CN111785993B - 一种燃料电池氢气循环系统及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池氢气循环系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于燃料电池技术领域。燃料电池氢气循环系统中引射器和气水分离器所处的工况范围变化很大，常规引射器能够提供的引射率难以适应电堆的需求，同时单一结构的气水分离器难以适应不同功率下的气水分离需求。本申请提供了一种燃料电池氢气循环系统，所述系统包括依次连接的供氢组件、引射器、燃料电池堆、气水分离组件和控制器，引射器与气水分离组件连接；燃料电池堆通过换向阀与气水分离组件连接，气水分离组件通过压力调节阀与引射器连接；控制器，用于监测燃料电池堆的功率变化，通过换向阀切换氢气循环路线；控制换向阀和压力调节阀。建立了高效稳定的氢气循环系统，使得燃料电池堆在较宽的功率变化范围的可以稳定运行。

Description

一种燃料电池氢气循环系统及控制方法
技术领域
本申请属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池氢气循环系统及控制方法。
背景技术
氢燃料电池可直接将氢气的化学能转化为电能而无需燃烧，其具有高效率和功率密度，零排放，静音运行的优点，是一种非常具有前景的新能源发电动力装置。氢燃料电池将阳极侧的氢气和阴极侧的氧气发生化学反应，产生电能和水，为保证燃料电池高效率运行，阳极侧的供氢量大于反应掉的氢气量，因此需要建立阳极氢气循环系统来将未消耗的氢气再次循环利用，以提高氢气的利用率。
在氢燃料电池汽车的氢气循环系统中，通常使用氢循环泵或引射器作为氢气循环的装置，相比于机械氢泵，引射器具有结构简单、可靠性高、成本低，并且安装在系统中不会额外耗功等突出优点。但是，在实际的应用中，燃料电池汽车的功率经常改变，这要求氢循环装置能够在较宽的功率范围内可以提供稳定的循环能力，但是由于引射器自身的结构特性，其能够提供的循环能力在不同工况下变化很大。因此，产生了引射器能够提供的引射率与电池堆需要的引射率不匹配的情况，这是限制引射器应用于氢燃料电池汽车系统的主要原因。
目前对引射器性能的控制主要依靠引射器之前的喷氢阀，在不同功率下调节供氢阀的供氢压力或是供氢频率等以适应电堆功率的变化。但仅通过控制引射器的供氢压力对引射器性能的稳定效果有限。
在实际的氢燃料电池的阳极氢气系统中，电池堆排出的阳极排出的尾气含有产生的液态水，液态水滴在冬天等寒冷环境下容易结冰，造成氢泵或引射器的堵塞，严重影响系统的安全运行。因此循环尾气在进入引射器之前需要使用气水分离器将尾气中的液态水分离出来。气水分离器根据分离原理可以分为碰撞分离、离心分离和滤芯过滤分离。滤芯过滤分离因为压力损失过大且需要定期更换滤芯而不适用于燃料电池系统，而在燃料电池阳极氢气循环系统中常选用碰撞分离或离心分离器。碰撞分离器在低流量(流速)分离效率较好，但在高流速下容易产生二次夹带，其优点是压力损失较小。离心分离器在高低流量下分离效率都比较好，可以解决高流速下碰撞分离的二次夹带的问题，但是其压力损失较大。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于由于常规引射器结构固定，难以对其有效控制以适应燃料电池堆功率变化大的特点。目前对引射器的控制主要依靠引射器之前的供氢阀，对引射器的控制力度有限。高效的水分离可以避免寒冷工况下水滴结冰以堵塞引射器的供氢管路，保证电池堆的稳定工作。气水分离器有多种类型，可以适应不同的场合中。燃料电池氢气循环系统中气水分离器所处的工况范围变化很大，单一结构的气水分离器难以适应不同功率下的气水分离需求的问题，本申请提供了一种燃料电池氢气循环系统及控制方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种燃料电池氢气循环系统，所述系统包括依次连接的供氢组件、引射器、燃料电池堆、气水分离组件和控制器，所述引射器与所述气水分离组件连接；
