本发明属于燃料电池的技术领域，特别涉及一种燃料电池氢气引射器及其氢气循环系统。
背景技术
近年来，在全球响应节能减排、使用清洁能源的大背景下，主要国家及地区对氢能的开发和利用越来越重视，逐步将氢能列入相关发展战略及产业政策中，燃料电池汽车产业作为其主要载体得到了极大关注。国内氢燃料电池行业在政策和市场的猛烈刺激下，正在热火朝天的蓬勃发展。
在燃料电池系统设计中，氢气供给系统中，因电堆工作工况的不同，对氢气的计量比要求不同，且为了保证高效率要求氢气供给量要大于氢气消耗量。电堆工作过程中必然有未参与消耗的过剩氢气，直接排放污染环境且易爆不安全，需要将过剩氢气重新利用。这就需要在系统中安装氢气引射器来实现氢气的回流。
因引射器是一个机械结构，在尺寸设计定型后，引射器无法满足所有电堆工作点，故在实际设计过程中，为了保证覆盖较多工况点，一般会舍弃部分工况点，这样就不能发挥燃料电池系统的最高工作效率；特别是有些工况下，引射回流的氢气含量不满足工作需求，且引射流体中含有过饱和的水蒸气，进一步降低氢气含量，无法满足工作需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池氢气引射器及其氢气循环系统，解决了引射量方便调控的技术问题。
本发明提供的技术方案如下：
本发明的目的一是为了提供：一种燃料电池氢气引射器，包括喷嘴、引射器主体与调控主体；所述引射器主体包括依次连通设置的吸入室、混合室与扩散室；所述吸入室一侧设有用于高压氢气流入的一次流入口，所述扩散室一侧设有用于混合气体流出的混合气体出口；所述喷嘴设于吸入室内；所述调控主体设有冷媒通道与混合冷却通道；所述冷媒通道用于冷媒的流通；所述混合冷却通道用于从电堆排出的高温氢气水蒸气混合气体和冷媒换热冷却；所述混合冷却通道与吸入室相连通。
作为优选地，所述调控主体为带有夹层的壳体；所述混合冷却通道设于壳体内部；所述冷媒通道设于夹层内部；所述壳体内还设有空心挡板与冷凝水板，所述空心挡板与冷媒通道相连通。
作为优选地，所述调控主体设有混氢流入口与混氢流出口；所述混合冷却通道与吸入室通过混氢流出口连通；所述混氢流出口的开口方向与喷嘴的设置方向大抵垂直。所述大抵垂直是指其偏移方向小于±10°。
作为优选地，所述引射器主体的轴线方向与调控主体的轴线方向相互垂直设置；所述调控主体设于引射器主体的底部；所述调控主体的底部设有用于冷凝水流出的排水口；所述冷媒通道的出口与入口分别设于调控主体的对应两侧面上。
作为优选地，所述空心挡板至少设置一块，且向下倾斜设置。
作为优选地，所述冷媒通道的出口设于调控主体的顶部；所述冷媒通道的入口设于调控主体的底部。
作为优选地，所述引射器主体与调控主体为一体式设计。
本发明的另一目的在于提供一种带有燃料电池氢气引射器的氢气循环系统，包括氢气引射器与电堆；所述氢气引射器的混合气体出口通过第一管路与电堆导通连接；所述混氢流入口与电堆通过第二管路导通连接；所述冷媒通道的出口与入口之间外接有导通的第三管路。
作为优选地，所述一次流入口外接有第四管路；所述第四管路上设有压力控制阀；所述第三管路上设有压缩机、冷凝器与节流阀；所述排水口处设有排水阀。
作为优选地，所述压缩机、冷凝器与节流阀沿流体流动方向依次设置。
有益效果：本发明的燃料电池氢气引射器包括引射器主体与调控主体，引射器内流入高压气流，调控主体中流入电堆排出的高温氢气-水蒸气混合气体；调控主体中，混合气体与冷媒之间实现换热，水蒸气冷凝成液滴滴落，增加了混合气体中氢气的占比；通过调控冷媒的温差和流量，可以实现对水蒸气冷凝量的控制，从而实现对氢气占比的控制，从集成排水增加氢气引射器量。
高压氢气经过一次流入口进入喷嘴，流经喉口后，产生高速低压的氢气流体；电堆出口的高温过饱和氢气与水蒸气混合流体，经过混氢流入口进入混合冷却通道内，与外壳中低温的冷媒进行热量交换，变为低温饱和的氢气与水蒸气的混合流体。原混合气体中过饱和水遇到挡水板直接被分离出来；混合气体温度降低，饱和水蒸气压下降，更多的水蒸气变为冷凝水分离出来。这样一来，混合气体的水蒸气的含量降低，氢气的含量升高，从而实现增加氢气的引射回流量。而且可以通过控制混合气体的温度，来精确控制混合气体流量中氢气和水蒸气的含量比例。而后通过分离后的混合气体经过混合室，与一次流体混合进行动量和能量的交换，实现引射功能后，由混合出口进入电堆。
本专利的优点如下：
