CN112397746B - 一种燃料电池发动机的阳极引射回流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机的阳极引射回流装置，属于燃料电池发动机技术领域。燃料电池发动机的阳极引射回流装置包括分离器，其用于分离液态水及氢气，分离器上设置有出气口；喷射器，其用于氢气的喷入，喷射器的端部连接有喷嘴，喷嘴包括依次连接的导流段、节流段及加速段，导流段与喷射器的端部连接，且导流段的直径保持不变，节流段的直径向靠近加速段的方向逐渐变小，加速段的直径向远离节流段的方向逐渐增大，以使氢气在节流段与加速段之间的连接处的流速大于340m/s；引射器，其与加速段同轴设置且相互连通，且引射器与出气口连通，以使由加速段进入引射器内的氢气能吸入出气口的氢气。其优点在于：能够使氢气的损失较小及回流效果较好。

Description

一种燃料电池发动机的阳极引射回流装置

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机的阳极引射回流装置。

背景技术

为了保证燃料电池发动机中的电堆进行电化学反应，需要向电堆连续供给一定压力和流量的高纯度氢气以参与电化学反应；但在电堆在工作过程中，由于存在反应不完全的情况，导致部分氢气未参与到化学反应中，若将这部分氢气直接排放到大气中，既是一种污染，也会导致氢气浪费。

为了解决以上问题，采用氢气循环系统以再次利用未参与反应的氢气，以提高燃料电池发动机的经济性。目前氢气循环系统主要有引射回流装置和电动氢气循环泵；其中，由于引射回流装置具有结构简单、可靠性高以及成本低的特点，已被广泛使用。

但目前的引射回流装置中的喷嘴的内腔的形状普遍采用了规则的直线段，导致在喷嘴的内腔的拐角处会对氢气流动造成不利影响，因导致对氢气的损失量较大以及对氢气的回流效果较差，不能满足大功率的燃料电池发动机的氢气循环要求，导致发动机的工作的可靠性较差。

综上所述，亟需设计一种燃料电池发动机的阳极引射回流装置，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种燃料电池发动机的阳极引射回流装置，能够使氢气的损失较小以及使氢气的回流效果较好，具有工作可靠性较高的特点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种燃料电池发动机的阳极引射回流装置，包括：

分离器，其用于分离发动机中回流混合气中的液态水及氢气，所述分离器上设置有用于氢气流出的出气口；

喷射器，其用于氢气的喷入，所述喷射器的端部连接有喷嘴，所述喷嘴包括依次连接的导流段、节流段及加速段，所述导流段与所述喷射器的端部连接，且所述导流段的直径保持不变，所述节流段的直径向靠近所述加速段的方向逐渐变小，所述加速段的直径向远离所述节流段的方向逐渐增大，以使氢气在所述节流段与所述加速段之间的连接处的流速大于340m/s；

引射器，其与所述加速段同轴设置且相互连通，且所述引射器与所述出气口连通，以使由所述加速段进入所述引射器内的氢气能够吸入所述出气口的氢气。

优选地，所述引射器包括依次连接的入口段、引流段、扩口段以及出口段，所述入口段与所述加速段同轴连通，所述引流段与所述出口段的直径均保持不变，所述扩口段的直径向靠近所述出口段的方向逐渐增大。