所述燃料电池堆通过换向阀与所述气水分离组件连接，所述气水分离组件通过压力调节阀与所述引射器连接；
所述控制器，用于监测燃料电池堆的功率变化，通过换向阀切换氢气循环路线；控制所述换向阀和所述压力调节阀。
本申请提供的另一种实施方式为：所述供氢组件包括依次连接的氢气瓶、截止阀、第一压力传感器、减压阀和喷氢阀，所述喷氢阀与第二压力传感器连接，所述第二压力传感器与所述引射器连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述引射器通过第三压力传感器与燃料电池堆连接，所述引射器通过第四压力传感器与所述压力调节阀连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述燃料电池堆通过止回阀与所述换向阀连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述气水分离组件包括高功率工况水分离器和低功率工况水分离器，所述高功率工况水分离器与换向阀连接，所述高功率工况水分离器与压力调节阀连接，所述低功率工况水分离器与换向阀连接，所述低功率工况水分离器与压力调节阀连接，所述高功率工况水分离器与所述低功率工况水分离器连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述高功率工况水分离器与所述低功率工况水分离器串联或者并联。
本申请提供的另一种实施方式为：所述氢气循环路线包括高功率氢气循环路线和低功率氢气循环路线。
本申请提供的另一种实施方式为：所述高功率工况水分离器为离心式水分离器，所述低功率工况水分离器为碰撞式水分离器或挡板式水分离器。
本申请还提供一种燃料电池氢气循环控制方法，采用权利要求1～7中任一项所述的燃料电池氢气循环系统对燃料电池氢气循环进行控制。
本申请提供的另一种实施方式为：所述控制方法包括当燃料电池堆功率在高功率区间内时，控制器控制换向阀将循环线路切换至高功率氢气循环路线，同时控制压力调节阀对管路进行节流产生压损；当燃料电池堆功率在低功率区间内时，控制器控制换向阀将循环线路切换至低功率氢气循环路线，同时控制压力调节阀对管路进行节流产生压损。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种燃料电池氢气循环系统及控制方法的有益效果在于：
本申请提供的燃料电池氢气循环系统，同时考虑引射器的压力调节需求和水分离器的性能特点，提出了一种带有多个分离器的阳极氢气循环系统，其可以保证引射器工作稳定以及拥有高效的水分离性能，使电池堆能够在较理想的工作条件下运行，提高整个系统的稳定性。
本申请提供的燃料电池氢气循环系统，是一种氢燃料电池阳极循环系统，利用了不同类型的水分离器的压力损失和分离效率不同的特点，同时考虑引射器对性能的控制要求，将水分离器自带的压力损失特点和引射器的压升需求结合了起来，即保证了不同功率下的较强的水分离性能，同时又使得引射器获得所需的压力调节效果，建立了高效稳定的氢气循环系统，使得燃料电池堆在较宽的功率变化范围的可以稳定运行。
本申请提供的燃料电池氢气循环系统，在较窄功率范围内去设计气水分离器，因为两个分离器各自要适应的功率范围较窄，所以分离性能更好。
附图说明
图1是本申请的燃料电池氢气循环系统示意图；
图2是本申请的燃料电池氢气循环控制方法原理示意图；
图3是本申请的引射器的结构示意图；
图4是本申请的引射器在不同压升下时引射率随着电堆功率的变化示意图；
图5是本申请的引射器与燃料电池堆对于引射率的供需关系示意图；
图6是本申请的引射器的压力调节原理示意图；
图7是本申请的离心式水分离器结构示意图；
图8是本申请的碰撞式(或挡板式)水分离器结构示意图；
图9是本申请的引射器的压力调节示意图；
图10是本申请的第一种替代方案示意图；
