适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器及氢燃料电池系统
阅读说明：本技术 适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器及氢燃料电池系统 (Multi-nozzle ejector suitable for hydrogen fuel cell system and hydrogen fuel cell system ) 是由 王雷 宋亚杰 杜志强 于 2021-03-08 设计创作，主要内容包括：本发明属于引射器和燃料电池领域,提供了一种适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器及氢燃料电池系统。该多喷嘴引射器包括一次流管、多喷嘴结构、吸入室、二次流入口、混合室和扩散室；一次流管、多喷嘴结构、混合室和扩散室沿轴线依次连通；所述吸入室和二次流入口分别设置在多喷嘴结构两侧,且均与混合室连通；一次流管的数量与多喷嘴结构中的喷嘴数量相等且一一对应连通；一次流管用于接收减压后的高压氢气,在多喷嘴结构出口形成低压区域,以吸入二次流入口连通的燃料电池阳极出口处的气体,再经混合室混合之后送入燃料电池；其中,多喷嘴结构中各个喷嘴的工作状态由燃料电池的输出功率大小决定。(The invention belongs to the field of ejectors and fuel cells, and provides a multi-nozzle ejector suitable for a hydrogen fuel cell system and the hydrogen fuel cell system. The multi-nozzle ejector comprises a primary flow pipe, a multi-nozzle structure, a suction chamber, a secondary flow inlet, a mixing chamber and a diffusion chamber; the primary flow pipe, the multi-nozzle structure, the mixing chamber and the diffusion chamber are sequentially communicated along the axis; the suction chamber and the secondary inflow port are respectively arranged at two sides of the multi-nozzle structure and are communicated with the mixing chamber; the number of the primary flow pipes is equal to that of the nozzles in the multi-nozzle structure and the primary flow pipes are communicated in a one-to-one correspondence manner; the primary flow pipe is used for receiving the decompressed high-pressure hydrogen, forming a low-pressure area at the outlet of the multi-nozzle structure, sucking the gas at the anode outlet of the fuel cell communicated with the secondary flow inlet, mixing the gas in the mixing chamber and then sending the mixed gas into the fuel cell; wherein, the working state of each nozzle in the multi-nozzle structure is determined by the output power of the fuel cell.)
技术领域
本发明属于引射器和燃料电池领域，尤其涉及一种适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器及氢燃料电池系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
质子交换膜燃料电池是一种将氢气的化学能转化为电能的能量转换装置，由于其具有效率高、启动快、功率密度高、运行声音小等优点，成为替代内燃机作为汽车的动力源泉的绿色替代品。供氢子系统作为燃料电池中重要的子系统之一，通常使用机械泵完成对氢气的再循环利用，以提高燃料电池的氢利用率，但机械泵造价高、密封性差、稳定性差且会产生额外功率消耗。引射器具有成本低、密封性好、噪音低，并且在使用过程中无寄生功率消耗等优点，有着替代机械泵的发展趋势。
