CN112072145A - 氢气减压调控系统、方法、设备、电池系统及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种氢气减压调控系统、方法、设备、电池系统及设计方法。此氢气减压调控系统主要包括：集成氢气压力/流量调节装置和引射器的一体结构以及控制器；所述一体结构的一端连通供氢设备，一端连通氢燃料电池电堆；其中所述氢气压力/流量调节装置包括电子控制单元和多个并行的脉冲宽度调制控制的喷射器；所述一体结构中包括至少一个氢气压力/流量调节装置和至少一个引射器；至少一个所述氢气压力/流量调节装置后连接至少一个所述引射器；所述控制器与所述一体结构连接，用于根据系统输出功率的需求，对所述一体结构进行调控，以实现对氢燃料电池电堆的供氢的压力/流量和氢气卷吸的调节。

Description

氢气减压调控系统、方法、设备、电池系统及设计方法
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种氢气减压调控系统、方法、设备、电池系统及设计方法。
背景技术
质子交换膜氢燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)）通过氢气和空气中的氧气的可控电化学反应产生电流、水和热，将氢气的化学能转化成电能。氢原子在催化剂的作用下以质子的形式穿过适当湿化的质子交换膜与燃料电池另一端催化剂作用下的氧原子发生反应、产生0.25-1伏的电压向外供电。多个PEMFC串、并联，配以持续的氢气和空气（氧气）的供给系统和水管理和热管理系统形成完整的PEMFC发电系统。由于PEMFC系统较低的工作温度和快速启动运行的优点，PEMFC系统目前成为各种燃料电池中，主导车辆和船舶清洁动力，替代化石燃料发动机的高效动力系统。
质子交换膜氢燃料电池系统连续和高效率的运行依赖于不间断地给PEMFC阳极端提供氢气燃料和不间断地给PEMFC阴极端提供含氧空气。质子交换膜两侧的氢气和空气需要一定高压和合适的湿度以满足对其电能输出的要求和支持高效的电化学反应。两边压力要保持一定的平衡和稳定，以避免氢气向阴极和空气中的氮气向阳极的不利渗透和对质子交换膜寿命的损伤。
PEMFC的氢气供应系统最初是通过多级减压阀和比例调节阀来保障进堆氢气的流量和压力，然而比例调节阀的精度难以控制。现在常用的氢气喷射器多采用电磁阀来精确控制高压氢气出口的压力和流量。
PEMFC系统的阴极和阳极的燃料通常需要过量供应来保证燃料在氢燃料电池电堆内的反应速率。在大功率的PEMFC中，氢气通常要求1.5到3倍的过量系数（根据氢燃料电池电堆功率变化）。这部分过量供应的氢气需要进行回收利用来提高燃料的经济性。同时，PEMFC反应过程中产生的水可以经过循环后对新的进气进行加湿，提高氢燃料电池电堆的性能和寿命。通常可以使用的循环设备包括氢气循环泵和氢气引射器。氢气循环泵由于功耗高，会造成PEMFC系统净功率下降。同时，其较高的价格，工作产生的噪音和震动，部件润滑等问题都急需解决。相比之下，引射器结构简单，不含移动部件，没有噪音污染，也不消耗能量，更适合PEMFC氢气循环系统。
PEMFC阳极氢气引射器的尺寸设计通过预先定义好的驱动流体的质量流量和压力来进行。因此，固定尺寸的引射器通常只能满足一定范围内的卷吸效率。在低于设计点的功率范围运行时，引射器无法对过量氢气进行回收。为了解决这个问题，可以利用多个同一尺寸或不同尺寸的引射器来覆盖更大的燃料电池运行功率范围。但多个引射器的生产制造成本和集成难度都会增加，对不同引射器的控制也更加复杂。变截面尺寸的引射器可以根据氢燃料电池电堆流量的变化改变喷管喉部截面的面积，从而满足低功率下运行的卷吸要求。喷嘴截面积的变化一般通过改变针阀的位置来实现。针阀位置的变化可以通过引射器内腔体不同隔膜的压力变化或是使用步进电机来控制。但是在几个毫米的喷管喉部直径内精细的控制针阀的位置在实际应用中仍然是一个很大的挑战。不同截面积的喷嘴可嵌套在一起集成设计并方便制造安装，但设计和控制难度都会增加。
