CN114439782B - 一种燃料电池用氢气引射器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池用氢气引射器，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术氢气循环泵容易故障且引射器通用性和密封性较差的问题。该氢气引射器包括高压喷头、双密封结构和扩压腔体。高压喷头的壳体顶端设有放置双密封结构的安装槽，其内部包括依次连通且平滑过渡的均匀内径通道、具有设定锥体角度的锥体通道，以及具有均匀内径的引射孔通道；双密封结构中，每一密封结构的远离高压喷头喷嘴的一侧均设有用于监测氢气的气体传感器。扩压腔体的壳体一侧设有半置入高压喷头且置入端形状与高压喷头置入部分形状匹配的主路气路安装部位；其内部包括依次连通且平滑过渡的具有主路气路入口和循环气路入口的混合室，以及扩压室。

Description

一种燃料电池用氢气引射器
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池用氢气引射器。
背景技术
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。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。
目前，氢循环系统中一般会设计一个氢循环泵或引射器，使氢气在燃料电池中流动起来。氢循环泵需要额外控制，还消耗额外的功耗，并且容易故障。而引射器是一个机械结构，在尺寸设计定型后，无法满足所有电堆工作点，不能发挥燃料电池系统的最高工作效率。并且，由于氢气的分子量较小，引射器内一定压力的氢气很容易发生泄漏。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池用氢气引射器，用以解决现有技术氢气循环泵容易故障且引射器通用性和密封性较差的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池用氢气引射器，包括高压喷头1、双密封结构2和扩压腔体3；其中，
高压喷头1的壳体顶端设有放置双密封结构2的安装槽，其内部包括依次连通且平滑过渡的均匀内径通道7、具有设定锥体角度的锥体通道6，以及具有均匀内径的引射孔通道5；
双密封结构2中，每一密封结构的远离高压喷头1喷嘴的一侧均设有用于监测氢气的气体传感器；
扩压腔体3的壳体一侧设有半置入高压喷头1且置入端形状与高压喷头1置入部分形状匹配的主路气路安装部位；其内部包括依次连通且平滑过渡的混合室、扩压室；该混合室具有主路气路入口和循环气路入口。
上述技术方案的有益效果如下：氢气引射器可对每一扩压腔体3配备不同引射尺寸的高压喷头1，解决了现有引射器通用性较差的问题，在燃料电池功率变更时，仅需更换高压喷头1，节省了工作量和工作时间。通过设置双密封结构2，解决现有引射器密封问题频发的问题，并提高了引射器与扩压腔体的密封作用。如果其中一个密封结构失效，另一个密封结构也能起到密封功能，有效提高了用户体验。对不同功率的引射器，更换不同口径的高压喷头1，可实现快速调整电堆功率。
基于上述引射器的进一步改进，该引射器还包括控制器；其中，
所述控制器，用于获取每一所述气体传感器采集的数据；以及，根据每一所述气体传感器采集的数据识别双密封结构2是否失效，在未失效时进一步识别起密封作用的密封结构；以及，在双密封结构2失效时，发出主路气路密封失效的预警。
进一步，所述双密封结构2的每一密封结构均通过真空密封于高压喷头1与扩压腔体3的连接部位；并且，
所述高压喷头1的壳体一侧设有进气端口，另一侧设有端部具有引射孔的锥形结构，中部的顶端设有放置每一密封结构的独立安装槽和与扩压腔体3固定的挂槽；该安装槽与挂槽之间设有锁死机构；
所述扩压腔体3的壳体的顶部设有与上述挂槽配合使用的安装凸块；其扩压室的内径从入口到出口逐渐增大。
进一步，所述扩压腔体3的内部还包括均具有光滑内壁的主路气路、循环气路；其中，
所述主路气路的入口与高压喷头1的喷头端部密封连接，用于将燃料电池主路的氢气输送至混合室；主路气路的内径为恒定值；