1.引射器和用于水汽分离的调控主体集成设计，管路连接少，泄漏点少，布置空间小，方便布置。
2.集成设计，减少管路的连接，减小引射流体的流阻，有利于引射器的性能。
3.利用夹层冷媒和空心挡板，分离混合气体中的过饱和水，减小液态水对引射器的影响，有利于引射器性能。冷凝水板与挡水板一样设置，内部空心且竖直或倾斜设置，利用制冷剂蒸发吸热，给混合气体降温达到露点后，在冷凝水板表面凝结成液态水。
4.利用夹层冷媒，降低引射流体温度，降低饱和水蒸气压力，进一步降低混合气体中的水汽含量，从而实现增加引射流体中氢气的流量，解决电堆高引射系数的难题；喷射泵的流量比(引射系数)是指被引射流体与工作流体体积流量之比。
5.可以通过夹层冷媒和流量的改变，来控制混合气体的温度，从而精确控制混合气体中水蒸气和氢气的含量，有利于电堆的引射流量的控制。
6.可以控制引射器混合气体中水汽的含量，避免低温环境下停机后，有液态水进入引射器主体，降低了低温冰堵的风险。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种燃料电池氢气引射器及其氢气循环系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明燃料电池氢气引射器的剖面图；
图2是本发明燃料电池氢气引射器的结构示意图；
图3是本发明燃料电池氢气引射器的另一面结构示意图；
图4是本发明氢气循环系统的示意图。
附图标号说明
1-氢气引射器；11-喷嘴；12-引射器主体；13-调控主体；131-空心挡板；132-混氢流入口；133-混氢流出口；134-排水口；135-冷媒通道的出口；136-冷媒通道的入口；2-电堆；3-压缩机；4-冷凝器；5-节流阀；6-压力控制阀。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1
如图1所示，一种燃料电池氢气引射器，包括喷嘴11、引射器主体12与调控主体13；引射器主体12包括依次连通设置的吸入室、混合室与扩散室；吸入室一侧设有用于高压氢气流入的一次流入口，扩散室一侧设有用于混合气体流出的混合气体出口；喷嘴11设于吸入室内；调控主体13设有冷媒通道与混合冷却通道；冷媒通道用于冷媒的流通；混合冷却通道用于从电堆2排出的高温氢气水蒸气混合气体和冷媒换热冷却；混合冷却通道与吸入室相连通。
在实际使用中，引射器主体12水平设置，在其吸入室的中心处设有喷嘴11，喷嘴11水平设置，且其开口渐缩；喷嘴11固定在引射器主体12上，且其左侧闭合式连接，为使吸入室内的气体只能向右侧出口流出。喷嘴11处流入高压氢气。电堆2内氢气经氧化反应生成水，因存在过量未反应的氢气，将含有氢气与水蒸气的混合气体通过管路接入调控主体13内的混合冷却通道内，调控主体13的外侧夹层内有冷媒流经，类似换热器般的，混合气体走管程，冷媒走壳程，实现换热。利用夹层冷媒，降低引射流体温度，降低饱和水蒸气压力，进一步降低混合气体中的水汽含量，从而实现增加引射流体中氢气的流量，解决电堆2高引射系数的难题。
在某一实施例中，调控主体13为带有夹层的壳体；混合冷却通道设于壳体内部；冷媒通道设于夹层内部；壳体内还设有空心挡板131与冷凝水板，空心挡板131与冷媒通道相连通。冷凝水板为空心状，竖直或倾斜设置，并与冷媒通道相连通。
在实际使用中，空心挡板131的设置增加了混合气体流经时的阻碍，使得换热效率有所提高。
在某一实施例中，如图1-3所示，调控主体13设有混氢流入口132与混氢流出口133；混合冷却通道与吸入室通过混氢流出口133连通；混氢流出口133的开口方向与喷嘴11的设置方向大抵垂直。垂直设置可以进一步加速引流体与工作气体的混合，小幅度的少量偏移一般不影响混合结果。利用制冷剂蒸发吸热，给混合气体降温达到露点后，在冷凝水板表面凝结成液态水。
在某一实施例中，引射器主体12与调控主体13的轴线垂直设置。
在某一实施例中，引射器主体12水平设置，调控主体13竖向设置；调控主体13设于引射器主体12的底部；如图3所示，调控主体13的底部设有用于冷凝水流出的排水口134；冷媒通道的出口135与入口136分别设于调控主体13的对应两侧面上。水蒸气的冷凝不可避免的会使得液态水的堆积，当积累过多的水时，必然会减少调控主体13内的空间，进而可能会影响到换热。
在某一实施例中，空心挡板131至少设置一块，且向下倾斜设置。倾斜向下设置以及多块设置，可以增加换热效率，加快水滴的滴落。