PEMFC系统供氢子系统中同时有压力/流量调节装置和引射器的设计，该系统中包含了2个喷射器，其中一个喷射器与引射器相连，进行氢气循环，另一个喷射器作为旁通供氢支路，在必要时配合第一个喷射器进行供氢补充。然而该系统使用的单个引射器只能满足一定功率变化范围内对剩余氢气的卷吸，无法在大功率范围内保持长期可持续的引射卷吸能力。而且对于燃料电池氢气减压供给系统的一体化设计和调控的方法，没有研究、发现和介绍。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够系统地集中协调控制来调节氢气进气和引射系统的压力和流量，使其在PEMFC系统较大的功率变化范围内维持引射器的卷吸能力并维持所需要的过量氢气系数的一种氢气减压调控系统、方法、设备、电池系统及设计方法。
本申请的氢气减压调控系统，包括：
集成氢气压力/流量调节装置和引射器的一体结构以及控制器；
所述一体结构的一端连通供氢设备，一端连通PEMFC氢燃料电池电堆；
其中所述氢气压力/流量调节装置包括电子控制单元和多个并行的脉冲宽度调制控制的喷射器；
所述一体结构中包括至少一个氢气压力/流量调节装置和至少一个引射器；
至少一个所述氢气压力/流量调节装置后连接至少一个所述引射器；
所述控制器与所述一体结构连接，用于根据系统输出功率的需求，对所述一体结构进行调控，以实现对氢燃料电池电堆的供氢的压力/流量和氢气卷吸的调节。
可选地，所述引射器包括卷吸室、定截面混合段、扩散段，其中，卷吸室具有卷吸口及喷嘴，扩散段具有引射器出口；所述系统还包括：
减压阀，设置于所述一体结构和供氢设备之间；
单向阀，设置于所述一体设备中的引射器的卷吸口与氢燃料电池电堆之间。
可选地，所述一体结构包括：
一个氢气压力/流量调节装置和一个引射器；
所述引射器设置与所述氢气压力/流量调节装置之后形成串联；
氢气依次经过所述一体结构中的氢气压力/流量调节装置、引射器进入PEMFC氢燃料电池电堆，并经所述引射器卷吸后回流。
可选地，所述一体结构包括：
一个氢气压力/流量调节装置和多个引射器；
多个所述引射器并联，并连接在所述氢气压力/流量调节装置之后；
多个所述引射器与所述氢气压力/流量调节装置之间设置第一比例调节阀；
所述第一比例调节阀在所述控制器的控制下控制氢气到每个引射器的比例；
其中，多个所述引射器的尺寸相同或不同。
可选地，所述一体装置包括：
多个氢气压力/流量调节装置和多个引射器；
多个所述氢气压力/流量调节装置与多个所述引射器一一对应，形成多个氢气压力/流量调节装置-引射器组；
多个氢气压力/流量调节装置-引射器组之间并联。
其中，多个氢气压力/流量调节装置-引射器组的不同或相同；
其中，多个所述引射器的大小相同或不同。
可选地，多个所述引射器中至少部分引射器通过引射器组的方式两两组合；
其中组合方式为：两个引射器的喷嘴套设在一起，并公用卷吸室、定截面混合段和扩散段。
可选地，所述一体装置还包括：旁通流道；
所述旁通流道包括氢气压力/流量调节装置；
所述旁通流道与多个氢气压力/流量调节装置-引射器组之间并联，并各自连通至氢燃料电池电堆；
所述旁通流道用于在控制器判断到氢燃料电池电堆压力低于额定值时，在控制器的控制下开启。
可选地，多个所述引射器的卷吸口经所述单向阀连通至氢燃料电池电堆；
所述单向阀与多个所述引射器之间设置第二比例调节阀，用于在所述控制器的控制下控制各引射器卷吸氢气的比例。