所述循环气路设于扩压腔体3的壳体底部，用于将燃料电池的循环气体输送至混合室；循环气路的内径从下至上逐渐减小。
进一步，所述双密封结构2包括两个独立的密封圈；并且，
每一密封圈分别与高压喷头1和扩压腔体3进行过盈配合连接。
进一步，所述高压喷头1的壳体上还设有用于限制所述锥形结构伸入位置的限位凸点；其中，
所有限位凸点的中心均位于同一平面内。
进一步，所述高压喷头1的均匀内径通道7、锥体通道6、引射孔通道5与所述扩压腔体3的混合室、扩压室各自的中心轴线均处于同一直线上；并且，
所述高压喷头1、双密封结构2、扩压腔体3任意二者间均进行过盈配合连接，所有通道的内壁表面均涂覆有相同厚度的耐高温防水材料。
进一步，每一扩压腔体3配备不同引射尺寸的高压喷头1；并且，
每一高压喷头1的外部形状、大小均一致，其均匀内径通道7的长度、内径和锥体通道6的锥体角度均一致，仅引射孔通道5的内径和长度不同。
进一步，该引射器还包括调控设备；其中，
所述调控设备，用于分别控制主路气路入口、循环气路入口的通气量，以及温度、湿度状态，其控制端与控制器的输出端连接。
进一步，所述控制器执行如下程序：
通气后分别检测扩压腔体3的循环气路入口处的通气速度、气体温度、气体湿度信息；
将氢气引射器的预设通气量和所述循环气路入口处的通气速度、气体温度、气体湿度信息输入事先训练好的神经网络，得到主路气路入口处的最优通气速度、最优气体温度、最优气体湿度信息；
根据所述最优通气速度、最优气体温度、最优气体湿度信息对进入高压喷头1的气流进行调整，并在调整过程中，获取每一气体传感器采集的数据；根据每一气体传感器采集的数据识别双密封结构2是否失效，若未失效，识别并显示未失效状态下中起密封作用的密封结构，并执行下一步；若失效，发出主路气路密封失效的预警；
检测调整后预设时刻的扩压室出口的气体通气速度、温度、湿度；
将上述气体通气速度和预设的通气速度阈值范围对比，当其低于阈值范围下限时，控制循环气路入口和主路气路入口的通气速度分别按预设比例增大，当其高于阈值范围上限时，控制循环气路入口和主路气路入口的通气速度分别按预设比例减小，直到当前时刻的通气速度处于预设的通气速度阈值范围内，执行下一步；
获取混合室出口的气体湿度，将混合室出口的气体湿度和预设的湿度阈值范围对比，当检测到的湿度信息低于湿度阈值范围下限时，控制扩压腔体3的循环气路入口和主路气路入口的气体湿度分别按预设比例升高，当其高于湿度阈值范围上限时，控制扩压腔体3的循环气路入口和主路气路入口的气体湿度分别按预设比例减小，直到当前时刻的气体湿度处于预设的湿度阈值范围内，执行下一步；
获取混合室出口的气体温度，将混合室出口的气体温度和预设的温度阈值范围对比，当检测到的温度信息低于温度阈值范围下限时，控制扩压腔体3的循环气路入口和主路气路入口的气体温度分别按预设比例升高，当其高于温度阈值范围上限时，控制扩压腔体3的循环气路入口和主路气路入口的气体温度分别按预设比例减小，直到当前时刻的气体温度处于预设的温度阈值范围内，结束调整。
与现有技术相比，本实施例提供的氢气引射器至少如下之一的有益效果：
1、能够根据电堆功率，选择合适尺寸的高压喷头1；
2、通过控制器可能够精准地控制输出气体的速度、温度、湿度；
3、结构稳固，受外界环境影响较小。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1氢气引射器组成示意图；
图2示出了实施例2高压喷头结构示意图。
附图标记：
1- 高压喷头；2- 双密封结构；3- 扩压腔体；4- 循环气路；5- 引射孔通道；6- 锥体通道；7- 均匀内径通道。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池用氢气引射器，如图1所示，包括高压喷头1、双密封结构2和扩压腔体3。
高压喷头1的壳体顶端设有放置双密封结构2的安装槽，其内部包括依次连通且平滑过渡的均匀内径通道7、具有设定锥体角度的锥体通道6，以及具有均匀内径的引射孔通道5。
双密封结构2中，每一密封结构的远离高压喷头1喷嘴的一侧均设有用于监测氢气的气体传感器。双密封结构2的上下两端中一端固定于上述安装槽内，另一端与扩压腔体3的壳体过盈配合连接。