优选地，所述入口段与所述出气口连通。

优选地，所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

分配管，所述分配管的一端与所述出口段连通，另一端同时与发动机中的第一支管及第二支管连接，以将由所述出口段流至的氢气均分至所述第一支管与所述第二支管内。

优选地，所述分配管为圆锥凸起结构，所述圆锥凸起结构的圆锥顶点与所述出口段密封连接。

优选地，所述圆锥凸起结构的圆锥顶点与所述出口段之间的密封连接采用球面硬密封。

优选地，所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

第一传感器，其用于检测所述喷射器的入口压力；

第二传感器，其用于检测所述分配管的出口压力。

优选地，所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

泄压阀，其与所述分配管连接，所述泄压阀能够根据所述第二传感器检测的压力值卸掉所述分配管内的溢出压力。

优选地，所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

出气接头，其与所述喷嘴连接，且所述出气接头上设置有排氮阀，所述排氮阀用于控制所述出气接头的打开，以排出所述喷嘴内的氢气中的氮气杂质。

优选地，所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

控制系统，其与所述喷射器及所述排氮阀均为控制连接，且所述控制系统与所述第一传感器及所述第二传感器均为信号连接。

本发明的有益效果为：

通过设置用于分离发动机中回流混合气中的液态水及氢气的分离器以及用于氢气的喷入的喷射器，在喷射器的端部连接喷嘴，喷嘴包括依次连接的导流段、节流段及加速段，导流段与喷射器的端部连接；使导流段的直径保持不变，节流段的直径向靠近加速段的方向逐渐变小，由于氢气运动遵循“流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，因此氢气在节流段中不断加速，以使氢气在节流段与加速段之间的连接处的流速能够大于340m/s；且使加速段的直径向远离节流段的方向逐渐增大，由于流速已经超过了音速，跨音速的流体在运动时遵循“截面越大，流速越快”的原理，即能够进一步对氢气进行加速，以使氢气通过喷嘴后能够形成高速氢气流；同时使引射器与加速段同轴设置且相互连通，且引射器与分离器上的出气口连通，由于“流体流速的增大伴随流体压力的降低”，即可得由加速段进入引射器内的高速氢气能够在引射器的入口处形成负压区域，而分离器内的压力较大，能够将分离器分离出的氢气经过出气口吸出，从而实现对氢气的高效回流，以满足大功率的燃料电池发动机的氢气循环要求，使发动机的工作的可靠性较高；其中，由于氢气在喷嘴内的流速较大，极大地降低了氢气的沿程损失，以使氢气的动能实现压损最小化。

附图说明

图1是本发明提供的燃料电池发动机的阳极引射回流装置的结构示意图；

图2是本发明提供的燃料电池发动机的阳极引射回流装置的剖视图；

图3是本发明提供的喷嘴的剖视图；

图4是本发明提供的引射器的剖视图；

图5是本发明提供的分配管的结构示意图。

附图标记说明：

L1-导流段；L2-节流段；L3-加速段；

M1-入口段；M2-引流段；M3-扩口段；M4-出口段；

11-喷射器；12-喷嘴；13-引射器；

2-分配管；3-分离器；4-排氮阀；5-出气接头；6-第一传感器；7-第二传感器；8-泄压阀；9-第一支管；10-第二支管。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其它等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而己。在整个说明书中，同样的附图标记指示同样的元件。

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例中，提出了一种燃料电池发动机的阳极引射回流装置，能够使氢气的损失较小以及使氢气的回流效果较好，具有工作可靠性较高的特点；即能够根据“拉瓦尔喷管”的原理提高氢气的流速以实现虹吸效果的最大化，最终实现了较大的引射循环比；其中，引射循环比指的是入堆氢气量除以氢气消耗量。本实施例中，通过燃料电池发动机的阳极引射回流装置，能够使引射循环比达到三。

具体地，如图1-3所示，燃料电池发动机的阳极引射回流装置包括分离器3、喷射器11及引射器13。其中，分离器3用于分离发动机中回流混合气中的液态水及氢气，分离器3上设置有用于氢气流出的出气口，以对未进行燃烧的氢气进行回流再利用；喷射器11用于氢气的喷入，在喷射器11的端部连接有喷嘴12，喷嘴12包括依次连接的导流段L1、节流段L2及加速段L3，导流段与喷射器11的端部连接，且导流段的直径保持不变，节流段的直径向靠近加速段的方向逐渐变小，加速段的直径向远离节流段的方向逐渐增大，节流段与加速段之间的连接处为喉口，喉口的直径为D1，D1为节流段的最小直径且为加速段的最大直径，氢气在喉口处的的流速大于音速340m/s；引射器13与加速段同轴设置且相互连通，且引射器13与出气口连通，以使由加速段进入引射器13内的高速氢气能够自动吸入出气口的氢气。其它实施例中，还可以使喷嘴12包括依次连接的多段工作段，以实现对氢气的超音速的加速效果即可。本实施例中，喷射器11与喷嘴12之间通过螺纹直连，以能够最大程度地利用阳极气流的动能性。其它实施例中，还可以使喷射器11与喷嘴12通过镶嵌或焊接的连接方式。

其中，由加速段进入引射器13内的高速氢气能够自动吸入出气口的氢气的主要原理如下：根据“拉瓦尔喷管”原理，在压力作用下，喷射器11将氢气流喷入喷嘴12的导流段内，氢气流在导流段内继续运动，并进入喷嘴12的节流段。在节流段内，氢气的运动遵循“流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，且由于节流段的直径向靠近加速段的方向逐渐变小，因此氢气流能够在节流段内不断加速；当氢气到达喷嘴12的喉口时，氢气的流速已经超过了音速即340m/s；而跨音速的流体在运动时却不再遵循“截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，而恰恰相反，遵循“截面越大，流速越快”的运动原理，且加速段的直径向远离节流段的方向逐渐增大，因此在喷嘴12的加速段中，氢气流的速度被进一步加速；经过喷嘴12的加速段加速后所形成的高速氢气射流速度可达到500m/s。即喷嘴12实际上起到了一个氢气“流速增大器”的作用。