在某一实施例中，冷媒通道的出口135设于调控主体13的顶部；冷媒通道的入口136设于调控主体13的底部。
在某一实施例中，引射器主体12与调控主体13为一体式设计。
在实际使用中，引射器和用于水汽分离的调控主体13集成设计，减少了管路连接，泄漏点少，布置空间小，方便布置；减小引射流体的流阻，有利于提高引射器的引射比等性能。
实施例2
在实施例1的基础上，如图4所示，带有燃料电池氢气引射器1的氢气循环系统包括氢气引射器1与电堆2；氢气引射器1的混合气体出口通过第一管路与电堆2导通连接；混氢流入口132与电堆2通过第二管路导通连接；冷媒通道的出口135与入口136之间外接有导通的第三管路。
在某一实施例中，一次流入口外接有第四管路；第四管路上设有压力控制阀6；第三管路上设有压缩机3、冷凝器4与节流阀5；排水口134处设有排水阀。
在某一实施例中，压缩机3、冷凝器4与节流阀5沿流体流动方向依次设置。
在实际使用中，由压力控制阀6控制着将高压氢气经管路注入至氢气引射器1的喷嘴11内，高压气流经喷嘴11，变成高速低压氢气，将混合气体从混氢流出口133吸入吸入室内，混合气体与氢气在混合室内混合，再经扩散室留出引射器主体12。混合气体与氢气的混合体经第一管路输送至电堆2，电堆2内发生氢气的氧化反应，放出大量的热，且生成水。因氢气并未反应完全，将经电堆2反应后的所有气体用第二管路接入调控主体13内，通过控制压缩机3转速控制冷媒流量，通过控制冷凝器4中风机转速来控制制冷剂高压压力，通过控制节流阀5开度来控制冷媒的入口温度，通过控制冷媒的流量和温度，来控制冷凝挡水板和冷凝水板中混合气体的露点温度，从而控制冷凝出来的气态水量，达到控制混合气体氢气和水蒸气的含量，这样经过引射器主体12引射出来的氢气和水蒸气的量就是可控量。当腔体中的液态水达到一定量的时候，通过控制排水阀的开启，来控制排水。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池氢气引射器，其特征在于：包括喷嘴、引射器主体与调控主体；所述引射器主体包括依次连通设置的吸入室、混合室与扩散室；所述吸入室一侧设有用于高压氢气流入的一次流入口，所述扩散室一侧设有用于混合气体流出的混合气体出口；所述喷嘴设于吸入室内；所述调控主体设有冷媒通道与混合冷却通道；所述冷媒通道用于冷媒的流通；所述混合冷却通道用于从电堆排出的高温氢气水蒸气混合气体和冷媒换热冷却；所述混合冷却通道与吸入室相连通。
2.根据权利要求1所述燃料电池氢气引射器，其特征在于：所述调控主体为带有夹层的壳体；所述混合冷却通道设于壳体内部；所述冷媒通道设于夹层内部；所述壳体内还设有空心挡板与冷凝水板，所述空心挡板与冷媒通道相连通。
3.根据权利要求1所述燃料电池氢气引射器，其特征在于：所述调控主体设有混氢流入口与混氢流出口；所述混合冷却通道与吸入室通过混氢流出口连通；所述混氢流出口的开口方向与喷嘴的设置方向垂直。
4.根据权利要求1所述燃料电池氢气引射器，其特征在于：所述引射器主体与调控主体的轴线相互垂直；所述调控主体设于引射器主体的底部；所述调控主体的底部设有用于冷凝水流出的排水口；所述冷媒通道的出口与入口分别设于调控主体的对应两侧面上。
5.根据权利要求2所述燃料电池氢气引射器，其特征在于：所述空心挡板至少设置一块，且向下倾斜设置。
6.根据权利要求4所述燃料电池氢气引射器，其特征在于：所述冷媒通道的出口设于调控主体的顶部；所述冷媒通道的入口设于调控主体的底部。
7.根据权利要求1所述燃料电池氢气引射器，其特征在于：所述引射器主体与调控主体为一体式设计。
8.带有如权利要求1-7任意一项所述燃料电池氢气引射器的氢气循环系统，其特征在于：包括氢气引射器与电堆；所述氢气引射器的混合气体出口通过第一管路与电堆导通连接；所述混氢流入口与电堆通过第二管路导通连接；所述冷媒通道的出口与入口之间外接有导通的第三管路。
9.根据权利要求8所述氢气循环系统，其特征在于：所述一次流入口外接有第四管路；所述第四管路上设有压力控制阀；所述第三管路上设有压缩机、冷凝器与节流阀；所述排水口处设有排水阀。
10.根据权利要求9所述氢气循环系统，其特征在于：所述压缩机、冷凝器与节流阀沿流体流动方向依次设置。
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