图11是本申请的第二种替代方案示意图；
图中：10-氢气瓶，11-截止阀，12-减压阀，13-喷氢阀，14-引射器，15-燃料电池堆，16-止回阀，17-换向阀，18-高功率工况水分离器，19-低功率工况水分离器，20-压力调节阀，30-控制器，111-第一压力传感器，112-第二压力传感器，113-第三压力传感器，114- 第四压力传感器。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
参见图1～11，本申请提供一种燃料电池氢气循环系统，所述系统包括依次连接的供氢组件、引射器14、燃料电池堆15、气水分离组件和控制器30，所述引射器14与所述气水分离组件连接；
所述燃料电池堆15通过换向阀17与所述气水分离组件连接，所述气水分离组件通过压力调节阀20与所述引射器14连接；
所述控制器30，用于监测燃料电池堆的功率变化，通过换向阀17切换氢气循环路线；控制所述换向阀17和所述压力调节阀20。
供氢组件供给引射器14具有一定压力值的氢气。引射器14依据文丘里效应可以将未消耗的氢气引射，最后供给于燃料电池堆15。氢气在燃料电池堆15中与阴极侧的氧气发生电化学反应产生电能，并产生水分。氢气在燃料电池堆15中并不能完全被消耗，没有被消耗的氢气携带有产生的液态水和水蒸气从电堆中排出。从燃料电池堆15排出的尾气通过换向阀 17。控制器30监测燃料电池堆的功率变化；控制器30对换向阀17和压力调节阀20进行控制。根据所设计的气水分离组件及循环管路系统的压力损失、燃料电池堆15的引射率需求、所设计的引射器14的性能来综合确定高低功率范围区间。当燃料电池堆15功率在高功率区间内时，控制器30控制换向阀17将循环线路切换至高功率氢气循环路线，同时控制压力调节阀20对管路进行不同程度的节流产生压损，保证引射器14的压升在预定的范围之内。当电堆功率在低功率区间内时，控制器30控制换向阀17将循环线路切换至低功率氢气循环路线，同时控制压力调节阀20对管路进行不同程度的节流产生压损，保证引射器14的压升在预定的范围之内。
通过对引射器14压升的稳定控制和高效水分离系统结合，建立起高效安全的燃料电池氢气循环系统，主要部件包括气水分离组件、换向阀17、压力调节阀20、引射器14和控制器30；循环系统包含两种适用于大小不同功率范围的气水分离器，实现不同功率范围内液态水的高效分离，避免冰堵问题的产生；换向阀17根据大小不同的功率范围将循环线路分为两路；针对两种气水分离器压力损失不同的特点，与引射器14在不同工况下的压力调节相互配合，实现循环回路中燃料电池堆15和引射器14关于引射率的供需平衡，控制引射器14稳定运行；控制器30对换向阀17和压力调节阀20进行调控。引射器14在不同功率下能够提供的引射率与燃料电池堆15所需要的引射率要维持供需平衡，通过在不同功率下使用压力损失不同的气水分离器与压力调节阀20相配合来实现。控制器30需要对压力调节阀20控制以使得引射器14的压升维持在预设值，引射器14压升的预设值根据燃料电池堆15功率、燃料电池堆 15在不同功率下的引射率需求以及引射器14的供氢压力来确定的。
进一步地，所述供氢组件包括依次连接的氢气瓶10、截止阀11、第一压力传感器111、减压阀12和喷氢阀13，所述喷氢阀13与第二压力传感器112连接，所述第二压力传感器112 与所述引射器14连接。
进一步地，所述引射器14通过第三压力传感器113与燃料电池堆15连接，所述引射器 14通过第四压力传感器114与所述压力调节阀20连接。
这里的氢气瓶10为高压氢气瓶，燃料电池堆15为氢燃料电池堆。高压氢气瓶10储存有高压氢气作为燃料电池堆15的燃料，经过截止阀11和减压阀12后通过喷氢阀13供给引射器14具有一定压力值的氢气。
第一压力传感器111(P1)监测减压阀12之前的供氢压力，第二压力传感器112(P2)监测引射器14的一次流供气压力，第三压力传感器113(P3)引射器14出口即燃料电池堆 15入口的压力，第四压力传感器114(P4)监测引射器14二次流入口的压力。
