一种氢燃料系统负压引流设备的制作方法

1.本发明涉及新能源汽车技术领域，更具体地说，是涉及氢燃料系统负压引流设备。


背景技术：

2.随着如今绿色环保的生活理念逐渐深入人心，越来越多的人开始选择新能源汽车，特别是氢发动机汽车，由于氢发动机使用的燃料是气体氢，排放出的是纯净水，其具有无污染、零排放、储量丰富等优势，氢发动机汽车是一种真正实现零排放的交通工具。但是，由于氢气价格昂贵，且在电堆反应过程中，内部的氢气不能完全反应，有效利用率低，导致氢气的浪费，增加使用成本。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种氢燃料系统负压引流设备，提供一种高效可循环的结构，达到将未反应的氢气可重新使用的目的，实现氢气的完全利用，避免浪费资源，节约使用成本。
4.本发明解决其技术问题的技术方案是：一种氢燃料系统负压引流设备，包括高压氢气源、电堆，其特征在于，还包括电堆反应路线、氢气引射路线；所述电堆反应路线包括顺序连接的所述高压氢气源、引射器、加温加湿装置、所述电堆；所述氢气引射路线包括顺序连接的所述电堆、水气分离器、所述引射器；氢气从电堆反应路线进入电堆完成化学反应，反应后的余量氢气从氢气引射路线被所述引射器吸入到电堆反应路线上。
5.所述电堆反应路线还包括压力调节装置、质量流量计，所述压力调节装置、质量流量计连接在高压氢气源与引射器之间。
6.所述氢气引射路线还包括背压装置，所述背压装置连接在电堆与水气分离器之间。
7.所述引射器包括喷嘴、吸入室、混合室、扩压室，所述吸入室设有喷嘴入口和被引射氢气入口，所述扩压室呈圆锥筒形。
8.所述混合室包括呈圆锥筒形的混合室入口腔和呈筒形的混合室主腔，所述混合室入口腔的入口直径大于出口直径。
9.所述喷嘴直径dn、混合室直径dm、混合室主长度lm符合下式：dm/dn=5.2、lm/dm=4。
10.所述喷嘴的出口端经过吸入室进入到混合室内，喷嘴的出口端距离吸入室与混合室连接处8mm。
11.本发明的有益效果是：本发明设置有循环的回收路线，使pemfc电堆内部未参与化学反应的余量氢气通过背压装置、水气分离器，回到引射器，再沿电堆反应路线参与到新的电堆化学反应中，达到氢气的完全利用，避免浪费资源，节约使用成本。
12.本发明的引射器结构科学合理，使引射系数在整个运行范围内都较为理想，其中
峰值功率57.2kw对应的引射系数为1.31；低功率点10.7kw对应的引射系数到1.45，引射器的入口压力虽有增加，但仍在喷氢阀的工作压力范围内。
附图说明
13.图1为本发明的氢燃料系统负压引流设备的示意图。
14.图2为本发明的引射器结构示意图。
15.图3为本发明的引射器的尺寸示意图。
具体实施方式
16.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
17.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
18.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接。也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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发明的具体含义。
19.燃料电池是通过电化学反应将储存在反应物中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，由于转化过程不存在热机做功，没有卡诺循环的限制，因此能量转化效率高。在燃料电池中，氢气作为能量的载体，其稳定有效的供给与电堆的输出功率密切相关。目前常规的燃料电池中，氢气供给系统多采用二级减压阀减压后稳压定量多供应的方式为电堆提供足够的燃料。这种方法虽然能使燃料电池满足工作要求，但在电堆低负荷区时，由于氢气供应过量，导致氢气浪费，有效利用率低；而在高负荷区时，由于氢气需求量较大，将会出现氢气供应不足，并最终导致燃料饥饿，功率输出不足，严重影响整个系统的工作性能。为此，本发明研发一种高效的氢气供给循环系统，通过引射器与燃料电池电堆进行系统集成匹配，在不消耗额外功率的情况下可实现气体的回收以及增压，提升燃料利用率以及燃料电池效率。
20.参见图1所示，本发明公开的氢燃料系统负压引流设备，包括电堆反应路线、氢气引射路线，所述电堆反应路线：高压氢气源1——压力调节装置2——质量流量计3——引射器4——加温加湿装置5——pemfc电堆10。
21.其中，高压氢气源1与压力调节装置2连接，压力调节装置2与质量流量计3连接，质量流量计3与引射器4连接，引射器4与加温加湿装置5连接，加温加湿装置5与pemfc电堆10连接。
22.其中，压力调节装置2用于调节压力的大小。
23.其中，质量流量计3可以测量并控制氢气进入电堆反应路线的流量。
24.其中，加温加湿装置5的作用是可以增加氢气的湿度与温度。
