CN114551930B - 一种变流量气体混合引射装置、燃料电池系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变流量气体混合引射装置、燃料电池系统及方法，涉及燃料电池领域，包括基体、调节杆和伸缩机构，基体内设有通过喷射口连通的压力腔和混合腔，调节杆上设有延伸至其轴向一端的锥形部，锥形部沿轴向设有用于封堵喷射口的密封部和螺旋状的导流槽，锥形部穿过喷射口并探入混合腔内，导流槽与喷射口形成导流通道，伸缩机构连接调节杆远离锥形部的一端，以调节锥形部与喷射口的间隙；针对目前燃料电池气体供应时输出流量控制精度不足的问题，在调节杆上设置弹性密封部，能够利用弹性形变在接触喷射口时形成面密封，弹性体与刚体喷射口接触能够减少磨损，从而提高流量控制精度。

Description

一种变流量气体混合引射装置、燃料电池系统及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种变流量气体混合引射装置、燃料电池系统及方法。

背景技术

根据氢能源汽车的不同行驶阶段的不同功率需求，汽车氢能源燃料电池系统在运行时，许多燃料电池系统使用泵循环氢气，导致循环控制精度较低，难以满足氢燃料电池系统的控制精度需求，同时还有许多常见的工程材料被燃料电池系统中潮湿的氢腐蚀，泵中的油润滑可能进入燃料电池，污染催化剂或堵塞喷射孔；难以有效控制氢燃料电池的氢进给量。

目前针对燃料电池采用喷射器来调节流量，并且为了提高气体利用率，喷射器需要将燃料电池供给的新气体与从燃料电池排出的气体混合后供给，供给的新气体经过喷射口输入到混合腔内，为了实现对喷射口开度的控制，目前多采用调节针配合喷射口的方式来实现，改变调节针与喷射口之间间隙的大小，实现封堵喷射口或调节喷射口输出流量。但是，随着调节针与喷射口的反复配合，贴合位置会出现磨损形变，导致喷射口输出流量的控制精度降低；同时，在新气体高压快速输出时，从燃料电池排出的气体无法与其充分混合，供给至燃料电池后导致反应波动，影响燃料电池的稳定运行。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种变流量气体混合引射装置、燃料电池系统及方法，在调节杆上设置弹性密封部，能够利用弹性形变在接触喷射口时形成面密封，弹性体与刚体喷射口接触能够减少磨损，从而提高流量控制精度，同时利用螺旋状的导流槽使输出的气体形成旋流，提高与回收气体的混合均匀度。

本发明的第一目的是提供一种变流量气体混合引射装置，采用以下方案：

包括基体、调节杆和伸缩机构，基体内设有通过喷射口连通的压力腔和混合腔，调节杆上设有延伸至其轴向一端的锥形部，锥形部沿轴向设有用于封堵喷射口的密封部和螺旋状的导流槽，锥形部穿过喷射口并探入混合腔内，导流槽与喷射口形成导流通道，伸缩机构连接调节杆远离锥形部的一端，以调节锥形部与喷射口的间隙。