本申请还提供了一种由燃料电池应用的工作特性决定燃料电池系统动力需求变化，从而决定以上所述的氢气减压调节控制系统的设计方法和具体设计。
本申请还提供了针对具体氢气减压调节控制系统的设计的调节控制方法，和通过控制器的具体实现，包括：
基于车辆和船舶的工作特性和动力系统模型确定PEMFC氢燃料电池电堆输出的功率需求;
基于所述功率需求确定的氢气减压调节控制系统的设计;
获取基于动力系统模型确定氢燃料电池电堆在不同输出的功率下对应的最佳氢气供应流量和压力；
获取基于计算流体模型的仿真结果确定如权利要求1至8中任一项所述的引射器在不同流量/压力下的关键参数；所述关键参数至少包括：卷吸率；
基于氢燃料电池电堆在不同输出的功率下对应的最佳氢气供应流量和压力、引射器在不同流量/压力下的关键参数以及实际功率需求确定控制参数；
根据控制参数对所述集成氢气压力/流量调节装置和引射器的一体结构的氢气压力/流量以及氢气卷吸进行控制。
本申请还提供了一种控制设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以上所述方法的步骤。
本申请还提供了一种系统设计方法，包括：
基于计算机仿真模型确定氢燃料电池在不同工况下的供氢流量和压力需求，引射器最佳设计尺寸及其卷吸效率的有效范围；
基于前述的氢气调节控制方法，调节和控制前述的一体结构的工作状况，并根据前述的设计结构满足燃料电池系统的氢气减压供给循环要求。
通过对PEMFC系统供氢压力/流量调节装置和引射器的一体化设计和集中协调控制来调节氢气进气和引射系统的压力和流量，使其在PEMFC系统较大的功率变化范围内维持引射器的卷吸能力并维持所需要的过量氢气系数，解决了在PEMFC系统大范围功率变化下维持氢气系统进气流量和压力的稳定的问题；压力的稳定的问题。
附图说明
图1是本申请的实施例给出的引射器的原理结构示意图
图2、图3、图4及图6是本申请的实施例给出不同实施例的一体结构示意图；
图5是本申请的实施例给出的组合引射器的原理结构示意图；
图7是本申请的实施例给出的喷射引射自适应优化控制曲线图；
图8是本申请的实施例给出的双喷射引射系统控制策略示意图；
图9是本申请的实施例给出的喷射引射自适应优化控制的卷吸系数变化示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
以下参考附图的描述为便于综合理解有权利要求及其等效内容所定义的本申请的各种实施例；这些实施例包括各种特定细节以便于理解，但这些仅被视为示例性的。因此，本领域技术人员可以理解对在此描述的各种实施例进行各种变化和修改而不会脱离本申请的范围和精神。另外，为简要并清楚地描述本申请，本申请将省略对公知功能和结构的描述。
在以下说明书和权利要求书中使用的术语和短语不限于字面含义，而是仅为能够清楚和一致地理解本申请。因此，对于本领域技术人员，可以理解，提供对本申请各种实施例的描述仅仅是为说明的目的，而不是限制所附权利要求及其等效定义的本申请。
下面将结合本申请一些实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在本申请实施例中使用的术语是仅仅处于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一”、“一个”、“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相绑定的列出项目的任何或所有可能组合。表达“第一”、“第二”、“所述第一”和“所述第二”是用于修饰相应元件而不考虑顺序或者重要性，仅仅被用于区分一种元件与另一元件，而不限制相应元件。
根据本申请的一个方面，本申请的实施例提供了一种氢气减压调控系统，包括：