引射器是一种应用广泛的流体机械，利用工作流体的射流来实现能量的转换。在燃料电池的实际应用中，传统引射器的性能主要是由燃料电池的输出功率决定。引射器的引射性能评价指标是再循环率，即为二次流质量流量与一次流质量流量的比值。在燃料电池中系统中，通常需要氢过量比大于1.5，对应所设计的引射器的再循环率大于0.5。通常燃料电池汽车面临着高速、低速、停滞等运行状况，这就要求引射器在较宽的功率范围内高效工作；当传统引射器偏离其设计的工况点之后，传统引射器的性能会大幅度衰减，这是阻碍引射器广泛应用于氢燃料电池系统的主要原因。目前，有一种可变喷嘴引射器，通过可控喷针调整喷嘴的大小来改变喷射器使用的工况范围，虽然可以解决传统引射器工作范围狭窄的问题。但是，发明人发现，由于喷针的位置需要高高精度控制，且其需要稳定的工作环境，这会将引射器的驱动装置变得极为复杂，不太适用于动态运行的车用燃料电池汽系统中。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明的第一个方面提供一种适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器，其能够根据燃料电池输出功率的大小自动切换适用不同的喷嘴，可以让引射器在燃料电池大范围输出功率下工作且具有良好的性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器，包括一次流管、多喷嘴结构、吸入室、二次流入口、混合室和扩散室；
所述一次流管、多喷嘴结构、混合室和扩散室沿轴线依次连通；所述吸入室和二次流入口分别设置在多喷嘴结构两侧，且均与混合室连通；其中，一次流管的数量与多喷嘴结构中的喷嘴数量相等且一一对应连通；
所述一次流管用于接收减压后的高压氢气，在多喷嘴结构出口形成低压区域，以吸入二次流入口连通的燃料电池阳极出口处的气体，再经混合室混合之后送入燃料电池；其中，多喷嘴结构中各个喷嘴的工作状态由燃料电池的输出功率大小决定。
作为一种实施方式，所述多喷嘴结构包括圆柱段和渐缩段，处于渐缩段的部分为圆锥形；处于圆柱段的部分为圆柱形。
作为一种实施方式，所述多喷嘴结构为共轴双喷嘴、对焦双喷嘴、聚焦三喷嘴或聚焦四喷嘴。
作为一种实施方式，所述共轴双喷嘴包括第一喷嘴和第二喷嘴，第一喷嘴和第二喷嘴的流通孔道沿引射器的轴线开设，其中第一喷嘴的喉部面积小于第二喷嘴的喉部面积。
作为一种实施方式，第一喷嘴的出口为圆形，第二喷嘴的出口为环形。
作为一种实施方式，第一喷嘴的喉部直径为1.12mm，入口直径为3mm，第二喷嘴的喉部的内径为2.2mm、外径为2.8mm,入口的内径为5mm、外径为8mm，引射器混合室面积混合段的直经为5.6mm。
其中，引射器混合室的等面积混合段的面积与多个喷嘴的面积之和相匹配。
作为一种实施方式，多喷嘴结构中的各个喷嘴通过相应一次流管与对应供氢管道相连。
作为一种实施方式，每个供氢管道上均连接有一电磁阀，所述电磁阀由控制器根据燃料电池的输出功率大小来控制开通和关断。
作为一种实施方式，所述混合室包括两个混合段，分别为等压混合段和等面积混合段。
本发明的第二个方面提供一种氢燃料电池系统，其包括如上述所述的适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器。
本发明的有益效果是：
(1)本发明对现有的引射器的喷嘴进行改良，将原始的喷嘴分为多个喷嘴，以多喷嘴结构为共轴双喷嘴为例，在燃料电池输出功率小时，可以让高压气体只经过第一喷嘴，不经过第二喷嘴，这样引射器仍然可以获得较高的气体势能，解决了在低一次流质量流量下，引射器由于主流能量不足而引起的性能差的缺陷，在中高输出功率下，可以让高压气体进过第二喷嘴，不经过第一喷嘴，在最大输出功率下，可以让高压气体经过两个喷嘴，两个喷嘴一起工作，这样多喷嘴引射器可以在燃料电池大范围输出功率下工作，扩宽了传统引射器在燃料电池系统中的工作范围，改善了传统引射器不能满足燃料电池汽车行驶过程中变工况运行的缺点，除此之外，相比于自动调节喷嘴引射器，减少了驱动机构，以及控制电机的算法，并且由多喷嘴引射器组成的供氢系统结构更加简单。
(2)本发明的多喷嘴引射器安全可靠，结构简单，成本低廉，能够根据燃料电池输出功率的大小自动切换适用不同的喷嘴，可以让引射器在燃料电池大范围输出功率下工作并且具有很好的性能。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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为传统引射器结构图；
图2为本发明实施例提供的共轴双喷嘴引射器结构示意图；
图3(a)为本发明实施例提供的对焦双喷嘴结构；
图3(b)为本发明实施例提供的聚焦三喷嘴结构；
图3(c)为本发明实施例提供的聚焦四喷嘴结构；
图4为本发明实施例的多喷嘴引射器在燃料电池系统中的应用结构图。
其中，1-一次流管，2-吸入室，3-传统单喷嘴，4-二次流入口，5-等压混合段，6-等面积混合段，7-扩散室，8-多喷嘴结构。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，目前现有的工业上的应用的引射器包括一次流管1、喷嘴3、吸入室2、二次流管4、混合室和扩散室7；其中，混合室包括两个混合段，分别为等压混合段5和等面积混合段6。喷嘴3连接至一次流管1的出口处，所述喷嘴3横穿过吸入室2进入混合室；所述扩散室7连接至混合室的出口处；所述二次流管4置于混合室下方，通入混合室内。