同时，根据“伯努利定律”可知流体流速的增大伴随流体压力的降低，即常见的“文丘里现象”。文丘里现象是指在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。喷嘴12的加速段处的高速氢气射流直接喷入引射器13内，在引射器13的入口处能够形成负压区域，超音速的氢气流在该处形成强力的“虹吸效应”，以将分离器3内高效分离后的氢气自动吸入引射器13内，以与由喷射器11喷入的氢气在引射器13内部混合，从而实现对氢气的自动回流。

通过设置用于分离发动机中回流混合气中的液态水及氢气的分离器3以及用于氢气的喷入的喷射器11，在喷射器11的端部连接喷嘴12，喷嘴12包括依次连接的导流段、节流段及加速段，导流段与喷射器11的端部连接；使导流段的直径保持不变，节流段的直径向靠近加速段的方向逐渐变小，由于氢气运动遵循“流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，因此氢气在节流段中不断加速，以使氢气在节流段与加速段之间的连接处的流速能够大于340m/s；且使加速段的直径向远离节流段的方向逐渐增大，由于流速已经超过了音速，跨音速的流体在运动时遵循“截面越大，流速越快”的原理，即能够进一步对氢气进行加速，以使氢气通过喷嘴12后能够形成高速氢气流；同时使引射器13与加速段同轴设置且相互连通，且引射器13与分离器3上的出气口连通，由于“流体流速的增大伴随流体压力的降低”，即可得由加速段进入引射器13内的高速氢气能够在引射器13的入口处形成负压区域，而分离器3内的压力较大，能够将分离器3分离出的氢气经过出气口吸出，从而实现对氢气的高效回流，以满足大功率的燃料电池发动机的氢气循环要求，使发动机的工作的可靠性较高；其中，由于氢气在喷嘴12内的流速较大，极大地降低了氢气的沿程损失，以使氢气的动能实现压损最小化。本实施例中，喷射器11为大流量氢气喷射器11。通过采用大流量氢气喷射器11，以使喷嘴12的流量越大，喷射后的气体流速越高，所形成的引射器13的入口处负压越低，虹吸效果越强，氢气循环效果越好。其它实施例中，喷射器11还可以为大流量比例电磁阀。

进一步地，如图4所示，引射器13包括依次连接的入口段M1、引流段M2、扩口段M3以及出口段M4，入口段与加速段同轴连通，引流段的直径d1与出口段的直径d2均保持不变，扩口段的直径向靠近出口段的方向逐渐增大；其中入口段与出气口连通，以使在形成负压区域的入口段能够快速将分离器3分离出的氢气通过出气口自动吸入至引射器13的入口段内。

根据“拉瓦尔喷管”原理以及“伯努利定律”，通过使扩口段的直径向靠近出口段的方向逐渐增大，能够使氢气通过扩口段时进行减速增压，以使氢气能够具有一定的压力以流至引射器13的出口段。其它实施例中，还可以使引射器13包括依次连接的多段工作段，以实现对出气口的氢气吸入以及对氢气进行减速增压的目的即可。

具体地，如图1和图5所示，燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括分配管2，分配管2的一端与出口段连通，分配管2的另一端同时与发动机中的第一支管9及第二支管10连接，以将由出口段流至的氢气均分至第一支管9与第二支管10内，以分别进入两个电堆中进行电化学反应，即为双堆分配管2。其它实施例中，还可以使分配管2同时与三个支管或者其它数量的支管连接，以形成三堆或者多堆分配管2。

其中，如图5所示，分配管2为圆锥凸起结构，圆锥凸起结构的圆锥顶点与引射器13的出口段密封连接。通过将分配管2设置为圆锥凸起结构，能够有效降低氢气流动能撞壁损失，以极大地降低了氢气流压降，从而能够使氢气流以较小压力损失均匀地分配至第一支管9及第二支管10内。本实施例中，圆锥凸起结构的圆锥顶点与出口段之间的密封连接采用自动对中的球面硬密封，以在提高密封性的同时，能够进一步提高了氢气分配至第一支管9及第二支管10内的均匀性。其它实施例中，还可以在通过增加定位销的方式，以在提高密封性的同时，能够进一步提高氢气分配至第一支管9及第二支管10内的均匀性。

进一步地，如图1所示，燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括第一传感器6、第二传感器7及泄压阀8。其中，第一传感器6用于检测喷射器11的入口压力；第二传感器7用于检测分配管2的出口压力；泄压阀8与分配管2连接，泄压阀8能够根据第二传感器7检测的压力值卸掉分配管2内的溢出压力，以对分配管2进行超压保护；当发生异常导致分配管2的出口压力高于设定值时，打开泄压阀8以泄放气体以保护电堆。其中，本实施例中，泄压阀8为机械式压力泄放阀。泄压阀8布置在分配管2的正中间处，在泄压阀8开启时能够均匀泄放系统内的高压气体，不会导致第一支管9或者第二支管10中的任何一个突然失压，以进一步保证了工作的稳定性。本实施例中，第一传感器6及第二传感器7均为压力传感器。其它实施例中，还可以采用两个泄压阀8，以实现在泄压阀8开启时能够均匀泄放系统内的高压气体。

