我所理解的氢燃料电池(第十章：系统-氢气子系统2-引射器与循环泵)

10-2-1 引射器与循环泵  

引射器，单纯从字面上理解就是先吸“引”再喷“射”的“器”械，其工作原理如图10-6所示，

图10-6 引射器的结构及原理  

高压工作流体，即高压瓶出来的氢气，进入吸入腔时，过流截面突然变小，因为文丘里效应---“受限流体在通过缩小的过流断面时，流体会出现流速增大的现象，同时流体压力降低。”，这样就会把燃料电池出口的氢气吸引到引射器的入口处，然后工作流体与引射流体相互混合进入混合腔，混合后的氢气具有一定的湿度与温度，然后进入扩散腔，在扩散腔中压力得到提升，速度减慢，最终排出引射器。  

为了更好的理解引射器的工作原理，我们需要简单回顾一下初中物理知识，如图2-1所示(第二章)，     

小球在A点，具有一定的势能，小球到达B点时，就具有一定的速度，拥有了一定的动能，这里的动能就是势能转化的，势能越大，动能就越大，这就是能量守恒定律。  

但这里需要注意的是，小球在A点的势能叫做重力势能，确切的说是引力势能，因为高度远小于地球半径，所以引力势能简化为重力势能，即mgh。  

力学上，除了引力势能，还有弹性势能与分子势能，弹性势能是物体因弹性形变（拉伸/ 压缩）储存的能量，与形变量和劲度系数相关；分子势能是分子间因引力与斥力作用产生的能量，与分子间距r相关。  

气体被压缩时，具有的势能就是分子势能，当高压氢气从储氢瓶中出来进入引射器时，就是气体分子势能转化成气体动能的过程。根据连续性方程可知，流量不变时，过流断面越小，流速越大，伯努利方程可知，动能越大，压力能就越小，所以对回流的氢气就有一定的引力。  

从引射器的工作原理上可以看出，引射器最大的优点就是被动式工作，即不需要额外消耗功率，但是也造就了其最大的缺点，其工作范围较窄，在低流量区时，引射器本质上就成为了一个三通阀，无法起到引射的效果。  

那这里就有一个小问题，为什么引射器在低流量区时，无法工作？  

根据连续性方程可知，流量低时，在过流断面不变的情况下，流体的速度会减小，根据伯努利方程可知，动能较小时，压力能就增加，对回流的氢气的引力就越小，以至引射器无法工作。  

既然引射器的工作过程是分子势能转化动能的过程，那么低流量边界会对应一个气体进入引射器的最低压力值，即储氢瓶经减压阀后输出的压力要大于引射器的最低工作压力，这个压力值取决于引射器的设计参数和工作要求。  

氢气循环泵，本质上讲，与空压机都是气体增压传输设备，但是因为氢气子系统对氢气循环泵的特殊需求，造成了氢气循环泵开发需求不同于空压机：  

1.工作介质是两相流，不可避免有少量液态水进入氢气循环泵，提高了对泵头的密封性和耐腐蚀性的要求；  

2.在较小的流量、较高的压比要求以及周期骤变的入口压力工作条件下，要预防喘振和循环管路中氢气反流；  

3.不同于空气，氢气分子较小且容易造成氢脆、氢腐蚀现象，对氢器循环泵的密封材料提出了一定的要求；  

4.氢气易燃易爆，对压缩机有防爆的要求。  

综合以上的开发需求，容积式压缩机用作燃料电池氢气子系统的氢气循环泵是相对合适的，离心式压缩机则需要匹配单向阀使用。  

离心式压缩机之所以需要匹配单向阀使用，主要基于两点：  

1.离心式压缩机通过叶轮高速旋转对气体做功，停机时叶轮因惯性仍会持续转动一段时间。若此时无单向阀，电堆出口或循环管路中的高压氢气可能反向流入压缩机，导致叶轮“倒转”，不仅会损坏叶轮结构，还可能引发电机过载（反向扭矩），甚至导致氢气回流至储氢系统，破坏压力平衡。单向阀安装在压缩机出口侧，当压缩机停机时，阀瓣因管路内压力差自动关闭，阻止氢气回流，保护压缩机叶轮和电机。  

2.离心式压缩机的输出压力与流量呈非线性关系（如流量过低时可能出现“喘振”）。当系统负载变化（如电堆功率波动）时，若没有单向阀，管路内的压力波动可能导致氢气倒流或“气堵”，影响电堆入口的氢气压力稳定性。单向阀确保氢气只能单向流动（从压缩机到电堆），避免因压力波动导致的气体回流，维持电堆入口压力的稳定，提升燃料电池的发电效率。  

因为引射器的优点和缺点都非常明显，为了弥补单级引射器无法在全工况范围内工作，目前燃料电池氢气子系统的氢气循环方案主流方向是采用引射器与氢气循环泵并联结构。  

那这里有个简单的小问题，就是氢气循环泵单独就可以满足全工况，为什么还要用引射器与氢气循环泵的并联结构，这不是设计冗余吗？  

总的来说有三点：  

1.效率层面：引射器在高负载时利用高压氢能，循环泵在低负载时精准调控，形成“双引擎”协同效应。  

2.安全层面：冗余设计与止回阀确保系统在部件失效或压力波动时仍稳定运行。  

3.成本层面：引射器的低成本与长寿命特性降低了整体系统的全生命周期成本。