进一步地，所述调节杆沿轴向依次连接至少两组导向机构，导向机构套设于调节杆外并形成移动副，所有导向机构均位于压力腔内。

进一步地，所述锥形部母线面上设有至少一条凹槽，凹槽绕锥形部轴线呈螺旋线状以形成导流槽；

或，所述锥形部母线面上设有至少两条凸起，相邻凸起之间形成凹槽，凹槽绕锥形部轴线呈螺旋线状以形成导流槽。

进一步地，所述锥形部上设有环形槽，密封部呈环形且内圈嵌入环形槽内，密封部外圈为弹性面，用于贴合喷射口形成面密封。

进一步地，所述基体上还设有导入腔，导入腔出口位于喷射口与混合腔之间，以将导入腔内的回收气体输入至混合腔。

进一步地，所述压力腔连接有控制阀，以通过控制阀接入外部气体供应源；混合腔远离喷射口的一端连通有扩散腔，扩散腔、混合腔、调节杆和喷射口同轴布置。

进一步地，所述伸缩机构包括驱动电机和传动机构，驱动电机通过传动机构连接调节杆，以驱动调节杆沿轴向往复运动。

本发明的第二目的是提供一种燃料电池系统，包括如上所述的一种变流量气体混合引射装置。

本发明的第三目的是提供一种变流量气体混合引射方法，采用如上所述的变流量气体混合引射装置，并包括以下步骤：

压力腔接入外部气体供应源，调节杆沿轴向移动使调节杆与喷射口之间留有间隙，压力腔内的气体经过导流通道和混合腔后输出；

改变调节杆与喷射口之间的间隙大小，从而调节压力腔输出至混合腔的气体流量；

调节杆沿轴向移动使密封部贴合封堵喷射口，停止气体输出。

进一步地，混合腔连通有导入腔，导入腔内的回收气体在负压作用下随压力腔输出气体共同进入混合腔内进行混合。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前燃料电池气体供应时输出流量控制精度不足的问题，在调节杆上设置弹性密封部，能够利用弹性形变在接触喷射口时形成面密封，弹性体与刚体喷射口接触能够减少磨损，从而提高流量控制精度，同时利用螺旋状的导流槽使输出的气体形成旋流，提高与回收气体的混合均匀度。

(2)依据需求对调节杆和喷射口的间隙进行调节，满足燃料电池在不同功率要求下气体喷射和二次循环混合利用的需求，通过对调节杆的高精度主动控制，解决了传统利用二次回收气体反馈控制一次气体输出流量不稳定的问题，稳定输出气体以保证燃料电池的稳定运行。

(3)调节杆与喷射口之间通过相对位置变化进行工作状态的切换，锥形部上设置密封部和导流槽，在调节杆移动至密封部配合喷射口时，密封部能够封堵喷射口以阻断气体的输出，在调节杆移动至密封部解除与喷射口的配合时，锥形部上设置的导流槽与喷射口之间形成导流通道，利用螺旋形导流槽对经喷射口输出的气体进行导流，形成螺旋状气流输出，提高气体输出流量的可控性。

(4)压力腔作为新气体的暂存腔，并将暂存回收气体的导入腔的出口布置在喷射口与混合腔之间，利用喷射口输出气流时在导入腔出口位置形成的负压作用，引出导入腔内的回收气体输入至混合腔，回收气体与新气体在混合腔内混合均匀后输入至外部燃料电池，实现了回收气体的再利用。

(5)在调节杆上避让密封部设置导流槽，导流槽能够在解除对喷射口的密封后对经过其的气流进行导向，导流槽既可以在调节杆本体上通过开槽成型，又可以在调节杆上设置凸起成型，气流经过螺旋状的导流槽后形成旋流输出，从导入腔内引出回收气体进行混合，旋流状的新气体能够促进与回收气体的混合程度，提高其均匀度从而保证燃料电池运行的稳定。

(6)驱动电机采用的是响应频率在1000Hz-20000Hz的微型直线超声电机，可在将控制精度控制在微米级别以上，实现高精度流量控制，解决了二次流回收氢气压力不稳定，导致的压力变化较大问题。

(7)调节杆一端连接伸缩机构，伸缩机构驱动调节杆沿轴向伸缩运动，并能够对其伸缩行程进行控制，同时，结合导向机构对调节杆的位置进行约束，实现径向摆动的约束，进一步提高调节杆与喷射口的配合精度，从而提高气体流量的控制精度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一个或多个实施例中调节杆与基体配合的示意图；

图2为本发明实施例一个或多个实施例中调节杆的示意图；

图3为本发明实施例一个或多个实施例中调节杆与导向机构配合的示意图；

图4为本发明实施例一个或多个实施例中密封部、导流槽的示意图。

图中，1-扩散结构、2-喷射结构、3-O形氟橡胶密封环I、4-滑动轴承I、5-密封圈、6-调节杆、7-高压气体接入结构、8-O形氟橡胶密封环II、9-滑动轴承II、10-导向密封结构、11-直线电机安装环、12-长螺杆、13-弹簧垫圈、14-电机轴承I、15-电机定子、16-电机转子、17-电机外壳、18-电机轴承II、19-电源及信号输入部分、20-快速响应电磁阀、21-高压气体入口、22-喷射口、23-二次流入口、24-混合腔、25-扩散腔、26-导流槽、27-密封部、28-螺钉连接件。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图4所示，给出一种变流量气体混合引射装置。

如图1所示变流量气体混合引射装置用于辅助燃料电池的气体供应，对输入燃料电池的气体流量进行调节，尤其是对氢燃料电池中的氢进给量进行控制。利用调节杆6与喷射口22的间隙作为气体的输出通道，调节杆6能够封堵或敞开喷射口22，并对开度进行调节，达到对气体流量的调节，满足燃料电池对气体的需求。

