CN116936869B - 一种氢燃料电池引射器及氢气循环系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种氢燃料电池引射器及氢气循环系统，其中氢燃料电池引射器，包括：安装座、引射体以及密封块，所述引射体内设置有文丘里管，所述文丘里管包括引射体入口腔以及引射体扩容腔，所述密封块安装在所述引射体扩容腔的端部以对所述引射体扩容腔密封；所述引射体入口腔安装有拉瓦尔管，所述安装座内部设置有氢气流道，所述氢气流道与所述拉瓦尔管相通；所述引射体入口腔设置有引射口，所述引射体扩容腔设置有出气口，所述出气口与氢燃料电池的电堆相通，所述引射口用于引射电堆中的回流气体。能够使氢燃料电池不需要消耗额外的功率，通过静态结构组件实现氢气在燃料电池中的循环。

Description

一种氢燃料电池引射器及氢气循环系统

技术领域

本申请涉及氢燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种氢燃料电池引射器及氢气循环系统。

背景技术

目前，氢气燃料电池系统中，从电堆返回的回流气体一般通过氢气循环泵进行循环，氢气喷射管路与氢气循环泵通过独立的流道向电堆输送，在到达电堆之前通过氢气与回流气体的混合再进入电堆。

氢燃料电池系统中采用的氢气循环泵存在着功耗大、密封难、体积大、易损坏等缺点，这成为制约燃料电池系统发展的关键问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种氢燃料电池引射器及氢气循环系统，能够使氢燃料电池不需要消耗额外的功率，通过静态结构组件实现氢气在燃料电池中的循环。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种氢燃料电池引射器，包括：安装座、引射体以及密封块，所述引射体内设置有文丘里管，所述文丘里管包括引射体入口腔以及引射体扩容腔，所述密封块安装在所述引射体扩容腔的端部以对所述引射体扩容腔密封；

所述引射体入口腔安装有拉瓦尔管，所述安装座内部设置有氢气流道，所述氢气流道与所述拉瓦尔管相通；

所述引射体入口腔设置有引射口，所述引射体扩容腔设置有出气口，所述出气口与氢燃料电池的电堆相通，所述引射口用于引射电堆中的回流气体。

在可选的实施方式中，所述引射体入口腔包括入口直筒段以及入口渐缩段，所述拉瓦尔管安装在所述入口直筒段。

在可选的实施方式中，所述拉瓦尔管包括依次设置的进口腔、收缩腔、喉管以及扩张腔，所述进口腔与所述氢气流道相通，所述引射口设置在所述入口直筒段上；

所述扩张腔的喷射端面越过所述引射口并设置在所述入口直筒段中，且所述喷射端面与所述入口渐缩段之间至少保留一段距离。

在可选的实施方式中，所述拉瓦尔管与所述氢气流道同心设置，且所述进口腔的直径小于所述氢气流道的直径。

在可选的实施方式中，所述安装座上设置有低压泄压阀，氢气经过所述低压泄压阀后进入所述氢气流道。

在可选的实施方式中，所述拉瓦尔管与所述文丘里管同心设置，所述入口渐缩段与所述引射体扩容腔之间设置有混合腔室。

在可选的实施方式中，所述引射体扩容腔包括出口渐扩段以及出口直筒段，所述密封块安装在所述出口直筒段的端口上，所述出气口设置在所述出口渐扩段与所述出口直筒段的相交部位。

在可选的实施方式中，所述安装座与所述引射体的相接部位、所述密封块与所述引射体的相接部位、所述引射口以及所述出气口均设置有密封圈。

第二方面，本发明提供一种氢气循环系统，包括依次设置的高压氢瓶、高压泄压阀、前述实施方式中任一项所述的氢燃料电池引射器以及电堆，所述氢燃料电池引射器与所述电堆之间设置有汽水分离器，用于将所述电堆中的气体进行汽水分离后循环返回至所述氢燃料电池引射器。

在可选的实施方式中，所述安装座上设置有进气口，所述进气口通过输氢管道与所述高压泄压阀连接，所述引射口通过回流气体管道与所述汽水分离器连接，所述出气口通过混合气体管道与所述电堆连接；