经过气水分离组件后的气体进入一个压力调节阀20中，此压力调节阀20依据燃料电池堆15功率的不同对气流进行不同程度的节流，从而调节引射器14在不同功率下的压升稳定在预设值。引射器14压升的预设值是根据燃料电池堆15功率值及引射器14的供氢压力P2 来确定的。
进一步地，所述燃料电池堆15通过止回阀16与所述换向阀17连接。从电堆排出的尾气首先进入一个单向止回阀16中，止回阀16可以避免尾气回流以保证电堆的安全，然后尾气通过换向阀17。
进一步地，所述气水分离组件包括高功率工况水分离器18和低功率工况水分离器19，所述高功率工况水分离器18与换向阀17连接，所述高功率工况水分离器18与压力调节阀 20连接，所述低功率工况水分离器19与换向阀17连接，所述低功率工况水分离器19与压力调节阀20连接，所述高功率工况水分离器18与所述低功率工况水分离器19连接。
进一步地，所述高功率工况水分离器18与所述低功率工况水分离器19串联或者并联。
进一步地，所述氢气循环路线包括高功率氢气循环路线和低功率氢气循环路线。适用于高功率范围的高功率氢气循环路线，适用于低功率范围的低功率氢气循环路线。
两个高低功率范围区间是根据所设计的气水分离器组件及循环管路系统的压力损失、燃料电池堆15的引射率需求以及所设计的引射器14的性能来综合确定的。
换向阀17根据大小不同的功率范围将循环线路分为两路：一路适应于低功率范围区间，该路线的压力损失小，使用压力损失较小的气水分离器；另一路适应于高功率范围区间，该路线使用分离效率好但压力损失较大的气水分离器。
进一步地，所述高功率工况水分离器18为离心式水分离器，所述低功率工况水分离器 19为碰撞式水分离器或挡板式水分离器。
将整个功率范围分为高低两个功率范围区间，在高功率范围区间内使用离心式水分离器，氢气循环路线称为高功率氢气循环路线(S1)；在低功率范围区间内使用碰撞式水分离器，氢气循环路线称为低功率氢气循环路线(S2)。经过分离器后的气体进入一个压力调节阀20 中，此压力调节阀20依据燃料电池堆15功率的不同对气流进行不同程度的节流，从而调节引射器在不同功率下的压升。
两种气水分离器可以使串联或并联的，具体的使用方法根据气水分离器的性能效果确定。较大压力损失的气水分离器可以是离心式水分离器，较小压力损失为特点的分离器可以是碰撞或挡板式水分离器。
本申请还提供一种燃料电池氢气循环控制方法，采用权利要求1～7中任一项所述的燃料电池氢气循环系统对燃料电池氢气循环进行控制。
具体的控制方法如图2所示，首先控制器30监测燃料电池堆15的功率变化，判断燃料电池堆15 功率是否在预设的高功率区间。当功率处在预设的高功率区间时，控制换向阀17将循环路线切换到S1，使用适合于高功率工况的离心式气水分离器；反之，控制换向阀17将循环路线切换到S2。控制器30通过监测引射器14三个边界处的压力值P2、P3和P4，来判断引射器的压升 (P3-P4)是否大于预设值，此预设值根据燃料电池堆15功率、燃料电池堆15在不同功率下的引射率需求以及引射器的供氢压力P2来确定。如果引射器的压力升小于预设值，那么控制器30 控制压力调节阀20增大节流程度，以增大压力损失，控制引射器14的压升到预定值，从而使引射器14的引射率稳定在预设值。反之，如果引射器14的压力升大于预设值，那么控制器 30控制压力调节阀20减小节流程度，以减小压力损失，控制引射器14的压升到预定值，从而使引射器14的引射率稳定在预设值。
整个系统应该尽量减小管路中的压力损失，减小弯头、变截面等会引起较大局部压力损失的位置或部件。
进一步地，所述控制方法包括当燃料电池堆15功率在高功率区间内时，控制器30控制换向阀17将循环线路切换至高功率氢气循环路线，同时控制压力调节阀20对管路进行节流产生压损；当燃料电池堆15功率在低功率区间内时，控制器30控制换向阀17将循环线路切换至低功率氢气循环路线，同时控制压力调节阀20对管路进行节流产生压损。