变流量气体混合引射装置包括基体、调节杆6和伸缩机构，基体上依次设有压力腔、导入腔、混合腔24和扩散腔25，其中，压力腔通过喷射口22连通混合腔24，导入腔位于喷射口22与混合腔24之间；压力腔连接有控制阀，通过控制阀接入外部气体供应源，高压气体输入压力腔内；导入腔通过二次流入口23接入回收气体供应源，并对回收气体进行暂存；喷射口22输出压力腔内的高压气体作为一次流，一次流输出时在导入腔出口位置形成负压，从而将导入腔内的气体抽出与喷射口22输出的气流混合，并共同进入混合腔24，然后经过扩散腔25进一步混合后输入到燃料电池中。

如图2所示，调节杆6上设有延伸至其轴向一端的锥形部，锥形部沿轴向设有用于封堵喷射口22的密封部27和螺旋状的导流槽26，锥形部穿过喷射口22并探入混合腔24内，导流槽26与喷射口22形成导流通道。

调节杆6与喷射口22之间通过相对位置变化进行工作状态的切换，锥形部上设置密封部27和导流槽26，在调节杆6移动至密封部27配合喷射口22时，密封部27能够封堵喷射口22以阻断气体的输出；伸缩机构连接调节杆6远离锥形部的一端，以调节锥形部与喷射口22的间隙，在调节杆6移动至密封部27解除与喷射口22的配合时，锥形部上设置的导流槽26与喷射口22之间形成导流通道，利用螺旋形导流槽26对经喷射口22输出的气体进行导流，形成螺旋状气流输出，提高气体输出流量的可控性。

具体的，对于调节杆6的结构，参见图1、图2和图3，其一端能够与伸缩机构连接，并在伸缩机构驱动作用下整体沿轴向往复伸缩运动，另一端为锥形部，本实施例中，调节杆6可以选用铝合金材料，锥形部的角度可以选用8°-12。

锥形部上的密封部27与导流槽26沿调节杆6轴向依次布置，锥形部上设有环形槽，密封部27呈环形且内圈嵌入环形槽内，密封部27外圈为弹性面，用于贴合喷射口22形成面密封。如图2所示，一方面利用弹性形变在接触喷射口22时形成面密封，另一方面通过弹性体与刚体喷射口22接触能够减少磨损，保护密封结构，从而提高流量控制精度。也可以如图4所示，将密封部27通过螺钉连接件28安装在锥形部上，使得密封部27随锥形部移动。

另外，锥形部母线面上设有至少一条凹槽，凹槽绕锥形部轴线呈螺旋线状以形成导流槽26；或，锥形部母线面上设有至少两条凸起，相邻凸起之间形成凹槽，凹槽绕锥形部轴线呈螺旋线状以形成导流槽26。

在调节杆6上避让密封部27设置导流槽26，导流槽26能够在解除对喷射口22的密封后对经过其的气流进行导向，导流槽26既可以在调节杆6本体上通过开槽成型，又可以在调节杆6上设置凸起成型，气流经过螺旋状的导流槽26后形成旋流输出，从导入腔内引出回收气体进行混合，旋流状的新气体能够促进与回收气体的混合程度，提高其均匀度从而保证燃料电池运行的稳定。

如图1所示，基体为多个结构模块组合形成，包括依次连接的扩散结构1、喷射结构2、高压气体接入结构7、过渡连接结构和伸缩机构安装环11，其通过长螺杆12进行紧固，长螺杆12设有多个，每个长螺杆12均配合有相应的弹簧垫圈13，长螺杆12相对于内部调节杆6轴线环向均匀分布。同时，为了保证其连接后的密封性，相邻结构之间配合有密封圈5，比如在扩散结构1和喷射结构2之间、喷射结构2和高压气体接入结构7之间、高压气体接入结构7和导向密封结构10之间、导向密封结构10和伸缩机构安装环11之间均安装有密封圈5。

如图1、图3所示，伸缩机构包括驱动电机和传动机构，驱动电机通过传动机构连接调节杆6，以驱动调节杆6沿轴向往复运动；在本实施例中，伸缩机构安装于伸缩机构安装环11，驱动电机的电机定子15固定安装在电机外壳17内部，电机轴承I14和电机轴承II18安装在电机外壳17左右两端的安装孔位置，且支撑电机转子16，确保电机定子15驱动电机转子16能正常旋转工作。通过电机转子16正反转调节调节杆6的伸缩运动，进而实现对流量的控制。

