CN113553678B - 防冻引射器及其设计方法和制作方法 - Google Patents

防冻引射器及其设计方法和制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种防冻引射器及其设计方法和制作方法，涉及燃烧电池设备的技术领域，包括以下步骤：设计引射器的主路气体入口，以控制主路气路的主路氢气质量流量输入；设计引射器的循环气体入口，以控制循环气路的循环气体质量流量输入；通过根据电堆的输出功率对应调节主路气路的主路氢气质量流量输入和循环气路的循环气体质量流量输入，使得引射器的质量引射比设计引射器的结构，利用电堆自带的循环气体的热量保证引射器内部的混合气体的温度大于0℃，保证引射器本身在工作过程中不受冻结影响工作性能，缓解了现有技术中存在的引射器内部的循环气体中水蒸气冷凝析出，会在引射器内部发生结冰、结霜现象，影响引射器工作性能的技术问题。

Description

防冻引射器及其设计方法和制作方法
技术领域
本发明涉及燃烧电池设备技术领域，尤其是涉及一种防冻引射器及其设计方法和制作方法。
背景技术
在燃料电池系统控制过程中，阳极氢气循环是必不可少的一部分，阳极氢气循环既能有效防止电堆内部水淹，又能减小氢气排放次数，提高氢气利用率。
在燃料电池系统正常工作状态下，从高压氢气瓶供应的主路气体和从电堆尾部经过气液分离器分离水分后循环回来的氢气、水蒸气、氮气组成的循环气体会在引射器混合室混合，混合气体最终重新进入电堆；但是在外界温度较低的情况下，由高压气瓶供应的主路气体温度也较低，会将循环气体中的水蒸气冷凝析出，甚至在引射器内部发生结冰、结霜现象，从而影响引射器的工作性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防冻引射器及其设计方法和制作方法，以缓解现有技术中存在的引射器内部的循环气体中水蒸气冷凝析出，会在引射器内部发生结冰、结霜现象，影响引射器工作性能的技术问题。
本发明提供的一种防冻引射器的设计方法，包括以下步骤：
设计引射器的主路气体入口，以控制主路气路的主路氢气质量流量输入；其中，所述主路气体入口用于向引射器内部输送主路气体；
设计引射器的循环气体入口，以控制循环气路的循环气体质量流量输入；其中，所述循环气体入口用于接收经电堆循环回来的带有热量的循环气体，以使带有热量的循环气体输送至引射器内部；
根据循环气路的循环气体质量流量输入和主路气路的主路氢气质量流量输入得出引射器的质量引射比；
基于引射器的质量引射比设计引射器，以使引射器内部的混合气体的温度大于0℃。
在本发明较佳的实施例中，得出引射器的质量引射比的步骤包括：
引射器的质量引射比是基于循环气体质量流量与主路氢气质量流量的比值：
Figure F_211103150222903_903597001
；
式中，r为引射器的质量引射比；m1为循环气体质量流量，kg/s；m0为主路氢气质量流量，kg/s。
在本发明较佳的实施例中，主路气路的主路氢气质量流量的控制公式为：
Figure F_211103150223107_107701002
；
式中，N为单位时间转子的氢离子数量；6.02*1023为阿伏伽德罗常量。
在本发明较佳的实施例中，电堆的输出功率的输出公式为：
Figure F_211103150223188_188267003
；
式中，P为电堆输出功率，W；n0为单电池数量；U0为单电池输出电压，V；I为电堆输出电流，A；n1为单电池反应转移电子数；e为单个电子所带电荷量，1.9*10-19C；t为时间，s。
在本发明较佳的实施例中，使引射器内部的混合气体的温度大于0℃的步骤还包括：
Figure F_211103150223298_298135004
；
式中，c0为主路氢气比热容，J/ (kg·K)；Tset为混合后的气体温度，取273.15K；T0为主路氢气的气体温度，K；c1为循环气体比热容，J/ (kg·K)；T1为循环气体的气体温度，K；Q为循环气体中水蒸气转化为水时的冷凝潜热，J/kg。
在本发明较佳的实施例中，引射比的最终要求：
Figure F_211103150223400_400657005
。
本发明提供的一种防冻引射器的制作方法，基于所述的防冻引射器的设计方法进行制作。
本发明提供的一种防冻引射器，通过所述的防冻引射器的制作方法制作得到，包括：引射器本体；
所述引射器本体包括引射器壳体、主路气路、循环气路和混合室；所述引射器壳体内部设置有容置腔，所述主路气路、循环气路和混合室均位于所述引射器壳体的容置腔内部；