所述电堆连接有高温冷却水出水管线及高温冷却水回水管线，所述引射体上设置有进水口及出水口；

所述进水口与所述出水口之间设置有环绕在所述文丘里管外侧的氢气加热通道，所述进水口与所述高温冷却水出水管线相接，所述出水口与所述高温冷却水回水管线相接。

本发明中通过文丘里管与拉瓦尔管的相互配合，能够结合拉瓦尔管对工作气体的减压加速，以及文丘里管对混合气体的降压混容减速，将外界输送过来的作为工作气体的氢气与电堆排出的未完全反应的氢气进行混合，通入电堆中，然后再在电堆与引射体之间内部循环，实现氢气的循环再利用。

拉瓦尔管安装在文丘里管的引射体入口腔，通过拉瓦尔管在引射体入口腔部位将工作气体加速喷射，能够在引射体入口腔形成极低压环境，将电堆排放的回流气体引射至引射体入口腔，并与工作气体进行充分混合后通入电堆。

拉瓦尔管对工作气体的减压加速、文丘里管对电堆排放气体的引射回流以及文丘里管对混合气体的降压混容，能够在满足氢气循环回流的同时，将工作气体与回流气体进行最大程度上的混合，从而减少能源浪费，提高氢燃料电池的输出功率。

进一步地，通过工作气体在引射体入口腔的加速喷射以及文丘里管对回流气体的引射回流，结合拉瓦尔管在引射体入口腔内的安装以及引射口在引射体入口腔的设置，能够使回流气体进入引射体入口腔后，以螺旋涡流状态环绕在工作气体外侧，并在工作气体的加速喷射中将螺旋涡流的回流气体盘绕回卷至工作气体中，并在整体气流的推动中进行混合，从而有助于改善工作气体与回流气体的流动状态，增强两者的混容效果，利于回流气体的循环再利用。

本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请中氢燃料电池引射器的外部结构示意图；

图2为氢燃料电池引射器的内部结构示意图；

图3为本申请中氢气循环系统的结构示意图。

图标：

a-高压氢瓶；b-高压泄压阀；c-引射器；d-汽水分离器；e-电堆；

1-安装座；11-氢气流道；12-进气口；13-过滤网；

2-低压泄压阀；

3-引射体；31-引射口；32-出气口；33-进水口；34-出水口；35-氢气加热通道；36-高温冷却水出水管线；37-高温冷却水回水管线；

4-密封块；

5-文丘里管；51-引射体入口腔；51a-入口直筒段；51b-入口渐缩段；52-混合腔室；53-引射体扩容腔；53a-出口渐扩段；53b-出口直筒段；

6-拉瓦尔管；61-进口腔；62-收缩腔；63-喉管；64-扩张腔；

7-密封圈；

8-输氢管道；

9-回流气体管道；

10-混合气体管道。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参见图1-图2，并结合图3，本申请中的氢燃料电池引射器c，主要用于电堆e中未进行反应氢气的循环再利用，具体通过将回流气体引射至引射体3的形式，使回流气体与外界输送的工作气体进行混合后再进入电堆e中，实现多余氢气的循环再利用。

通过设置引射器c的形式，摒弃现有氢气循环中氢气循环泵的使用，在保证回流气体与工作气体混合效果的前提下，减少了额外功耗，适用于长期运行的氢燃料电池的应用。

本申请中引射器c的工作原理包括：外界高压氢瓶a中的高压氢气经过高、低压减压阀减压后由拉瓦尔管6形式的喷嘴高速喷出进入引射体3的腔体内，气流高速流动带走引射体入口腔51内的回流气体，造成引射体入口腔51内部气压极低的工况，利于回流气体的引射，使电堆e排出气体由引射口31被吸入。

拉瓦尔管6中进入的工作气体和引射口31进入的回流气体一起进入引射体3的混合腔内，在混合腔混合均匀进入扩容腔减速降压由出气口32进入电堆e内部，实现氢气的循环利用。

上述本发明的工作原理决定其不需要消耗额外的功率，并且为静态结构件，结构简单无运行磨损，适合于燃料电池长寿命的氢气循环。

参见图1-图2，本申请中的氢燃料电池引射器c，主体结构包括安装座1、引射体3以及密封块4，各组成之间通过固定作用的螺栓进行连接，并在连接部位通过密封圈7进行密封。

引射体3内设置有文丘里管5，主要进行回流气体的引射，以及工作气体与回流气体的混合。具体地，文丘里管5包括引射体入口腔51以及引射体扩容腔53，工作气体在引射体入口腔51减压加速喷射，同时回流气体在引射体入口腔51引射进入引射体3。