集成氢气压力/流量调节装置和引射器的一体结构以及控制器；
所述一体结构的一端连通供氢设备，一端连通氢燃料电池电堆；
其中所述氢气压力/流量调节装置包括电子控制单元和多个并行的脉冲宽度调制控制的喷射器；
所述一体结构中包括至少一个氢气压力/流量调节装置和至少一个引射器；
至少一个所述氢气压力/流量调节装置后连接至少一个所述引射器；
所述控制器与所述一体结构连接，用于根据系统输出功率的需求，对所述一体结构进行调控，以实现对氢燃料电池电堆的供氢的压力/流量和氢气卷吸的调节。
压力/流量调节装置的作用是将储氢装置中高压氢气的压力降低并调整到合适的压力和流量，以使到达燃料电池阳极的反应氢气的压力与另一侧空气供给系统的压力基本一致，流量能满足电化学反应输出电能的需要，压力/流量调节装置也可以间接保障引射器的正常工作。
为了能够有效地调节氢气的压力和流量，氢气喷射供应系统通常由电磁开关阀和比例阀组成。与传统的系统设计不同，具备电子控制单元（Electronic Control Unit(ECU) )和脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation (PWM) ) 控制的喷射器可以通过精确地调整气喷射的宽度、频率和幅度来有效地控制喷射氢气的压力和流量。而多个并行、具有工作相位差的的PWM喷射器可以峰谷互补，减少喷射氢气的脉动压力变化，使得供气平稳。当同时此氢气压力/流量调节装置与氢气引射器集成使用时，可以有效拓宽引射器的工作范围并显著改善PEMFC氢气供应系统的性能，这是本发明的重点方案。
在PEMFC供氢子系统中，氢气减压阀、压力和流量调节器以及引射器各自具有独立的功能，而其作用又相互制约和影响。理想状态下将三者（氢气减压、压力流量调节、引射）集成一体可以减小供氢子系统的体积和制造成本，目前氢气压力和流量的调节控制以保障PEMFC功率输出的要求为宗旨，在很大程度上能较好地满足供氢的实时要求。同时由于引射器是一个无控制的固定机械装置，其最优工作范围局限在一定的氢气压力和流量范围内。超出此范围，其将剩余氢气吸回到供氢气流中的能力将大打折扣或全部丧失，造成无引射功能的后果。对PEMFC系统的正常运行和寿命有负面影响。同时不得不大量采用氢吹，造成氢燃料利用效率大为降低并污染环境。尽管多种可调式引射器的设计已经被推出。但其相对复杂的结构以及对附加的喷嘴调节机构和独立控制系统需求，使其未被应用在氢气引射进行氢气回流和提供湿度、纯度调节的应用中。
建立对集成一体/气压力和流量的主动调节来同时带动对引射器的间接控制是用以支持集成减压引射系统对PEMFC不同工作状态下有效支持的关键。同时，发现氢气引射器在PEMFC系统工作状态变化下的有效工作范围，并形成解决问题的设计方案同样具有重要意义。
如图1所示，所述引射器包括卷吸室、定截面混合段、扩散段，其中，卷 吸室具有卷吸口及喷嘴，扩散段具有引射器出口。引射器是一种被广泛应用在 工业设备上的组件，它利用高压流体经过喷嘴后的文丘里效应来对次级流体进 行卷吸。相比于压缩机或真空泵，引射器无动力驱动，具有低成本、无维护、 无噪音等优点。在燃料电池供氢系统中，引射器利用经过压力调节后的高压氢 气流形成的主级流体(即驱动流体)在经过收口的喷嘴后产生的低压区吸入从 氢燃料电池电堆流出的次级流体(即吸入流体)。引射器的设计一般包含三部 分：卷吸室、定截面混合段和扩散段。其中，卷吸室内含一个渐缩喷管(也称 文丘里喷管)。根据质量守恒方程，高压氢气通过渐缩喷嘴后由于截面积减小 使得气体在喉部流速增大。当喷嘴喉部流体动能增大后，此处压力减小。根据 文丘里喷管的特点，气体在喷嘴喉部的最大流速可达到当地气体声速，即马赫 数为1。