扩压腔体3的壳体一侧设有半置入高压喷头1且置入端形状与高压喷头1置入部分形状匹配的主路气路安装部位；其内部包括依次连通且平滑过渡的混合室、扩压室；该混合室具有主路气路入口和循环气路4的入口（循环气路入口）。
选定引射尺寸的高压喷头1与扩压腔体3进行过盈配合连接。高压喷头1是引射器的重点零部件。各不同引射尺寸的高压喷头1可直接挂接在扩压腔体3的外部，便于存储。
与现有技术相比，本实施例提供的氢气引射器可对每一扩压腔体3配备不同引射尺寸的高压喷头1，解决了现有引射器通用性较差的问题，在燃料电池功率变更时，仅需更换高压喷头1，节省了工作量和工作时间。通过设置双密封结构2，解决现有引射器密封问题频发的问题，并提高了引射器与扩压腔体的密封作用。如果其中一个密封结构失效，另一个密封结构也能起到密封功能，有效提高了用户体验。对不同功率的引射器，更换不同口径的高压喷头1，可实现快速调整电堆功率。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，该氢气引射器还包括控制器。
控制器，用于获取每一所述气体传感器采集的数据；以及，根据每一所述气体传感器采集的数据识别双密封结构2是否失效（两个气体传感器均采集到数值表示失效，否则未失效），在未失效时进一步识别起密封作用的密封结构（具体地，靠近高压喷头1引射孔侧的气体传感器采集到数值表示该密封结构失效，另一个密封结构起密封作用，否则该密封结构起密封作用）；以及，在双密封结构2失效时，发出主路气路密封失效的预警。
优选地，双密封结构2的每一密封结构均通过真空密封于高压喷头1与扩压腔体3的连接部位。并且，高压喷头1的壳体一侧设有进气端口，另一侧设有端部具有引射孔的锥形结构，中部的顶端设有放置每一密封结构的独立安装槽和与扩压腔体3固定的挂槽；该安装槽与挂槽之间设有锁死机构。
优选地，扩压腔体3的壳体的顶部设有与上述挂槽配合使用的安装凸块；其扩压室的内径从入口到出口逐渐增大。
优选地，扩压腔体3的内部还包括均具有光滑内壁的主路气路、循环气路4，如图2所示。其中，所述主路气路的入口与高压喷头1的喷头端部密封连接，其出口与混合室的主路进气口连接，用于将燃料电池主路的氢气输送至混合室；其入口与燃料电池的氢气侧尾气输出端连接，其出口与混合室的从路进气口连接，主路气路的内径为恒定值。循环气路4设于扩压腔体3的壳体底部，用于将燃料电池的循环气体输送至混合室；循环气路4的内径从下至上逐渐减小。混合室的输出端与扩压室的输入端连接，用于将主路氢气和循环气体混合；扩压室用于将混合后气体进行扩压。
优选地，双密封结构2包括两个独立的密封圈；并且，每一密封圈分别与高压喷头1和扩压腔体3进行过盈配合连接。密封圈可采用橡胶类材料制备。
优选地，高压喷头1的壳体上还设有用于限制锥形结构伸入位置的限位凸点；其中，所有限位凸点的中心均位于同一平面内。
优选地，高压喷头1的均匀内径通道7、锥体通道6、引射孔通道5与扩压腔体3的混合室、扩压室各自的中心轴线均处于同一直线上。高压喷头1、双密封结构2、扩压腔体3任意二者间均进行过盈配合连接，所有通道的内壁表面均涂覆有相同厚度的耐高温防水材料。
优选地，每一扩压腔体3配备不同引射尺寸的高压喷头1；并且，
每一高压喷头1的外部形状、大小均一致，其均匀内径通道7的长度、内径和锥体通道6的锥体角度均一致，仅引射孔通道5的内径和长度不同。
优选地，该氢气引射器还包括调控设备。调控设备，用于分别控制主路气路入口、循环气路入口的通气量，以及温度、湿度状态，其控制端与控制器的输出端连接。
优选地，控制器执行如下程序：
S1.通气后分别检测扩压腔体3的循环气路入口处的通气速度、气体温度、气体湿度信息；
S2.将氢气引射器的预设通气量和循环气路入口处的通气速度、气体温度、气体湿度信息输入事先训练好的神经网络，得到主路气路入口处的最优通气速度、最优气体温度、最优气体湿度信息；
S3.根据最优通气速度、最优气体温度、最优气体湿度信息对进入高压喷头1的气流进行调整，并在调整过程中，获取每一气体传感器采集的数据；根据每一气体传感器采集的数据识别双密封结构2是否失效，若未失效，识别并显示未失效状态下中起密封作用的密封结构，并执行下一步；若失效，发出主路气路密封失效的预警；
S4.检测调整后预设时刻的扩压室出口的气体通气速度、温度、湿度；