由于气体的粘性特性，回流气体在工作气体的带动下能够进入文丘里管5的混合腔室52，同时在跟随工作气体的流动过程中与其进行混合，在混合腔室52进行混合后进入引射体扩容腔53，在引射体扩容腔53中混合气体降压、混容、减速，得到缓冲后从引射体3排入电堆e。

为了能够使混合后的气体正常通入电堆e，密封块4安装在引射体扩容腔53的端部以对引射体扩容腔53密封，以使混合气体通过引射体扩容腔53设置的出气口32排至电堆e。

工作气体的减压加速喷射是通过拉瓦尔管6形式的喷嘴进行的，其中拉瓦尔管6安装在引射体入口腔51，安装座1内部设置有氢气流道11，氢气流道11与拉瓦尔管6相通，外界高压氢瓶a中的氢气通过氢气流道11进入拉瓦尔管6，并通过拉瓦尔管6的减压加速喷射进入引射体入口腔51。

回流气体的引射回流具体是通过设置在引射体入口腔51上的引射口31进行，工作气体在引射体入口腔51部位的加速喷射，能够构成文丘里管5引射体入口腔51部位的极低压环境，结合上游电堆e的输出压力，能够使回流气体源源不断地引射吸入引射体入口腔51，使工作气体带动回流气体混合输送。

在引射体扩容腔53部位设置有出气口32，出气口32与氢燃料电池的电堆e相通，能够使工作气体及回流气体的混合气体通过出气口32输送至电堆e进行反应。混合气体在电堆e中进行反应时，未完成反应的氢气从电堆e中排出，并经过汽水分离器d的分离后以回流气体的形式通过引射器c进入引射器c内。

通过文丘里管5与拉瓦尔管6的相互配合，能够使回流气体保持正常引射回流的前提下，还能够促进工作气体与回流气体的混合效果，两者混合的角度主要体现在引射体入口腔51、混合腔室52以及引射体扩容腔53三个方面上。

首先，在其中一个具体的实施例中，引射体入口腔51包括入口直筒段51a以及入口渐缩段51b，拉瓦尔管6安装在入口直筒段51a上，引射口31设置在入口直筒段51a上。

通过该种设置方式，能够使回流气体在引射体入口腔51上入口直筒段51a的侧部引射吸入，同时使工作气体在入口直筒段51a中减压加速喷射，结合文丘里管5的引射效应以及拉瓦尔管6高速喷射的流体状态，以及气体的粘性特性，能够在入口直筒段51a部位，使回流气体以螺旋涡流状盘绕在工作气体的外部，并在入口渐缩段51b使回流气体不断地以涡流回卷的流体状态与工作气体交汇，实现工作气体与回流气体的初混。

本实施例中，拉瓦尔管6包括依次设置的进口腔61、收缩腔62、喉管63以及扩张腔64，进口腔61与氢气流道11相通，外接高压氢瓶a中的高压氢气经过高压泄压阀b、低压泄压阀2减压后进入氢气流道11，进而从氢气流道11通入拉瓦尔管6中的进口腔61，然后先经过截面积逐渐收缩的收缩腔62，氢气逐渐加速然后进入喉管63达到音速，再由扩张腔64将速度进一步提升喷入文丘里管5的引射体入口腔51中。

为了减少工作气体喷射部位对回流气体造成冲击，本实施例中拉瓦尔管6远端扩张腔64的喷射端面越过引射口31，能够保证回流气体的引射吸入。同时为了利于形成回流气体在工作气体外的螺旋涡流，扩张腔64的喷射端面设置在入口直筒段51a且与入口渐缩段51b之间至少保留一段距离，能够使工作气体在喷射端面至入口渐缩段51b的输送距离中，以直喷所形成的冲击气流，将引射吸入的回流气体形成螺旋涡流的绕流状态。

本实施例中的拉瓦尔管6与氢气流道11同心设置，能够使工作气体的氢气以直通形式进入拉瓦尔管6。进一步地，为了增大工作气体在进入拉瓦尔管6内的流速，拉瓦尔管6中进口腔61的直径小于氢气流道11的直径，以缩小流道面积的形式，增大工作气体进入拉瓦尔管6中的流速。

基于上文已述的高压氢气经过高压泄压阀b以及低压泄压阀2进行降压后进入引射器c，高压泄压阀b设置在高压氢瓶a下游的管路上，低压泄压阀2设置在安装座1上，高压氢瓶a中的氢气在流经低压泄压阀2后进入氢气流道11，进而以减压后的压力通入拉瓦尔管6，利于形成高速喷射状态。

