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燃料电池氢引射器详解

2021/3/3

燃料电池工作过程中,为保证电极阳极侧氢气能够在活性面积区域均匀的扩散,气体必须要过量供应,而过量的氢气反应后不能直接排放以免造成浪费,因此必须有循环装置将过量的氢气由出口在循环至入口处。

常见的循环装置主要分为主动形式的氢气循环泵和被动形式的氢气引射器,相比氢气循环泵,氢气引射器无移动部件、结构简单、运行可靠,而且无寄生功率,是实现燃料电池氢气循环利用的理想装置。

由伯努利定律可知在高速流动的流体附近会产生低压,从而产生吸附作用。利用这种效应可以制作出文氏管,如下图所示,A口连接氢源处,1处高压氢气由喷嘴2以较高的速度喷出,在3处形腔产生低压将电堆出口B处过量的氢气在此吸入,最后混合A处进入的氢气由C口喷出进入电堆入口。

燃料电池氢引射器示意图

燃料电池氢气引射器示意图




一般流速较高的区域产生低压,将高压区的氢气吸入,图中清楚的表示了引射器中各个位置氢气流速和压力的对应关系。

氢气引射器内压力与流速分布示意图


△ 氢气引射器内压力与流速分布示意图



引射器最大优势在于节省能耗,由于没有复杂的运动件,更加简单可靠,并且它的体积能做到氢气循环泵的三分之一,实际成本还不到氢气循环泵一半。


但引射器也有明显的缺陷,由于引射器是被动吸气循环,很难覆盖燃料电池全部工况需求,一般非可调氢气引射器只针对燃料电池发动机的额定工作点设计。这会造成引射器在低功率负载下引射效果不佳,为弥补这一缺陷,从而覆盖燃料电池发动机的全部工作区间,国内外都在探索采用增加引射器移动部件或采用引射器与循环泵并联的方法实现上述设计目标。


本田汽车在2009款燃料电池汽车上采用了可变喷嘴引射器,之后在Clarity燃料电池汽车上取消了隐射器的可变喷嘴功能,采用固定喷嘴隐射器+氢气喷射的集成进气循环模式。


  本田Clarity氢气进气与循环系统原理图

本田Clarity氢气进气与循环系统原理图

本田Clarity固定喷嘴引射器和氢气喷射器集成设计结构剖面图



△ 本田Clarity固定喷嘴引射器和氢气喷射器集成设计结构剖面图




引射器最核心的部分在于文丘里管的设计和控制逻辑方案,不同企业的设计思路和解决方案都存在差别,目前都是基于客户的需要进行定制化设计,长城汽车也推出了覆盖额定功率8%~100%的全功率引射器,采用比例电磁阀+单引射器”的氢循环模块,可有效弥补引射器的覆盖工作范围窄的缺点,提升了引射器效率。

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