所述主路气路位于所述引射器壳体的端部，所述主路气路用于将主路氢气输送至所述容置腔内部，所述循环气路位于所述引射器壳体的一侧，所述循环气路用于将循环气体输送至所述容置腔内部，所述混合室用于将主路氢气和循环气体混合；
其中，所述主路气路输送的主路氢气质量流量和循环气路输送的循环气体质量流量的质量引射比的要求公式为：
Figure F_211103150223494_494415006
；
式中，r为引射器的质量引射比；c0为主路氢气比热容，J/ (kg·K)；T0为主路氢气的气体温度，K；c1为循环气体比热容，J/ (kg·K)；T1为循环气体的气体温度，K；Q为循环气体中水蒸气转化为水时的冷凝潜热，J/kg；P为电堆输出功率，W；U0为单电池输出电压，V；t为时间，s。
在本发明较佳的实施例中，所述引射器本体还包括喷嘴和接收室；
所述喷嘴和所述接收室位于所述引射器壳体的容置腔内部；所述主路气路与所述喷嘴连通，所述喷嘴远离所述主路气路的一侧与所述混合室连通，所述喷嘴用于将主路氢气输送至所述混合室内；
所述接收室位于所述喷嘴和所述混合室之间，所述循环气路与所述接收室连通，所述循环气路用于将循环气体输送至所述接收室内，所述接收室与所述混合室连通，所述接收室用于将循环气体输送至所述混合室内。
在本发明较佳的实施例中，所述引射器本体还包括扩散室；
所述扩散室位于所述混合室远离所述喷嘴的一端，所述扩散室沿着所述混合室的一端至另一端的内径逐渐增大，所述扩散室用于将所述混合室内部的混合气体输送至电堆。
本发明提供的一种防冻引射器的设计方法，包括以下步骤：设计引射器的主路气体入口，以控制主路气路的主路氢气质量流量输入；其中，所述主路气体入口用于向引射器内部输送主路气体；设计引射器的循环气体入口，以控制循环气路的循环气体质量流量输入；其中，所述循环气体入口用于接收经电堆循环回来的带有热量的循环气体，以使带有热量的循环气体输送至引射器内部；根据循环气路的循环气体质量流量输入和主路气路的主路氢气质量流量输入得出引射器的质量引射比；基于引射器的质量引射比设计引射器，以使引射器内部的混合气体的温度大于0℃；通过根据电堆的输出功率对应调节主路气路的主路氢气质量流量输入和循环气路的循环气体质量流量输入，使得引射器的质量引射比设计引射器的结构，利用电堆自带的循环气体的热量保证引射器内部的混合气体的温度大于0℃，保证引射器本身在工作过程中不受冻结影响工作性能，缓解了现有技术中存在的引射器内部的循环气体中水蒸气冷凝析出，会在引射器内部发生结冰、结霜现象，影响引射器工作性能的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为本发明实施例提供的防冻引射器位于电堆循环系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的防冻引射器的整体结构示意图。
图标：100-引射器本体；101-引射器壳体；102-主路气路；103-循环气路；104-混合室；105-喷嘴；106-接收室；107-扩散室；200-电堆；300-高压气瓶；400-气液分离器。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图2所示，本实施例提供的一种防冻引射器的设计方法，包括以下步骤：设计引射器的主路气体入口，以控制主路气路102的主路氢气质量流量输入；其中，主路气体入口用于向引射器内部输送主路气体；设计引射器的循环气体入口，以控制循环气路103的循环气体质量流量输入；其中，循环气体入口用于接收经电堆200循环回来的带有热量的循环气体，以使带有热量的循环气体输送至引射器内部；根据循环气路103的循环气体质量流量输入和主路气路102的主路氢气质量流量输入得出引射器的质量引射比；基于引射器的质量引射比设计引射器，以使引射器内部的混合气体的温度大于0℃。
需要说明的是，本实施例提供的防冻引射器的设计方法，能够根据现有的燃料电池系统的循环氢气具体设计引射器的结构，利用引射器自身的结构，在对引射器本体100进行结构性设计，通过在保证电池电堆200功率的基础上，利用循环气体的热量输入平衡主路气体的主路氢气的温度，使得进入到引射器本体100内部的混合氢气的温度高于0℃，即不再影响引射器整体结构的基础上，利用对引射器的设计达到了防止引射器冻结的现象发生。
