[0001] 本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池多功能引射器及氢气供给循环系统。

[0002] 燃料电池氢气供给循环系统作为燃料电池系统的功能子系统之一、起到氢气供给、增湿、余氢循环的作用；对提高燃料电池系统的反应效率、工作寿命、涉氢安全等方面具有重要意义。因目前燃料电池汽车的保有量较小，成本昂贵等因素，导致燃料电池的产业化速度较慢，设计及可靠性方面存在着诸多不足之处。一方面，当前市面上亮相的燃料电池系统，其阳极方案大体可分为两种技术路线，第一种技术路线为引射器方案，是一种被动式方案，利用高速流动的新氢产生负压，对电堆阳极出口的氢气进行回流引射，提高氢气利用率；优点为：无需辅助功耗、简单可靠，成本较低；缺点为：在燃料电池系统低功率段下，由于气体的流速较慢，引射效能不足，导致燃料电池系统的性能较差。第二种技术路线为氢泵方案，是一种主动式方案；利用电机转动做功，将阳极出口的残余氢气强制回流到阳极入口处再次参与反应，提高氢气利用率；优点为：工作稳定，性能较优；缺点为：增加了燃料电池系统的寄生功耗，NVH性能较差。

[0003] 另一方面，考虑到当工作环境气温较低时，由于阳极出口处回流的高温残余氢气和氢瓶内的低温氢气温差较大，在引射器汇合后，极易产生冷凝积水问题；冷凝水随氢气进入到燃料电池电堆内部后，可能会阻碍反应气体的传输，继而导致燃料电池电堆阳极入口处的单体电压下降，影响电堆工作效率及电堆单体一致性。

[0004] 如专利CN118398839A公开的一种燃料电池供氢循环系统及控制方法，该燃料电池供氢循环系统，包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的入口通过进氢管路与集成式引射器相连，所述燃料电池电堆的出口通过气水分离器、回氢管路与进氢管路相连，所述回氢管路内设置有氢气循环泵，所述回氢管路通过旁通管路与所述集成式引射器相连；存在上述问题，影响电堆工作效率及电堆单体一致性。

[0031] 下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0032] 如图1至图9所示，该燃料电池多功能引射器，包括相连的阀座、引射器本体以及利用废热对进入燃料电池电堆前的氢气进行加热的换热器；换热器集成在阀座上，集成设置，结构紧凑。

[0033] 阀座上设有用于控制氢气气源开口打开\关闭状态的关断阀和用于调节燃料供给的比例阀；阀座上对应比例阀设置有中压压力传感器，比例阀负责调节进行电堆内的氢气流量、压力、以配合不同工况点下的系统燃料供给需求。

[0034] 引射器本体上对应出口位置设有用于检测流入电堆的氢气温度及压力信息并将信号上报给燃料电池系统控制器的氢入压力传感器和氢入温度传感器。阀座上设有用于检测燃料电池系统阳极侧的氢气浓度的氢浓度传感器，集成设置，结构紧凑。

[0035] 换热器设在阀座的顶部，换热器上设有用于连接燃料电池系统冷却管路利用燃料电池废热对氢气加热的换热器热媒入口和换热器热媒出口；换热器上设有用于连接车载供氢系统的换热器冷媒入口和用于对应关断阀连接阀座内部流道的换热器冷媒出口。

[0036] 本多功能引射器内部依次集成有关断阀、换热器、中压压力传感器、比例阀、引射器、温度传感器、压力传感器；其中关断阀负责控制进入燃料电池系统的氢气气源入口关断，换热器负责对氢瓶流出的低温氢气进行加热，中压压力传感器负责检测低温氢气的压力，比例阀负责控制进入燃料电池系统内的氢气流量开度，引射器负责对阳极出口处的氢气进行回流引射，引射器后方的温度传感器及压力传感器负责检测进入燃料电池电堆内的氢气温度、压力；同时在引射器外部集成有氢气浓度传感器，负责检测燃料电池系统阳极侧的氢气浓度。本多功能引射器集成度较高、配合系统控制策略，可有效提高燃料电池系统的性能。