当喷嘴喉部马赫数为1时，气体的流动达到临界状态(也称流动壅塞)， 此时的质量流量达到最大值，压力达到最小值。当主级流体从喷嘴流出后，流 速进一步升高，压力继续下降，形成一个高速低压的喷射流。由主级流体形成 的低压流体(新供氢气)对氢燃料电池电堆阳极反应后剩余出来氢气形成的次级流体(欠纯、过湿、过热)进行卷吸，利用低压高速的流体对有较高压力和 低流速的次级流体进行循环。两种流体在定截面混合室内进行混合。由于此时 两种流体的流速过高(通常大于当地声速，即马赫数大于1)，在定截面混合室 内通常会发生激波，使混合后的流体速度降低，压力上升。最后，混合气在扩 散室内进一步完成降速增压的过程，使出口流体达到氢燃料电池电堆进口压力 和流量要求。引射器的性能通常用卷吸系数来表示：
Figure RE-GDA0002748359310000101
其中，
Figure RE-GDA0002748359310000102
是次级流体(吸入流体)的质量流量，
Figure RE-GDA0002748359310000103
是主级流体(驱动流体) 的质量流量。同样的驱动流量下，吸入流体质量越大，卷吸系数越高。
所述系统还包括：减压阀，设置于所述一体结构和供氢设备之间；单向阀，设置于所述一体设备中的引射器的卷吸口与氢燃料电池电堆之间。
基于实施例一的整体设计方案，本实施例对所述一体结构进行进一步说明；
如图2所示，作为一种可选地的实施例，具体地，所述一体结构包括：
一个氢气压力/流量调节装置和一个引射器；
所述引射器设置与所述氢气压力/流量调节装置之后形成串联；
氢气依次经过所述一体结构中的氢气压力/流量调节装置、引射器进入氢燃料电池电堆，并经所述引射器卷吸后回流。
在本设计中，依据PEMFC混合动力车辆，船舶的工作特性、动力学和动力系统的模型，找出其PEMFC系统输出功率的需求。
当PEMFC系统输出功率在比较高的范围内工作时，可以用一个专门设计的引射器（如图2所示）来完成氢气回流。用PEMFC系统的最大输出功率设计算出最高氢气流速，依据此流速决定引射器的各个设计参数并算出引射器能有效工作的最低氢气流速以及其所对应的PEMFC系统的最小输出功率。此计算用供氢气系统的流体动力学模型进行、用实验模型验证。PEMFC系统的控制中，始终保持PEMFC系统的负载在被允许的最大和最小输出功率中变化。当需要更小的输出功率时，动力由PEMFC混合动力系统中的电池/超级电容器储能单元提供。精确的设计和混合动力系统的控制使引射器总能有效工作。
作为一种可选地实施例，根据本申请的一体结构包括：
一个氢气压力/流量调节装置和多个引射器；
多个所述引射器并联，并连接在所述氢气压力/流量调节装置之后；
多个所述引射器与所述氢气压力/流量调节装置之间设置第一比例调节阀；
所述第一比例调节阀在所述控制器的控制下控制氢气到每个引射器的比例；
其中，多个所述引射器的尺寸相同或不同。
如图3所示，以一个氢气压力/流量调节装置和两个引射器为例进行说明，在本设计中，依据PEMFC混合动力车辆，船舶和其它动力系统的模型，找出其PEMFC系统输出功率的需求。通过PEMFC引射器（如图3所示）来完成氢气回流。当输出功率要求在比较宽的范围内变化时，可以用多个专门设计的引射器配置一个开关阀、或者加入一个比例调节阀来控制氢气到每个引射器的比例，图3中示出了在引射器与所述氢气压力/流量调节装置之间设置的比例调节阀（即第一比例调节阀）；引射器的大小可以设计成不同尺寸。通过使用比例调节阀打开和关闭不同的引射器或者给它们分配不同的总流量的不同组合以满足不同高压氢气流速或不同PEMFC系统输出功率的要求，打开的引射器（或引射器组）完成氢气回流。例如，如图3所示，可以只开通引射器A通路、或者只开通引射器B通路、或者变化总流量并按一定比例同时开通引射器A和B通路。通过这些组合以形成多种的、能产生有效引射回流的的流量、压力调节。使用中，可用多于图3所示的两个引射通道。对各种情况由计算流体力学模型决定相应的氢气流量、压力和开关和比例阀的控制参数。