其次，在另一个具体的实施例中，拉瓦尔管6与文丘里管5同心设置，能够使工作气体在文丘里管5引射体入口腔51的中心喷射进入，从而利于形成回流气体围绕工作气体的螺旋涡流。

入口渐缩段51b与引射体扩容腔53之间设置有混合腔室52，工作气体与回流气体在入口渐缩段51b进行涡流回卷，使回流气体与工作气体在入口渐缩段51b末端的回卷混合后进入混合腔室52，实现在混合腔室52中的混合。

在混合腔室52中，工作气体与回流气体经过混合腔室52充分混合，温度、密度、压力达到一致后输送至引射体扩容腔53，最终在引射体扩容腔53实现混合气体的降压、混容、减速。

另外，在另一个优选的实施例中，引射体扩容腔53包括出口渐扩段53a以及出口直筒段53b，密封块4安装在出口直筒段53b的端口上，出气口32设置在出口渐扩段53a与出口直筒段53b的相交部位。

出口渐扩段53a部位主要进行混合气体的降压、混容、减速，出口直筒段53b主要进行减速后混合气体的缓冲。设置在出口直筒段53b端口上的密封块4一方面实现了对引射体3内部空间的密封，另一方面能够将部分的混合气体进行碰撞阻挡，使降压后的混合气体在出口直筒段53b缓冲混合，增强了通入电堆e前的混容。

通过工作气体与回流气体在不同阶段的混合，能够使回流气体充分地融入工作气体当中，从而利于提高回流气体的循环利用率，根本上提高氢燃料电池的工作效率。

为了保证氢燃料电池引射器c的整体密封性，在安装座1与引射体3的相接部位、密封块4与引射体3的相接部位、引射口31以及出气口32与管道的连接部位均设置有密封圈7，避免氢气的泄露。

结合图3，本发明还提供了一种应用在氢燃料电池中的氢气循环系统，包括依次设置的高压氢瓶a、高压泄压阀b、上文已述的氢燃料电池引射器c以及电堆e，高压氢瓶a中的高压氢气通过高压泄压阀b、安装座1中低压泄压阀2的降压后进入氢气流道11，然后通过引射体3并与回流气体进行混合后进入电堆e，电堆e中未反应完全的多余氢气通过汽水分离器d分离后，引射回流至引射体3，并与高压氢瓶a中的工作气体混合后进入电堆e中，周而复始，实现氢气在氢燃料电池中的循环再利用。

具体地，汽水分离器d设置在氢燃料电池引射器c与电堆e之间，用于将电堆e中反应后的气体通过汽水分离后循环返回至氢燃料电池引射器c，减少反应气体中水分对循环利用以及电堆e反应中的影响。

安装座1上设置有进气口12，进气口12上设置有过滤网13，主要用于承接来自外界高压氢瓶a的氢气，进气口12通过输氢管道8与高压泄压阀b连接，使高压氢气在经过高压泄压以及过滤网13后进入安装座1中的低压泄压阀2，进而实现高、低压降压。

引射口31通过回流气体管道9与汽水分离器d连接，出气口32通过混合气体管道10与电堆e连接，回流气体管道9主要用于输送汽水分离后的回流气体，混合气体管道10主要用于输送引射器c混合后的混合气体，从而保证氢气循环的可靠进行。

从对氢气进行预加热，使得到预加热的氢气进入电堆e后利于与氧气进行充分反应的角度，本发明中的氢气循环系统还充分利用了对电堆e进行冷却后的得到温升后的高温冷却水的热量。

具体地，电堆e连接有供高温冷却水从电堆e中导出的高温冷却水出水管线36，以及供对氢气进行预加热后的高温冷却水返回至电堆e的高温冷却水回水管线37，通过将高温冷却水引入引射器c，能够直接利用电堆e冷却水的热量，实现对氢气预加热的同时，减少额外能源的消耗。

具体地，引射体3上设置有进水口33及出水口34，进水口33与出水口34之间设置有环绕在文丘里管5外侧的氢气加热通道35，氢气加热通道35具体为在引射体3侧壁上加工的供高温冷却水通过的微小通道。

引射体3上的进水口33与高温冷却水出水管线36相接，用于向微小通道中导入电堆e产生的高温冷却水，引射体3上的出水口34与高温冷却水回水管线37相接，用于将对氢气进行预加热后的高温冷却水由引射体3上导出并返回至电堆e。