具体地，如图1和图2所示，燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括出气接头5，出气接头5与喷嘴12连接，且在出气接头5上设置有排氮阀4，排氮阀4用于控制出气接头5的打开，以排出喷嘴12内的氢气中的氮气杂质，以提高氢气的纯度，从而能够提高电化学反应效率。其中，由于排氮阀4与喷嘴12直接连接，即对排氮阀4的开启时刻以及开启时长需要根据与喷射器11和引射器13的耦合控制策略，并通过仿真计算和试验分析以确定开启参数并精确控制，以使在排氮阀4开启时，喷嘴12以及引射器13的引射回流效果不受影响。

进一步地，燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括控制系统(图中未示出)，控制系统与喷射器11及排氮阀4均为控制连接，且控制系统与第一传感器6及第二传感器7均为信号连接；通过使控制系统自动控制喷射器11的不断打开与闭合，从而能够使得整个氢气的引射回流过程不断重复，以最终满足燃料电池发动机阳极的氢气循环需求；通过使第一传感器6与第二传感器7采集的压力数据传送至控制系统以作为输入参数，从而按既定的耦合控制策略，以控制排氮阀4的打开与闭合，以实现用于对喷射器11、喷嘴12以及排氮阀4的闭环控制，从而能够使在排氮阀4开启时，喷嘴12以及引射器13的引射回流效果不受影响。其它实施例中，还可以增加温度传感器和气体组分传感器以进一步修正闭环控制策略。本实施例中，控制系统为现有技术中的常用控制结构，因此，此处不再对其结构及控制原理进行详细赘述。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种燃料电池发动机的阳极引射回流装置，其特征在于，包括：

分离器(3)，其用于分离发动机中回流混合气中的液态水及氢气，所述分离器(3)上设置有用于氢气流出的出气口；

喷射器(11)，其用于氢气的喷入，所述喷射器(11)的端部连接有喷嘴(12)，所述喷嘴(12)包括依次连接的导流段、节流段及加速段，所述导流段与所述喷射器(11)的端部连接，且所述导流段的直径保持不变，所述节流段的直径向靠近所述加速段的方向逐渐变小，所述加速段的直径向远离所述节流段的方向逐渐增大，以使氢气在所述节流段与所述加速段之间的连接处的流速大于340m/s；

引射器(13)，其与所述加速段同轴设置且相互连通，且所述引射器(13)与所述出气口连通，以使由所述加速段进入所述引射器(13)内的氢气能够吸入所述出气口的氢气；

所述引射器(13)包括依次连接的入口段、引流段、扩口段以及出口段，所述入口段与所述加速段同轴连通，所述引流段与所述出口段的直径均保持不变，所述扩口段的直径向靠近所述出口段的方向逐渐增大；

所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

分配管(2)，所述分配管(2)的一端与所述出口段连通，另一端同时与发动机中的第一支管(9)及第二支管(10)连接，以将由所述出口段流至的氢气均分至所述第一支管(9)与所述第二支管(10)内；

所述分配管(2)为圆锥凸起结构，所述圆锥凸起结构的圆锥顶点与所述出口段密封连接。

2.如权利要求1所述的燃料电池发动机的阳极引射回流装置，其特征在于，所述入口段与所述出气口连通。

3.如权利要求1所述的燃料电池发动机的阳极引射回流装置，其特征在于，所述圆锥凸起结构的圆锥顶点与所述出口段之间的密封连接采用球面硬密封。

4.如权利要求1所述的燃料电池发动机的阳极引射回流装置，其特征在于，所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

第一传感器(6)，其用于检测所述喷射器(11)的入口压力；

第二传感器(7)，其用于检测所述分配管(2)的出口压力。

5.如权利要求4所述的燃料电池发动机的阳极引射回流装置，其特征在于，所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

泄压阀(8)，其与所述分配管(2)连接，所述泄压阀(8)能够根据所述第二传感器(7)检测的压力值卸掉所述分配管(2)内的溢出压力。

6.如权利要求4所述的燃料电池发动机的阳极引射回流装置，其特征在于，所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

出气接头(5)，其与所述喷嘴(12)连接，且所述出气接头(5)上设置有排氮阀(4)，所述排氮阀(4)用于控制所述出气接头(5)的打开，以排出所述喷嘴(12)内的氢气中的氮气杂质。

7.如权利要求6所述的燃料电池发动机的阳极引射回流装置，其特征在于，所述燃料电池发动机的阳极引射回流装置还包括：

控制系统，其与所述喷射器(11)及所述排氮阀(4)均为控制连接，且所述控制系统与所述第一传感器(6)及所述第二传感器(7)均为信号连接。

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