S5.将上述气体通气速度和预设的通气速度阈值范围对比，当其低于阈值范围下限时，控制循环气路入口和主路气路入口的通气速度分别按预设比例增大，当其高于阈值范围上限时，控制循环气路入口和主路气路入口的通气速度分别按预设比例减小，直到当前时刻的通气速度处于预设的通气速度阈值范围内，执行下一步；
S6.获取混合室出口的气体湿度，将混合室出口的气体湿度和预设的湿度阈值范围对比，当检测到的湿度信息低于湿度阈值范围下限时，控制扩压腔体3的循环气路入口和主路气路入口的气体湿度分别按预设比例升高，当其高于湿度阈值范围上限时，控制扩压腔体3的循环气路入口和主路气路入口的气体湿度分别按预设比例减小，直到当前时刻的气体湿度处于预设的湿度阈值范围内，执行下一步；
S7.获取混合室出口的气体温度，将混合室出口的气体温度和预设的温度阈值范围对比，当检测到的温度信息低于温度阈值范围下限时，控制扩压腔体3的循环气路入口和主路气路入口的气体温度分别按预设比例升高，当其高于温度阈值范围上限时，控制扩压腔体3的循环气路入口和主路气路入口的气体温度分别按预设比例减小，直到当前时刻的气体温度处于预设的温度阈值范围内，结束调整。
步骤S1~S7的调控顺序能使得进入电堆的氢气的反应效率较高。
优选地，控制器，还用于根据输入的电堆功率输出高压喷头1的选定引射尺寸（可以是引射孔通道5内径，或者引射孔内径）；以及，接收到用户反馈的安装指令后，将指定位置的选定引射尺寸的高压喷头1与扩压腔体3通过压装进行过盈配合连接。
具体地，控制器内置训练好的数学模型或深度网络模型，输入电堆功率数据后，可输出高压喷头1的选定引射尺寸，其还包括自动扣接机构，放到指定尺寸后可进行过盈配合连接。
优选地，所有高压喷头1的壳体外侧形状、大小均一致，并且，其壳体的外端面均采用一体式设计的锥形结构。
优选地，每一高压喷头1的引射孔通道5的内径为0.5~3 mm。并且，高压喷头1的外表面上均匀布设多个安装凸点，所有安装凸点的中心均位于同一平面内。
优选地，高压喷头1的均匀内径通道7、锥体通道6和引射孔通道5各自的通道内壁表面均涂覆有相同厚度的耐高温防水材料。
优选地，扩压腔体3的内部还包括检测通道；检测通道设于扩压腔体3的扩压室出气口处，与扩压腔体内部连通，通道内壁上设有控制器的探测单元。
优选地，探测单元进一步包括气体流量传感器、温度传感器、湿度传感器和固定基座；气体流量传感器、温度传感器、湿度传感器的一端伸入至检测通道内部，均通过固定基座与扩压腔体的侧壁密封连接，另一端作为引出端伸出扩压腔体3的外部。
与现有技术相比，本实施例提供的高压喷头1具有如下有益效果：
1、能够根据电堆功率，选择合适尺寸的高压喷头1；
2、通过控制器可能够精准地控制输出气体的速度、温度、湿度。
3、通过控制器可自动连接高压喷头1与扩压腔体3，提高了便捷性，同时，结构稳固、受外界环境影响较小。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种燃料电池用氢气引射器，其特征在于，包括高压喷头（1）、双密封结构（2）、扩压腔体（3）和控制器；其中，
高压喷头（1）的壳体顶端设有放置双密封结构（2）的安装槽，高压喷头（1）的壳体内部包括依次连通且平滑过渡的均匀内径通道（7）、具有设定锥体角度的锥体通道（6），以及具有均匀内径的引射孔通道（5）；
双密封结构（2）中，每一密封结构的远离高压喷头（1）喷嘴的一侧均设有用于监测氢气的气体传感器；
扩压腔体（3）的壳体一侧设有半置入高压喷头（1）且置入端形状与高压喷头（1）置入部分形状匹配的主路气路安装部位；扩压腔体（3）的壳体内部包括依次连通且平滑过渡的混合室、扩压室；该混合室具有主路气路入口和循环气路入口；
所述控制器执行如下控制功能：
通气后分别检测扩压腔体（3）的循环气路入口处的通气速度、气体温度、气体湿度信息；
将氢气引射器的预设通气量和所述循环气路入口处的通气速度、气体温度、气体湿度信息输入事先训练好的神经网络，得到主路气路入口处的最优通气速度、最优气体温度、最优气体湿度信息；
根据所述最优通气速度、最优气体温度、最优气体湿度信息对进入高压喷头（1）的气流进行调整，并在调整过程中，获取每一气体传感器采集的数据；根据每一气体传感器采集的数据识别双密封结构（2）是否失效，若未失效，识别并显示未失效状态下中起密封作用的密封结构，并执行下一步；若失效，发出主路气路密封失效的预警；