参照图1中所示方位，电源及信号输入部分19通过螺栓连接固定安装在电机外壳17的最右端，电源及信号输入部分19与电机定子15之间建立连接，从而控制驱动电机的动作。

同时，驱动电机的输出端通过螺纹配合调节杆6，螺纹配合作为传动机构，调节杆6远离锥形部的一端带有螺纹结构并与电机转子16配合，依靠电机转子16内部的螺旋结构转动运动推动调节杆6的伸缩运动，可靠实现调节杆6与喷射口22的相对位置调节，从而改变调节杆6另一端锥形部与喷射口22的配合状态，通过调节伸缩形成实现间距大小的调节，从而实现对一次流喷射压力的调节。

如图1所示，调节杆6沿轴向依次连接至少两组导向机构，导向机构套设于调节杆6外并形成移动副，所有导向机构均位于压力腔内，且调节杆6穿过扩散结构1、喷射结构2、高压气体接入结构7和导向密封结构10，并通过导向机构与基体配合，以保证伸缩调节杆6能够和喷射口22的稳定配合。

在本实施例中，以两组导向机构为例，导向机构包括滑动轴承和密封环，其中第一导向机构包括O形氟橡胶密封环I3和滑动轴承I4，并安装在喷射结构2预设的安装孔内，O形氟橡胶密封环I3被滑动轴承I4压紧，高压气体接入结构7对滑动轴承I4进行轴向限位。

同样的，第二导向机构包括O形氟橡胶密封环II8和滑动轴承II9，O形氟橡胶密封环II8和滑动轴承II9安装在高压气体接入结构7预设的安装孔内，且O形氟橡胶密封环II8被滑动轴承II9压紧，导向密封结构10对滑动轴承II9进行轴向限位。

滑动轴承I4和滑动轴承II19需要确保同轴度安装，进而确保调节杆6的调节控制精度，驱动电机采用的是响应频率在1000Hz-20000Hz的微型直线超声电机，可在将控制精度控制在微米级别以上，实现高精度流量控制，解决了二次流回收氢气压力不稳定，导致的压力变化较大问题。

第一导向机构和第二导向机构均能够实现对调节杆6径向的约束，调节杆6一端连接伸缩机构，伸缩机构驱动调节杆6沿轴向伸缩运动，并能够对其伸缩行程进行控制，同时，结合导向机构对调节杆6的位置进行约束，实现径向摆动的约束，进一步提高调节杆6与喷射口22的配合精度，从而提高气体流量的控制精度。

如图1所示，压力腔连接有控制阀，以通过控制阀接入外部气体供应源；混合腔24远离喷射口22的一端连通有扩散腔25，扩散腔25、混合腔24、调节杆6和喷射口22同轴布置；导入腔出口位于喷射口22与混合腔24之间，将导入腔内的回收气体输入至混合腔24。

控制阀为快速响应电磁阀20，快速响应电磁阀20安装在高压气体接入结构7的高压气体入口21位置，并使快速响应电磁阀20与高压气体入口21之间的安装距离尽可能的小，以便更加快速的调节一次流气体的开关，进而保证一次流气体流量能够快速实现通断；二次流入口23位于扩散结构1上，主要是输送二次循环氢气；混合腔24和扩散腔25位于扩散结构1内部，主要是对高压氢气和二次流氢气进行混合，以确保氢气的总压力的稳定。

如图1和图3所示，导向密封结构10上设有配合孔，配合孔限制调节杆6的圆周运动，使调节杆6配合导向密封结构10形成轴向运动副，且在二者之间加有高性能的氟润滑脂，保证其稳定传动。

实施例2

本发明的另一典型实施例中，如图1-图4所示，给出一种燃料电池系统，利用如实施例1中的一种变流量气体混合引射装置。

如图1-图3所示，燃料电池系统利用如实施例1中的变流量气体混合引射装置，变流量气体混合引射装置的扩散腔25末端连接燃料电池气体入口，为燃料电池提供气体。在本实施例中，针对氢燃料电池，通过变流量气体混合引射装置向氢燃料电池内输入氢气。

由于该燃料电池系统采用了上述实施例1提供的变流量气体混合引射装置，所以该燃料电池系统由变流量气体混合引射装置带来的有益效果参考上述实施例1中的相应部分，在此不再赘述。