本实施例中，主路气路102的主路氢气质量流量输入是通过高压气瓶300中的高压氢气输送至引射器内部，循环气路103的循环气体质量流量输入是通过电堆200中回收的循环气体经过气液分离器400后，将循环气体输送至引射器内部，其中，主路氢气的温度低于循环气体的温度，当主路氢气的温度低于0℃，以及主路气路102和循环气体混合后的气体温度仍然低于0℃时，便会存在引射器内部的结冰、结霜的情况，为了保证引射器内部的混合气体温度高于0℃，根据电堆200的功率恒定，即电堆200需要的氢气质量流量恒定，通过控制循环气路103的循环气体质量流量输入和主路气路102的主路氢气质量流量输入得出引射器的质量引射比，通过控制引射器的质量引射比的范围，从而能够控制循环气体的热量完全中和主路氢气的热量，从而能够保证引射器内部的混合气体的温度大于0℃。
本实施例提供的一种防冻引射器的设计方法，包括以下步骤：设计引射器的主路气体入口，以控制主路气路102的主路氢气质量流量输入；其中，主路气体入口用于向引射器内部输送主路气体；设计引射器的循环气体入口，以控制循环气路103的循环气体质量流量输入；其中，循环气体入口用于接收经电堆200循环回来的带有热量的循环气体，以使带有热量的循环气体输送至引射器内部；根据循环气路103的循环气体质量流量输入和主路气路102的主路氢气质量流量输入得出引射器的质量引射比；基于引射器的质量引射比设计引射器，以使引射器内部的混合气体的温度大于0℃；通过根据电堆200的输出功率对应调节主路气路102的主路氢气质量流量输入和循环气路103的循环气体质量流量输入，使得引射器的质量引射比设计引射器的结构，利用电堆200自带的循环气体的热量保证引射器内部的混合气体的温度大于0℃，保证引射器本身在工作过程中不受冻结影响工作性能，缓解了现有技术中存在的引射器内部的循环气体中水蒸气冷凝析出，会在引射器内部发生结冰、结霜现象，影响引射器工作性能的技术问题。
在上述实施例的基础上，进一步地，在本发明较佳的实施例中，得出引射器的质量引射比的步骤包括：引射器的质量引射比是基于循环气体质量流量与主路氢气质量流量的比值：
Figure F_211103150223590_590110007
；
式中，r为引射器的质量引射比；m1为循环气体质量流量，kg/s；m0为主路氢气质量流量，kg/s。
在本发明较佳的实施例中，主路气路102的主路氢气质量流量的控制公式为：
Figure F_211103150223683_683857008
；
式中，N为单位时间转子的氢离子数量；6.02*1023为阿伏伽德罗常量。
本实施例中，
Figure F_211103150223777_777634009
为化学反应单位内转移电子的摩尔数；
Figure F_211103150223860_860149010
为化学反应单位时间内反应的H2的摩尔数，其中需要说明的是，一个H2反应转移两个电子；
Figure F_211103150223969_969511011
为化学反应单位时间内反应的H2的质量，其中需要说明的是，H2的摩尔质量为2g/mol。
在本发明较佳的实施例中，电堆200的输出功率的输出公式为：
Figure F_211103150224082_082320012
；
式中，P为电堆200输出功率，W；n0为单电池数量；U0为单电池输出电压，V；I为电堆200输出电流，A；n1为单电池反应转移电子数；e为单个电子所带电荷量，1.9*10-19C；t为时间，s。
由于电堆200的输出功率属于已知数，根据电堆200的输出功率能够得出：
Figure F_211103150224177_177490013
；即能够得出N，即单位时间转子的氢离子数量。
因此可以根据上述的计算公式得出：
Figure F_211103150224349_349885014
。
在本发明较佳的实施例中，使引射器内部的混合气体的温度大于0℃的步骤还包括：
Figure F_211103150224431_431910015
；
式中，c0为主路氢气比热容，J/ (kg·K)；Tset为混合后的气体温度，取273.15K；T0为主路氢气的气体温度，K；c1为循环气体比热容，J/ (kg·K)；T1为循环气体的气体温度，K；Q为循环气体中水蒸气转化为水时的冷凝潜热，J/kg。
需要说明的是，Tset为混合后的气体温度，夹设混合后的气体温度为0℃，即取273.15K。根据上述公式可以得出循环气体质量流量的范围公式：
Figure F_211103150224510_510042016
。
需要说明的是，
Figure F_211103150224592_592566017
；
即：
Figure F_211103150224670_670689018