在运行过程中，通过将电堆e中的高温冷却水引入引射器c，与同时进入引射器c的低温氢气换热，使氢气温度升高后再进入电堆e与氧气进行反应，能够使反应更加充分。

得到预加热后的氢气进入电堆e利于与氧气进行充分彻底地反应，避免氢气的浪费，直接利用电堆e冷却水热量的形式，不需要其他附加功率损耗。

需要重点指出的是，本发明中充分结合了拉瓦尔管6的减压增速喷射，以及文丘里管5的降压混容减速的特性，实现对回流气体的引射，混合，并且通过流体在引射体入口腔51、混合腔室52以及引射体扩容腔53不同部位的状态，最大程度上增强混容效果，增大多余氢气的循环再利用率，提高氢燃料电池的工作效率。

需要指出，低压泄压阀2采用螺纹但不限于螺纹安装于安装座1上，安装位置由密封圈7但不限于密封圈7密封；拉瓦尔管6过盈压装但不限于过盈压装于引射体3上；安装座1与引射体3由螺栓但不限于螺栓连接，两安装面由密封圈7但不限于密封圈7密封；密封块4通过螺栓但不限于螺栓安装于引射体3尾部，两安装面由密封圈7但不限于密封圈7密封。

引射口31和出气口32分别直接与汽水分离器d和电堆e连接，采用密封圈7密封，节省了中间管路，结构紧凑，节省安装空间，安装简单避免了管路安装环节容易出现的泄露风险。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

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

Claims (7)

1.一种氢燃料电池引射器，其特征在于，包括：安装座、引射体以及密封块，所述引射体内设置有拉瓦尔管，所述拉瓦尔管包括引射体入口腔以及引射体扩容腔；

所述引射体入口腔安装有文丘里管，所述安装座内部设置有氢气流道，所述氢气流道与所述文丘里管相通；

所述引射体入口腔设置有引射口，所述引射体扩容腔设置有出气口，所述出气口与氢燃料电池的电堆相通，所述引射口用于引射电堆中的回流气体；

所述引射体入口腔包括入口直筒段以及入口渐缩段，所述文丘里管安装在所述入口直筒段；

所述引射口设置在所述入口直筒段上；

所述文丘里管包括依次设置的进口腔、收缩腔、喉管以及扩张腔，所述扩张腔的喷射端面越过所述引射口并设置在所述入口直筒段中，且所述喷射端面与所述入口渐缩段之间至少保留一段距离；

所述文丘里管与所述拉瓦尔管同心设置，所述入口渐缩段与所述引射体扩容腔之间设置有混合腔室；

所述引射体扩容腔包括出口渐扩段以及出口直筒段，所述密封块安装在所述出口直筒段的端口上，以对所述引射体扩容腔密封，所述出气口设置在所述出口渐扩段与所述出口直筒段的相交部位。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池引射器，其特征在于，所述进口腔与所述氢气流道相通。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池引射器，其特征在于，所述文丘里管与所述氢气流道同心设置，且所述进口腔的直径小于所述氢气流道的直径。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池引射器，其特征在于，所述安装座上设置有低压泄压阀，氢气经过所述低压泄压阀后进入所述氢气流道。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的氢燃料电池引射器，其特征在于，所述安装座与所述引射体的相接部位、所述密封块与所述引射体的相接部位、所述引射口以及所述出气口均设置有密封圈。

6.一种氢气循环系统，其特征在于，包括依次设置的高压氢瓶、高压泄压阀、权利要求1-5中任一项所述的氢燃料电池引射器以及电堆，所述氢燃料电池引射器与所述电堆之间设置有汽水分离器，用于将所述电堆中的气体进行汽水分离后循环返回至所述氢燃料电池引射器。

7.根据权利要求6所述的氢气循环系统，其特征在于，所述安装座上设置有进气口，所述进气口通过输氢管道与所述高压泄压阀连接，所述引射口通过回流气体管道与所述汽水分离器连接，所述出气口通过混合气体管道与所述电堆连接；

所述电堆连接有高温冷却水出水管线及高温冷却水回水管线，所述引射体上设置有进水口及出水口；

所述进水口与所述出水口之间设置有环绕在所述拉瓦尔管外侧的氢气加热通道，所述进水口与所述高温冷却水出水管线相接，所述出水口与所述高温冷却水回水管线相接。