对于未提及的燃料电池系统的其他结构，采用现有的结构即可。

实施例3

本发明的再一典型实施方式中，如图1-图4所示，给出一种变流量气体混合引射方法。

该方法利用如实施例1中的变流量气体混合引射装置，并包括以下步骤：

压力腔接入外部气体供应源，调节杆6沿轴向移动使调节杆6与喷射口22之间留有间隙，压力腔内的气体经过导流通道和混合腔24后输出；

改变调节杆6与喷射口22之间的间隙大小，从而调节压力腔输出至混合腔24的气体流量；

混合腔24连通有导入腔，导入腔内的回收气体在负压作用下随压力腔输出气体共同进入混合腔24内进行混合后输出；

调节杆6沿轴向移动使密封部27贴合封堵喷射口22，停止气体输出。

具体的，结合实施例1，以氢燃料电池为例对上述方法进行详细描述：

当氢燃料电池系统在工作时，需要根据不同的输出功率调节氢气的流量大小，快速响应电磁阀20打开，开始通过高压气体入口21向高压气体接入结构7内部的压力腔输入高压氢气，高压氢气通过喷射口22和调节杆6锥形部的配合间隙部分，将高压氢气喷入到混合腔24，经过扩散腔25将高压氢气传输到电堆中。

由于在电堆中氢气无法全部反应发电，需要对没有反应的氢气进行回收，二次循环；将二次循环的氢气输入二次流入口23将其再次使用。

由于一次流高压氢气的高速喷入，在二次流入口23位置会产生较大的负压，进而将二次流入口23流入的氢气吸入到混合腔24中与高压喷射口22喷出的高压氢气混合，再次传入到扩散腔25，进而将高压氢气传输到电堆单元中再次利用。

在这一过程中，由于氢能源电池系统需要有不同的功率输出要求，这就需要控制氢气的流量，进而提高氢气的使用效率。

当功率需要变化时，电机定子15通过电源及信号输入部分19输入控制信号及电能，开始转动，同时带动电机转子16转动，电机转子16将转动传输给调节杆6，由于调节杆6被导向密封结构10限制绕轴线的转动，进而调节杆6只能实现轴向运动。通过控制电机转子16的正反转，带动调节杆6的前后伸缩运动。由于调节杆6与喷射结构2上喷射口22之间的间隙大小调节，进而更好的控制氢气的压力及流量，完成变流量控制功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变流量气体混合引射装置，其特征在于，包括基体、调节杆和伸缩机构，基体内设有通过喷射口连通的压力腔和混合腔，调节杆上设有延伸至其轴向一端的锥形部，锥形部沿轴向设有用于封堵喷射口的密封部和螺旋状的导流槽，锥形部穿过喷射口并探入混合腔内，导流槽与喷射口形成导流通道，伸缩机构连接调节杆远离锥形部的一端，以调节锥形部与喷射口的间隙；

所述锥形部母线面上设有至少一条凹槽，凹槽绕锥形部轴线呈螺旋线状以形成导流槽；

或，所述锥形部母线面上设有至少两条凸起，相邻凸起之间形成凹槽，凹槽绕锥形部轴线呈螺旋线状以形成导流槽。

2.如权利要求1所述的变流量气体混合引射装置，其特征在于，所述调节杆沿轴向依次连接至少两组导向机构，导向机构套设于调节杆外并形成移动副，所有导向机构均位于压力腔内。

3.如权利要求1所述的变流量气体混合引射装置，其特征在于，所述锥形部上设有环形槽，密封部呈环形且内圈嵌入环形槽内，密封部外圈为弹性面，用于贴合喷射口形成面密封。

4.如权利要求1所述的变流量气体混合引射装置，其特征在于，所述基体上还设有导入腔，导入腔出口位于喷射口与混合腔之间，以将导入腔内的回收气体输入至混合腔。

5.如权利要求4所述的变流量气体混合引射装置，其特征在于，所述压力腔连接有控制阀，以通过控制阀接入外部气体供应源；混合腔远离喷射口的一端连通有扩散腔，扩散腔、混合腔、调节杆和喷射口同轴布置。

6.如权利要求1所述的变流量气体混合引射装置，其特征在于，所述伸缩机构包括驱动电机和传动机构，驱动电机通过传动机构连接调节杆，以驱动调节杆沿轴向往复运动。

7.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的变流量气体混合引射装置。

8.一种变流量气体混合引射方法，利用如权利要求1-6任一项所述的变流量气体混合引射装置，其特征在于，包括以下步骤：

压力腔接入外部气体供应源，调节杆沿轴向移动使调节杆与喷射口之间留有间隙，压力腔内的气体经过导流通道和混合腔后输出；

改变调节杆与喷射口之间的间隙大小，从而调节压力腔输出至混合腔的气体流量；调节杆沿轴向移动使密封部贴合封堵喷射口，停止气体输出。

9.如权利要求8所述的变流量气体混合引射方法，其特征在于，混合腔连通有导入腔，导入腔内的回收气体在负压作用下随压力腔输出气体共同进入混合腔内进行混合。