；
Figure F_211103150224764_764008019
；
Figure F_211103150224907_907500020
；
Figure F_211103150225003_003690021
；
Figure F_211103150225081_081811022
；
根据上述的设计公式的推导，可以得出引射比的最终要求：
Figure F_211103150225175_175559023
。
因此，引射器的质量引射比可以根据上述的设计公式进行确定，从而能够满足利用循环气体的热量保证混合气体的温度大于等于0℃。即通过已知的主路氢气比热容、循环气体比热容、循环气体的气体温度、主路氢气的气体温度、电堆200输出功率、单电池输出电压、循环气体中水蒸气转化为水时的冷凝潜热的具体数值，对引射器进行对应设计制作；另外，需要说明的是，当需要保证引射器本体100内部的混合气体的温度高于某一数值时，只需要改变Tset的取值即可；另外，主路氢气的气体温度可以根据当地的最低气温进行取值即可，此处对此不再赘述。
本实施例提供的一种防冻引射器的制作方法，基于所述的防冻引射器的设计方法进行制作。本实施例根据上述的设计方法，根据不同的需求对应的具体数值进行机械制作，进而能够制作防冻引射器。
本实施例提供的一种防冻引射器，通过所述的防冻引射器的制作方法制作得到，包括：引射器本体100；引射器本体100包括引射器壳体101、主路气路102、循环气路103和混合室104；引射器壳体101内部设置有容置腔，主路气路102、循环气路103和混合室104均位于引射器壳体101的容置腔内部；主路气路102位于引射器壳体101的端部，主路气路102用于将主路氢气输送至容置腔内部，循环气路103位于引射器壳体101的一侧，循环气路103用于将循环气体输送至容置腔内部，混合室104用于将主路氢气和循环气体混合；其中，主路气路102输送的主路氢气质量流量和循环气路103输送的循环气体质量流量的质量引射比的要求公式为：
Figure F_211103150225240_240564024
；
式中，r为引射器的质量引射比；c0为主路氢气比热容，J/ (kg·K)；T0为主路氢气的气体温度，K；c1为循环气体比热容，J/ (kg·K)；T1为循环气体的气体温度，K；Q为循环气体中水蒸气转化为水时的冷凝潜热，J/kg；P为电堆200输出功率，W；U0为单电池输出电压，V；t为时间，s。
本实施例中，引射器本体100作用一个机械部件，根据上述设计方法进行设计以及制作方法进行制作完成后，即通过保证循环气路103输送的循环气体质量流量和主路气路102输送的主路氢气质量流量达到平衡，二者输送的气体通过在混合室104内部充分混合后，温度达到预设的温度范围的混合气体输送电堆200内部进行反应。
在本发明较佳的实施例中，引射器本体100还包括喷嘴105和接收室106；喷嘴105和接收室106位于引射器壳体101的容置腔内部；主路气路102与喷嘴105连通，喷嘴105远离主路气路102的一侧与混合室104连通，喷嘴105用于将主路氢气输送至混合室104内；接收室106位于喷嘴105和混合室104之间，循环气路103与接收室106连通，循环气路103用于将循环气体输送至接收室106内，接收室106与混合室104连通，接收室106用于将循环气体输送至混合室104内。
本实施例中，主路气路102沿着引射器本体100的端部延伸布置，为了保证高压气瓶300内部的主路氢气即使输送至混合室104位置，通过利用喷嘴105将主路气路102中的主路氢气输送至混合室104位置；接收室106可以沿着引射器壳体101的圆周方向均匀布置，即循环气路103的入口位置开设于引射器壳体101的侧壁位置，并且循环气路103与接收室106连通，利用接收室106位于喷嘴105和混合室104之间，当循环气路103将循环气体输送至接收室106后，接收室106内的循环气体会逐渐与喷嘴105输送到混合室104的主路气体进行混合，完成气体的混合以及输送。
在本发明较佳的实施例中，引射器本体100还包括扩散室107；扩散室107位于混合室104远离喷嘴105的一端，扩散室107沿着混合室104的一端至另一端的内径逐渐增大，扩散室107用于将混合室104内部的混合气体输送至电堆200。