图3～6介绍引射器14控制(引射率供求平衡控制)的原理。
图3，引射器14的结构示意图，高压一次流氢气通过喷嘴后加速，因为文丘里效应二次流 (二次流即电堆排出的尾气)被卷吸进入引射器中，两股流体混合后从引射器出口排出进入电堆。引射器的引射率定义为二次流质量流量与一次流质量流量之比，在一定的电堆功率下，一次流质量流量是确定的，所以二次流质量流量越大即引射率越大。引射器的压升Δpn定义为出口压力P3与二次流入口压力P4之差，即Δpn＝p3-p4，引射器的压升等于整个氢气循环系统的压力损失。
图4，引射器14在不同压升下时引射率随着电堆功率的变化，随着压升的增大a＜b＜c＜d，引射器14越难引射二次流体，即引射率减小。
图5，引射器14与燃料电池堆15对于引射率的供需关系示意图，燃料电池堆15要在稳定的氢循环系统中运行需要一定的引射率需求，其特点是随着功率的变化非常小；但是，引射器在一定的压升下，其可以提供的引射率会随着功率的变化而显著变化。引射器14可以提供的引射率与燃料电池堆15需要的引射率之差过大，就会造成引射器14的工况发生变化，这种引射率供需关系的失衡使得引射器工作不稳定，影响循环系统的稳定运行。
图6，引射器14与压力调节原理示意图。由图5知道引射器14和燃料电池堆15之间存在引射率的供需关系，要维持引射率的供需平衡需要对引射器14进行调节。同时由图4可知引射器 14的引射率随着压升而显著变化，因此可以对引射器14的压升进行调节以得到适合的引射率。如图6所示，引射器14在不同压升下的引射率的曲线簇与燃料电池堆15的引射率需求线的关系，在燃料电池堆15功率A下，当压升Δpn＝a时，引射器14提供的引射率等于燃料电池堆15 需求的引射率，因此应该将引射器14的压升控制在a值以实现供求平衡，同样的，当燃料电池堆15功率分别是B、C、D时，需要控制压升分别维持在b、c、d。一般的，需要控制的引射器 14的压升随着燃料电池堆15功率的增大而增大。总之，最佳的压升随着功率的增大而增大，因此对于循环管路的压力损失来说，小功率下的压力损失要小，而大功率下需要较大的压力损失。这就对阳极氢气循环管路的压力调节功能提出了要求。
图7，离心式水分离器，气液混合物进入其中做旋转离心运动，液滴在离心力的作用下被甩到壁面后被分离下来。其特点是适合于高流速工况(高流速工况对应高电堆功率工况)的气液分离，因为高流速下离心力强，液体的分离效率高，但是压力损失较大。
图8，碰撞式(或挡板式)水分离器，气液混合物进入口撞击到挡板上，液滴附着在挡板上被分离下来，气相混合物从出口排出。其特点是低流速条件下(低功率工况)分离效率较好，而在高流速下容易产生二次夹带，分离效率较差；优点是压力损失较小。
图9，引射器14的压力调节示意图。引射器14的压升等于整个氢气循环系统的压力损失，管路的压力损失主要包括燃料电池堆15的压力损失、气水分离组件的压力损失和压力调节阀的压力损失。整个系统有两条循环线路，包含离心式水分离器的循环线路S1和包含碰撞式水分离器的循环线路S2。循环线路S1的压力损失Δps1包括燃料电池堆15和离心式水分离的压力损失，循环线路S1的压力损失Δps1包括燃料电池堆和离心式水分离的压力损失，一般的在不同电堆功率下Δps1＞Δps2。在高功率区间B～C之间时，使用循环线路S1，例如在功率点m 时，循环线路S1的压力损失等于Δpsm，此时要达到控制引射器14的压升为Δpn的目的，需要调节压力调节阀产生Δpvm的压力损失。当燃料电池堆15功率下降到B点时，如果继续使用循环路线S1，那么在低功率区间循环线路S1的压力损失Δps1将大于引射器14的压力损失，此时没有办法去调节Δps1使其等于引射器14所需的压升Δpn，因此需要切换到具有更小压力损失的循环线路S2。在低功率区间A～B之间时，例如在功率点n时，循环线路S2的压力损失等于Δpsn，此时要达到控制引射器14的压升为Δpn的目的，需要调节压力调节阀产生Δpvn的压力损失。