[0037] 本发明氢气供给循环系统，包括燃料电池电堆和所述燃料电池多功能引射器，多功能引射器设在燃料电池电堆上，所述燃料电池电堆上对应电堆氢气出口设有气水分离器，气水分离器的顶部设有与引射器相连的电堆氢气回流口，气水分离器底部连有排水管。系统中，当在燃料电池系统低功率段下，系统控制氢气循环泵主动开启，补偿回氢量；当在燃料电池系统大功率段下，系统仅控制氢气循环泵维持低速跟转，电推的阳极出口处回流的残余氢气先后通过水分、氢气循环泵、引射器后再次到达电堆阳极入口处参与反应，提高氢气利用率。

[0038] 气水分离器上对应排水管设有用于极端情况下加热破冰的加热电磁阀。气水分离器上设有氢出压力传感器与氢出温度传感器，并在气水分离器中部用于氮气定期排出的排氮阀。

[0039] 气水分离器的上方设置有氢气循环泵，气水分离器上的电堆氢气回流口与氢气循环泵的入口相连，氢气循环泵顶部设有与引射器的阀座相连的连接口，并在氢气循环泵的底部设有氢泵排水管。设置有尾排混合管，氢泵排水管、排氮管、排水管在尾端汇合，通过尾排混合管9将氮气和液态水排出系统外，结构紧凑，占用空间小，利于布置。

[0040] 本发明所设计的氢气供给循环系统结构，为引射器与氢泵串联方案。当在燃料电池系统低功率段下，系统控制氢泵主动开启，补偿回氢量；当在燃料电池系统大功率段下，系统仅控制氢泵维持低速跟转，阳极出口处回流的残余氢气先后通过水分、氢泵、引射器后再次到达电堆阳极入口处参与反应，提高氢气利用率。

[0041] 本发明燃料电池多功能引射器及氢气供给循环系统设计合理，结合引射器与氢泵的优点，组合一种新型的氢气供给循环方案，有效提高氢气利用率、降低辅助功耗；通过对传统引射器的集成方案优化，利用废热对进入燃料电池电堆前的氢气进行加热，改善燃料电池电堆阳极入口处的单体性能，提高燃料电池电堆工作效率及电堆单体一致性。

[0042] 本发明优选具体实例为：

[0043] 如图1和图2所示：氢气供给循环系统布置在燃料电池电堆1尾端，氢气从多功能引射器2进入燃料电池电堆1参与反应，当氢气在燃料电池电堆1内部反应完毕后，流入水分7进行气液分离；其中分离出的液态水通过排水阀12进入排水管8。一方面，考虑到在低温环境时，液态水可能会冻结，阻碍排水阀12排水，因此需要在水分7尾部集成加热电磁阀13，用于极端情况下的加热破冰。另一方面，因为空气中含有氮气，当燃料在燃料电池1内部反应时，氮气会透过质子交换膜达到氢气侧，稀释燃料浓度，导致影响燃料电池电堆1的工作效率，因此需要在水分7集成有排氮阀14，燃料电池系统控制器(FCU)定期控制排氮阀14打开，排出燃料电池电堆1腔体内的氮气流入排氮管11，提高系统工作效率。氢出压力传感器5与氢出温度传感器6用于检测水分7内分离出的氢气压力、温度，同时将信号上报给燃料电池系统控制器(FCU)，经过水分7分离出的余氢达到氢气循环泵4，余氢经过增压后通过(氢泵‑引射器)连接口3循环到多功能引射器2，再次进入燃料电池电堆1参与反应。氢气循环泵4在底端留有氢泵排水管10，氢泵排水管10、排氮管11、排水管8在尾端汇合，通过尾排混合管9将氮气和液态水排出系统外。