燃料电池供氢循环系统中的引射器工作原理：高压氢气经过减压阀后得到合适的供氢压力，通过一次流喷嘴，在喷嘴出口形成一个低压区域，该低压区域可以吸入燃料电池阳极出口的氢气，水蒸气以及氮气，然后两股气体在再混合室进行能量交换，最后将混合气体送入燃料电池。
如图2所示，本实施例的适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器，包括一次流管1、多喷嘴结构8、吸入室2、二次流入口4、混合室和扩散室7。
其中，所述混合室包括两个混合段，分别为等压混合段5和等面积混合段6。
所述一次流管1、多喷嘴结构8、混合室和扩散室7沿轴线依次连通；所述吸入室2和二次流入口4分别设置在多喷嘴结构8两侧，且均与混合室连通；其中，一次流管1的数量与多喷嘴结构8中的喷嘴数量相等且一一对应连通；
所述一次流管1用于接收减压后的高压氢气，在多喷嘴结构8出口形成低压区域，以吸入二次流入口4连通的燃料电池阳极出口处的气体，再经混合室混合之后送入燃料电池；其中，多喷嘴结构8中各个喷嘴的工作状态由燃料电池的输出功率大小决定。
在具体实施中，所述多喷嘴结构8包括圆柱段和渐缩段，处于渐缩段的部分为圆锥形；处于圆柱段的部分为圆柱形。
本实施例的多喷嘴结构8是根据车用燃料电池的要求来确定，当车用燃料电池要求的工作范围变宽的情况下，可以增加喷嘴的数量，来更大范围扩宽引射器的适用功率，研究表明引射器的最多可以拥有4个喷嘴，过多的喷嘴会导致单一使用一个喷嘴时引射器的性能下降。参见图3(a)-图3(c)：对焦双喷嘴、聚焦三喷嘴、聚焦四喷嘴。
以所述多喷嘴结构为共轴双喷嘴为例：
所述共轴双喷嘴包括第一喷嘴和第二喷嘴，第一喷嘴和第二喷嘴的流通孔道沿引射器的轴线开设，其中第一喷嘴的喉部面积小于第二喷嘴的喉部面积。
其中，第一喷嘴的出口为圆形，第二喷嘴的出口为环形。
第一喷嘴的喉部直径为1.12mm，入口直径为3mm，第二喷嘴的喉部的内径为2.2mm、外径为2.8mm,入口的内径为5mm、外径为8mm，引射器混合室的等面积混合段的直经为5.6mm。引射器混合室的等面积混合段的面积与多个喷嘴的面积之和相匹配。
在本实施例中，多喷嘴结构中的各个喷嘴通过相应一次流管与对应供氢管道相连。
其中，每个供氢管道上均连接有一电磁阀，所述电磁阀由控制器根据燃料电池的输出功率大小来控制开通和关断。
例如：多喷嘴引射器的适用的功率范围为18kW-120kW。120kW燃料电池氢循环系统的系统中，引射器的供氢压力设定在合适的范围3bar-10bar,温度为20℃，二次流氢气压力为1.9bar、温度为70℃；引射器出口压力为2.2bar、温度为65℃。
根据车用燃料电池输出功率的要求，可以通过控制电磁阀，使引射器处于不同的工作模式，当燃料电池输出功率小于35kW时，控制电磁阀使用第一喷嘴，当燃料电池功率在35kW-80KW时使用第二喷嘴，当燃料电池功率大于80kW时两个喷嘴一起使用。
如图4所示，多喷嘴引射器在燃料电池系统中的具体应用结构图，该系统结构包括高压供氢罐，减压阀，汽水分离器、多个电磁阀、排气阀和多喷嘴引射器，其中，多喷嘴引射器喷嘴的供氢管道连接有电磁阀。
本实施例的适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器的工作过程如下：
参见图2和图4，当燃料电池汽车在行驶过程中，速度较低时(即燃料电池输出功率小于预设功率时)，使用共轴双喷嘴引射器的第一喷嘴，第二喷嘴的供氢管道处于关闭状态，高压氢气通过第一喷嘴，在喷嘴出口处，膨胀形成一个低压区域，该低压区域小于二次流氢气的压力，可以将二次流氢气卷吸入到吸入室中，两股气流在混合段中混合，然后进入扩压段时速度下降，伴随着压力升高，达到燃料电池电堆所需的供氢压力，最后从引射器出口进入电堆。当燃料电池汽车在行驶过程中速度较高(即功率较大)时，可以使用共轴双喷嘴引射器的第二喷嘴，而第一喷嘴不工作，其工作原理与使用第一喷嘴时的原理一样；当需要燃料电池全功率工作时，第一喷嘴和第二喷嘴一起工作。
当多喷嘴结构为对焦双喷嘴、聚焦三喷嘴或聚焦四喷嘴时，适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器的工作过程为：
与带有共轴双喷嘴引射器车用燃料电池系统的工作原理相同，燃料电池的输出功率决定多喷嘴引射器各个喷嘴的工作状态，功率越高，喷嘴的使用数量越多，功率越低，喷嘴的使用数量少。例如，当多喷嘴结构为聚焦四喷嘴时(四个喷嘴大小一样)，当汽车运行速度较低时，(即燃料电池输出功率小于预设功率)，仅有一个喷嘴处于工作状态，当汽车运行在中高功率是，两个喷嘴或者三个喷嘴一起工作，当汽车需要满载功率运行时，四个喷嘴一起工作。不过随着多喷嘴结构喷嘴数量的增加，单一喷嘴的由于结构的限制，使用的功率范围越来越有限，且制造工艺难度增加，最佳多喷嘴结构的喷嘴个数为2-4个。
在其他实施例中，还提供了一种氢燃料电池系统，其包括如上述所述的适用于氢燃料电池系统的多喷嘴引射器。
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。
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