本实施例中，为了保证对电池的混合气体的输送，当主路氢气和循环气体混合完成后，利用内径扩大的扩散室107，能够使得混合气体更好的对电堆200进行输送了，保证了电池电堆200的燃料充分，使得设计更加完善。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种防冻引射器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
设计引射器的主路气体入口，以控制主路气路的主路氢气质量流量输入；其中，所述主路气体入口用于向引射器内部输送主路气体；
设计引射器的循环气体入口，以控制循环气路的循环气体质量流量输入；其中，所述循环气体入口用于接收经电堆循环回来的带有热量的循环气体，以使带有热量的循环气体输送至引射器内部；
根据循环气路的循环气体质量流量输入和主路气路的主路氢气质量流量输入得出引射器的质量引射比；其中，主路气路输送的主路氢气质量流量和循环气路输送的循环气体质量流量的质量引射比的要求公式为：
Figure F_211108101829709_709804001
；
式中，r为引射器的质量引射比；c0为主路氢气比热容，J/ (kg·K)；T0为主路氢气的气体温度，K；c1为循环气体比热容，J/ (kg·K)；T1为循环气体的气体温度，K；Q为循环气体中水蒸气转化为水时的冷凝潜热，J/kg；P为电堆输出功率，W；U0为单电池输出电压，V；t为时间，s；
基于引射器的质量引射比设计引射器，以使引射器内部的混合气体的温度大于0℃。
2.根据权利要求1所述的防冻引射器的设计方法，其特征在于，得出引射器的质量引射比的步骤包括：
引射器的质量引射比是基于循环气体质量流量与主路氢气质量流量的比值：
Figure F_211108101829821_821993002
；
式中，r为引射器的质量引射比；m1为循环气体质量流量，kg/s；m0为主路氢气质量流量，kg/s。
3.根据权利要求2所述的防冻引射器的设计方法，其特征在于， 主路气路的主路氢气质量流量的控制公式为：
Figure F_211108101829915_915775003
；
式中，N为单位时间转子的氢离子数量；6.02*1023为阿伏伽德罗常量。
4.根据权利要求3所述的防冻引射器的设计方法，其特征在于，电堆的输出功率的输出公式为：
Figure F_211108101830043_043224004
；
式中，P为电堆输出功率，W；n0为单电池数量；U0为单电池输出电压，V；I为电堆输出电流，A；n1为单电池反应转移电子数；e为单个电子所带电荷量，1.9*10-19C；t为时间，s。
5.根据权利要求4所述的防冻引射器的设计方法，其特征在于，使引射器内部的混合气体的温度大于0℃的步骤还包括：
Figure F_211108101830168_168703005
；
式中，c0为主路氢气比热容，J/ (kg·K)；Tset为混合后的气体温度，取273.15K；T0为主路氢气的气体温度，K；c1为循环气体比热容，J/ (kg·K)；T1为循环气体的气体温度，K；Q为循环气体中水蒸气转化为水时的冷凝潜热，J/kg。
6.一种防冻引射器的制作方法，其特征在于，基于如权利要求1-5任一项所述的防冻引射器的设计方法进行制作。
7.一种防冻引射器，通过如权利要求6所述的防冻引射器的制作方法制作得到，其特征在于，包括：引射器本体；
所述引射器本体包括引射器壳体、主路气路、循环气路和混合室；所述引射器壳体内部设置有容置腔，所述主路气路、循环气路和混合室均位于所述引射器壳体的容置腔内部；
所述主路气路位于所述引射器壳体的端部，所述主路气路用于将主路氢气输送至所述容置腔内部，所述循环气路位于所述引射器壳体的一侧，所述循环气路用于将循环气体输送至所述容置腔内部，所述混合室用于将主路氢气和循环气体混合。
8.根据权利要求7所述的防冻引射器，其特征在于，所述引射器本体还包括喷嘴和接收室；
所述喷嘴和所述接收室位于所述引射器壳体的容置腔内部；所述主路气路与所述喷嘴连通，所述喷嘴远离所述主路气路的一侧与所述混合室连通，所述喷嘴用于将主路氢气输送至所述混合室内；
所述接收室位于所述喷嘴和所述混合室之间，所述循环气路与所述接收室连通，所述循环气路用于将循环气体输送至所述接收室内，所述接收室与所述混合室连通，所述接收室用于将循环气体输送至所述混合室内。
9.根据权利要求8所述的防冻引射器，其特征在于，所述引射器本体还包括扩散室；
所述扩散室位于所述混合室远离所述喷嘴的一端，所述扩散室沿着所述混合室的一端至另一端的内径逐渐增大，所述扩散室用于将所述混合室内部的混合气体输送至电堆。
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