25.氢气由高压氢气源1输出，依次通过压力调节装置2、质量流量计3、引射器4、加温加湿装置5，最后到达pemfc电堆10内部与氧气在电堆内发生化学反应，至此，完成电堆的启动工作。
26.未参加反应的氢气从氢气引射路线重新回到电堆反应路线。所述氢气引射路线：pemfc电堆10——背压装置6——水气分离装置7——引射器4——加温加湿装置5——pemfc电堆10。pemfc电堆10与背压装置6连接，背压装置6与水气分离装置7连接，其中水气分离装置7以并联的方式分别与排气阀8、排水阀9、引射器4相连接。
27.其中，背压装置6用于实现电池的背压调节。
28.其中，水气分离装置7的作用是筛选剩余物质，将水和未反应的氢气分开，防止水分进入电堆反应路线。电堆反应后的剩余物质通过背压装置6后，到达水气分离器7，水气分离器7内部将水与气体分开，多余的氧气经排气阀8排出，多余的水经排水阀9排出，未完全分解的氢气回到引射器4，再通过加温加湿装置5，再次到达pemfc电堆10内参与反应。
29.其中，引射器4的结构及尺寸参见图2
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3，它包括喷嘴41、吸入室a、混合室b、扩压室c，吸入室有两入口，一个入口在电堆反应路线上，喷嘴41从该入口插入引射器内腔，另一个入口是连接氢气引射路线的被引射氢气入口42，混合室分为两段，包括呈圆锥筒形的混合室入口腔43和呈筒形的混合室主腔44。扩压室c呈圆锥筒形，扩压室c连接混合室主腔44且直径逐渐增长。混合室入口长度为lc、混合室主长度为lm、被引射氢气入口直径为ds、喷嘴直径dn、混合室直径dm、喷嘴位置尺寸nxp，混合室入口倾斜角为c，扩压室倾斜角为p。以吸入室a与混合室b的交界处为原点o，nxp是喷嘴出口端距离原点o的尺寸，nxp为正数则喷嘴出口端在吸入室a内，nxp为负数则表示喷嘴出口端经过吸入室进入到混合室内。引射器的结构直接影响引射效果，氢气引射系数反映了引射器能否将低压氢气（氢气引射路线输出的被引射的湿润气体）。氢气引射系数指的是在一定工况下，单位质量的高压氢气通过引射器时所能吸入的低压氢气的流量，影响引射器性能的关键尺寸有：喷嘴直径dn、混合室直径dm、混合室主长度lm、喷嘴位置尺寸nxp，需要在设计过程依次寻找上述参数的最优值。最优值的筛选通过仿真建模和氢气引射系数对比曲线分析完成。仿真建模参数范围：电堆功率在10kw
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60 kw范围，电堆氢入压力0.3
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1 bar，电堆氢气压降0.02
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0.07bar，质量流量0.1
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1g/s。仿真建模针对不同的dn进行建模，分别按照多组运行工况进行仿真计算。根据变工况的计算结果，可绘制出dn与引射系数、主引射入口压力的变化曲线，从而寻找到可用负载范围和引射性能都达到较优值的参数值。随着dn数值减小，引射性能增强，可用负载范围拓宽，但是引射器入口压力增大，限制引射器入口压力在喷氢阀最大工作压力pmax=10barg以下，获得dn较优解。确定了dn值后，dm/dn在3
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7范围内根据运行工况制作一组氢气引射系数曲线并作对比分析，得出dm/dn、lm/dm的较优值，并在以上最优参数值的基础上，调整nxp数值，发现最优nxp数值随着电堆功率的增大而减小，由此确定nxp数值的较优取值范围；在此范围内，取较大值可以在小负载时获得更优引射性能，由此拓宽引射器可用负载范围。综合考虑，选择符合要求的nxp=
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8mm，喷嘴从吸入室伸入到混合室8mm，即在混合室内的喷嘴末端距离吸入室与混合室连接处的距离是8mm。各优化参数确定如下：dn：1.5 mm。
30.dm：7.8 mm。
31.ds:12 mm。
32.dm/dn=5.2。
33.混合室入口长度lc:15.1 mm。
34.混合室主长度lm：31.2 mm。
35.扩压室长度ld:42.4 mm。
36.nxp=
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8mm∠c:19.7
゜
、∠p:7.5
゜
、lm/dm=4。
37.根据仿真分析结果，引射系数在整个运行范围内都得到了提升，其中峰值功率57.2kw对应的引射系数为1.31；低功率点10.7kw对应的引射系数到1.45。引射器的入口压力有增加，但仍在喷氢阀的工作压力范围内。
38.以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。