同样用PEMFC系统的最大输出功率设计算出最高氢气流速，依据此流速决定最大的引射器打开时（或所有引射器全开时）的设计参数并算出引射器能有效工作的最低氢气流速以及其所对应的PEMFC系统的最小输出功率。用同样的方法，根据氢气最高或较高流速决定下一个、小一号尺寸的引射器打开（或几个小引射器打开时）的设计参数并算出引射器能有效工作的最低氢气流速以及其所对应的PEMFC系统的最小输出功率。如此类推，引射器能有效工作的最低氢气流速以及其所对应的PEMFC系统的最小输出功率下限可以不断地延伸。此计算用供氢气系统的流体动力学模型进行、用实验模型验证。PEMFC系统的控制中，始终保持PEMFC系统的负载在被允许的最大和最小输出功率中变化。本设计可以使被允许的最小输出功率大大降低。当需要更小的输出功率时，较小的动力可由PEMFC混合动力系统中的电池/超级电容器储能单元方便地提供、或者在氢气不能回流的极小范围内，用少量的氢喷来保障氢气的质量和纯度。精确的设计和混合动力系统及氢喷的控制使引射器总能有效工作。
作为一种可选地实施例，根据本申请的所述一体装置包括：
多个氢气压力/流量调节装置和多个引射器；
多个所述氢气压力/流量调节装置与多个所述引射器一一对应，形成多个氢气压力/流量调节装置-引射器组；
多个氢气压力/流量调节装置-引射器组之间并联。
其中，多个氢气压力/流量调节装置-引射器组的不同或相同；
其中，多个所述引射器的大小相同或不同。
可选地，多个所述引射器中至少部分引射器通过引射器组的方式两两组合；其组合方式为：两个引射器的喷嘴套设在一起，并公用卷吸室、定截面混合段和扩散段。
如图4所示，以两个氢气压力/流量调节装置-引射器组为例进行说明：
在本设计的工作原理与图3所示的实施例中讨论的情况基本相同。实现方法的不同在于给每个引射器配置一个压力/流量调节装置，以实现开关和氢气压力/流量的控制。依据PEMFC混合动力车辆，船舶和其它动力系统的模型，找出其PEMFC系统输出功率的需求。当PEMFC系统输出功率要求在比较宽的范围内变化时，用多个专门设计的和氢气压力/流量的控制器和引射器组合来完成氢气回流。图4给出两个并联的压力/流量调节装置和引射器组的示例，引射器的大小可以设计成相同或不同，不同大小的引射器在梯次地使用时，可以拓宽引射器主流道最低功能流速的下限，在更低的PEMFC功率输出时保证氢气回吸的功能。用氢气压力/流量的控制器全部或部分打开和关闭不同的引射器以及它们的不同组合以满足不同高压氢气流速或不同PEMFC系统输出功率下，打开的引射器（或引射器组）完成氢气回流的作用。
如图5所示，为进一步减小氢气供气系统的体积可以将引射器A和B用两个套在一起的喷嘴和公用的卷吸室、混合段和扩散段。这里引射器A的主级喷射流A从较大直径的外套管中喷射进卷吸室，而引射器B的主级喷射流B从中间较小直径的内管中喷射进卷吸室。引射器结构的对应参数亦应做相应的调整，以满足公用同一卷吸室、混合段和扩散段的引射器A和引射器B的工作需要。设计依据流体力学和试验模型的模拟结果产生。