检测调整后预设时刻的扩压室出口的气体通气速度、气体温度、气体湿度；
将上述扩压室出口的气体通气速度和预设的通气速度阈值范围对比，当其低于阈值范围下限时，控制循环气路入口和主路气路入口的通气速度分别按预设比例增大，当其高于阈值范围上限时，控制循环气路入口和主路气路入口的通气速度分别按预设比例减小，直到当前时刻的扩压室出口的气体通气速度处于预设的通气速度阈值范围内，执行下一步；
获取混合室出口的气体湿度，将混合室出口的气体湿度和预设的湿度阈值范围对比，当检测到的湿度信息低于湿度阈值范围下限时，控制扩压腔体（3）的循环气路入口和主路气路入口的气体湿度分别按预设比例升高，当其高于湿度阈值范围上限时，控制扩压腔体（3）的循环气路入口和主路气路入口的气体湿度分别按预设比例减小，直到当前时刻的混合室出口的气体湿度处于预设的湿度阈值范围内，执行下一步；
获取混合室出口的气体温度，将混合室出口的气体温度和预设的温度阈值范围对比，当检测到的温度信息低于温度阈值范围下限时，控制扩压腔体（3）的循环气路入口和主路气路入口的气体温度分别按预设比例升高，当其高于温度阈值范围上限时，控制扩压腔体（3）的循环气路入口和主路气路入口的气体温度分别按预设比例减小，直到当前时刻的混合室出口的气体温度处于预设的温度阈值范围内，结束调整。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用氢气引射器，其特征在于，所述双密封结构（2）的每一密封结构均密封于高压喷头（1）与扩压腔体（3）的连接部位；并且，
所述高压喷头（1）的壳体一侧设有进气端口，另一侧设有端部具有引射孔的锥形结构，中部的顶端设有放置每一密封结构的独立安装槽和与扩压腔体（3）固定的挂槽；该安装槽与挂槽之间设有锁死机构；
所述扩压腔体（3）的壳体的顶部设有与上述挂槽配合使用的安装凸块；其扩压室的内径从其入口到其出口逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的燃料电池用氢气引射器，其特征在于，所述扩压腔体（3）的内部还包括均具有光滑内壁的主路气路、循环气路；其中，
所述主路气路的入口与高压喷头（1）的喷头端部密封连接，用于将燃料电池主路的氢气输送至混合室；主路气路的内径为恒定值；
所述循环气路设于扩压腔体（3）的壳体底部，用于将燃料电池的循环气体输送至混合室；循环气路的内径从下至上逐渐减小。
4.根据权利要求3所述的燃料电池用氢气引射器，其特征在于，所述双密封结构（2）包括两个独立的密封圈；并且，
每一密封圈分别与高压喷头（1）和扩压腔体（3）进行过盈配合连接。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池用氢气引射器，其特征在于，所述高压喷头（1）的壳体上还设有用于限制所述锥形结构伸入位置的限位凸点；其中，
所有限位凸点的中心均位于同一平面内。
6.根据权利要求5所述的燃料电池用氢气引射器，其特征在于，所述高压喷头（1）的均匀内径通道（7）、锥体通道（6）、引射孔通道（5）与所述扩压腔体（3）的混合室、扩压室各自的中心轴线均处于同一直线上；并且，
所述高压喷头（1）、双密封结构（2）、扩压腔体（3）任意二者间均进行过盈配合连接，所有通道的内壁表面均涂覆有相同厚度的耐高温防水材料。
7.根据权利要求6所述的燃料电池用氢气引射器，其特征在于，每一扩压腔体（3）配备不同引射尺寸的高压喷头（1）；并且，
每一高压喷头（1）的外部形状、大小均一致，其均匀内径通道（7）的长度、内径和锥体通道（6）的锥体角度均一致，仅引射孔通道（5）的内径和长度不同。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池用氢气引射器，其特征在于，还包括调控设备；其中，
所述调控设备，用于分别控制主路气路入口、循环气路入口的通气量，以及温度、湿度状态，其控制端与控制器的输出端连接。
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