如图10所示，图中所有标号所代表的内容与图1相同。与图1中表示的方案相比，将循环回路S2中的低功率工况水分离器19移动到换向阀17之前。此方案中，在低功率区间内，尾气通过低功率工况水分离器19后分离出液态水，然后通过换向阀17将线切换到S2中；在高功率区间内，尾气通过低功率工况水分离器19进行一次分离后分离出部分液态水，然后通过换向阀17将路线切换到S1进入高功率工况水分离器18中进行二次分离，实现高功率下优良的分离效果。
如图11所示，该方案相比于图1使用了两个引射器14组成的循环线路，其中14a表示高功率区间的引射器，14b表示低功率区间的引射器，20a表示高功率区间的压力调节阀，20b表示低功率区间的压力调节阀。在低功率区间内，使用低功率区间引射器14a、高功率工况水分离器18和压力调节阀20a构成的循环回路。在低功率区间内，使用低功率区间引射器14b、低功率工况水分离器19和压力调节阀20b构成的循环回路。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (9)

1.一种燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述系统包括依次连接的供氢组件、引射器、燃料电池堆、气水分离组件和控制器，所述引射器与所述气水分离组件连接；
所述燃料电池堆通过换向阀与所述气水分离组件连接，所述气水分离组件通过压力调节阀与所述引射器连接；
所述控制器，用于监测燃料电池堆的功率变化，通过换向阀切换氢气循环路线；控制所述换向阀和所述压力调节阀；
所述气水分离组件包括高功率工况水分离器和低功率工况水分离器，所述高功率工况水分离器与换向阀连接，所述高功率工况水分离器与压力调节阀连接，所述低功率工况水分离器与换向阀连接，所述低功率工况水分离器与压力调节阀连接，所述高功率工况水分离器与所述低功率工况水分离器连接。
2.如权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述供氢组件包括依次连接的氢气瓶、截止阀、第一压力传感器、减压阀和喷氢阀，所述喷氢阀与第二压力传感器连接，所述第二压力传感器与所述引射器连接。
3.如权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述引射器通过第三压力传感器与燃料电池堆连接，所述引射器通过第四压力传感器与所述压力调节阀连接。
4.如权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述燃料电池堆通过止回阀与所述换向阀连接。
5.如权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述高功率工况水分离器与所述低功率工况水分离器串联或者并联。
6.如权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述氢气循环路线包括高功率氢气循环路线和低功率氢气循环路线。
7.如权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于：所述高功率工况水分离器为离心式水分离器，所述低功率工况水分离器为碰撞式水分离器或挡板式水分离器。
8.一种燃料电池氢气循环控制方法，其特征在于：采用权利要求1～7中任一项所述的燃料电池氢气循环系统对燃料电池氢气循环进行控制。
9.如权利要求8所述的燃料电池氢气循环控制方法，其特征在于：所述控制方法包括当燃料电池堆功率在高功率区间内时，控制器控制换向阀将循环线路切换至高功率氢气循环路线，同时控制压力调节阀对管路进行节流产生压损；当燃料电池堆功率在低功率区间内时，控制器控制换向阀将循环线路切换至低功率氢气循环路线，同时控制压力调节阀对管路进行节流产生压损。
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