[0044] 如图3所示：为燃料电池氢气供给循环系统的原理图，其中氢气由车载供氢系统的减压阀流出后，达到集成式引射器；通过换热器进行加热后进入燃料电池电堆的阳极入口处反应。当氢气在内部完成反应后，从燃料电池电堆的阳极出口处达到水分进行气液分离，分离出的液态水由排水阀排出，达到尾排后排出；当在燃料电池发动机的低功率状态下，由于引射器的引射效能不足，氢泵启动，此时分离出的回流氢气通过氢泵到达引射器，最后再次进入电堆阳极入口处参与反应。当在燃料电池发动机的中高功率状态下，引射器的引射效果较好，此时氢泵仅维持低速跟转；回流循环的氢气从氢泵到达引射器后，再次进入电堆阳极入口处参与反应。考虑到质子交换膜虽然可以起到分隔燃料电池的阳极与阴极的作用，但由于无法完全物理隔离，阴极中的氮气等其它杂质气体会透过质子交换膜逐渐渗透到阳极侧，随着时间缓慢堆积，导致阳极侧的氢气被稀释。当燃料浓度低于百分之50时，可能会严重影响燃料电池发动机的反应效率。所以需要在燃料电池电堆的阳极侧回路中设置排氮阀，用于定期将燃料电池阳极侧的氮气等其它杂质气体排出。鉴于以上分析，完成了本发明的设计。

[0045] 如图4和图5所示：为多功能引射器外观及结构。氢气在从整车车载供氢系统流出后，首先达到关断阀15，关断阀15负责控制氢气气源开口打开\关闭状态；氢气经过关断阀15后，达到换热器16；氢气瓶内的低温氢气被换热器16加热后，通过中压压力传感器17到达比例阀18，比例阀18负责调节进行电堆内的氢气流量、压力、以配合不同工况点下的系统燃料供给需求。氢气通过比例阀18后，达到引射器19，引射器喷嘴23为圆锥形物体，利用氢气高速流动时产生的文丘里管原理产生负压，带动回流氢气通过引射流道24进入电堆内部。
氢入压力传感器20、氢入温度传感器21负责检测流入电堆的氢气温度、压力信息，并将信号上报给燃料电池系统控制器(FCU)分析。多功能引射器外部同时集成有氢浓度传感器22，用于检测燃料电池系统阳极侧的氢气浓度，当发现异常时，根据故障等级不同，燃料电池系统可选择主动降功率或者紧急停机，保障燃料电池整车及环境安全。

[0046] 如图6所示：为多功能引射器的等轴侧视图。其中换热器16布置在引射器阀座27顶部；换热器热媒入口25和换热器热媒出口28连接燃料电池系统的冷却管路，通过燃料电池系统反应过程中的废热，对氢气进行加热。其中换热器冷媒入口29连接整车的车载供氢系统，换热器冷媒出口26连接引射器阀座27内部流道。

[0047] 如图7和图9所示：为氢气供给循环系统及氢泵结构。氢气在燃料电池电堆1内部反应完毕后，从电堆氢气出口34到达水分7，残余氢气在水分7内部分离后进入电堆氢气回流口33，电堆氢气回流口33与氢气循环泵回氢口38在燃料电池电堆1内部导通，(氢泵‑引射器)连接口3与氢气循环泵回氢口38在氢气循环泵4内部导通。通过水分7分离出的残余氢气，经过氢气循环泵4最后达到电堆氢气入口30。氢气循环泵底部配置有氢气循环泵排水口39，氢气循环泵4中的冷凝水通过氢气循环泵排水口39排出系统外。

[0048] 如图8所示：为水分结构，氢气从电堆氢气出口34流出后，经过与水分挡板37的多次撞击，到达电堆氢气回流口33，完成气液分离过程。

[0049] 通过本发明的创造应用，优化了现有氢泵与引射器的组合方案，提高了系统集成度，优化了系统工作效率；通过多功能引射器对进入电堆前的低温氢气进行加热，换热效率高，成本低，可有效减少燃料电池发生水淹的可能。本发明方案有利于提高燃料电池发动机的的整体反应效率，可为氢气供给循环系统的设计工作提供一种新的思路。

[0050] 上述仅为对本发明较佳的实施例说明，上述技术特征可以任意组合形成多个本发明的实施例方案。

[0051] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。