同样用PEMFC系统的最大输出功率设计算出最高氢气流速，依据此流速决定最大的引射器打开时（或所有引射器全开时）的设计参数并算出引射器能有效工作的最低氢气流速以及其所对应的PEMFC系统的最小输出功率。用同样的方法，以此为新的最高或较高氢气流速决定下一个、小一号尺寸的引射器打开（或几个小引射器打开时）的设计参数并算出引射器能有效工作的最低氢气流速以及其所对应的PEMFC系统的最小输出功率。如此类推，引射器能有效工作的最低氢气流速以及其所对应的PEMFC系统的最小输出功率下限可以不断地延伸。此计算用供氢气系统的流体动力学模型进行、用实验模型验证。多个引射器亦可以用同样的嵌套式主喷射流喷管实现。PEMFC系统的控制中，始终保持PEMFC系统的负载在被允许的最大和最小输出功率中变化。本设计可以使被允许的最小输出功率大大降低。当需要更小的输出功率时，较小的动力可由PEMFC混合动力系统中的电池/超级电容器储能单元方便地提供、或者在氢气不能回流的极小范围内，用少量的氢喷来保障氢气的质量和纯度。精确的设计和混合动力系统及氢喷的控制使引射器总能有效工作。回路中的比例调节阀控制相应的回路开通。
作为一种可选地实施例，在前述实施例的基础上，根据本申请所述一体装置还包括：旁通流道；
所述旁通流道包括氢气压力/流量调节装置；
所述旁通流道与多个氢气压力/流量调节装置-引射器组之间并联，并各自连通至氢燃料电池电堆；
所述旁通流道用于在控制器判断到氢燃料电池电堆压力低于额定值时，在控制器的控制下开启。
如图6所示，以两个氢气压力/流量调节装置-引射器组和一个旁通流道为例进行说明：在本设计的工作原理与图4及图5所示的实施例中讨论的情况基本相同。实现方法的不同在于引入一个无引射器的旁通流道，以实现特殊情况下氢气压力/流量的控制。依据PEMFC混合动力车辆，船舶和其它动力系统的模型，找出其PEMFC系统输出功率的需求。当PEMFC系统输出功率要求在比较宽的范围内变化时，用氢气压力/流量的控制器和引射器与氢气回路组合（如图6所示）来完成氢气回流。引射器的大小可以设计成不同。用氢气压力/流量的控制器全部或部分打开和关闭不同的引射器以及它们的不同组合以满足不同高压氢气流速或不同PEMFC系统输出功率下，打开的引射器（或引射器组）完成氢气回流的作用。此设计采用两个不同尺寸的引射器，引射器A和引射器B （图6），其中，引射器A的喷管直径及相关尺寸比引射器B大。
这里添加的无引射器的旁通流道的作用在于：
在实际使用过程中，引射器A配合喷射器A滿足氢燃料电池电堆在中大功率下的对出口氢气的引射能力，引射器B配合喷射器B满足氢燃料电池电堆在中小功率范围内的引射能力。无引射器的旁通通道可配合喷射器A/引射器A或喷射器B/引射器B维持引射器工作时的卷吸能力，减小引射效应对氢燃料电池电堆内部阳极气体压力和流量的影响，并确保氢燃料电池电堆阳极进气在瞬时工况下的进堆压力和流量始终满足要求。
PEMFC系统的控制中，始终保持PEMFC系统的负载在被允许的最大和最小输出功率中变化。本设计可以使被允许的最小输出功率大大降低。当需要更小的输出功率时，较小的动力可由PEMFC混合动力系统中的电池/超级电容器储能单元方便地提供、或者在氢气不能回流的极小范围内，用少量的氢喷来保障氢气的质量和纯度。精确的设计和混合动力系统及氢喷的控制使引射器总能有效工作
可选地，多个所述引射器的卷吸口经所述单向阀连通至氢燃料电池电堆；
所述单向阀与多个所述引射器之间设置第二比例调节阀，用于在所述控制器的控制下控制各引射器卷吸氢气的比例。
以上的介绍阐述了氢气集成压力/流量调节装置和引射器子系统的多种设计方案和和相应的实时控制的方法。这些设计和相应的动态供氢气系统控制方法使PEMFC系统在不同功率输出条件下，能够连续得到稳定和保证纯度和湿度的氢气燃料。以这些设计为基础，PEMFC系统的集成减压引射自适应系统的控制得以实现。具体操作包括但不限：喷射器利用多个流量和压力可控的电磁开关阀来扩展工作流体范围；电磁阀（比例调节阀）通过PWM控制，可在不同压力下通过改变占空比输出连续可调的流量；多喷嘴（并列的引射器）的设计能保证氢燃料电池电堆入口的氢气压力平稳；通过控制器调节喷射器内电磁阀（比例调节阀）的频率和占空比可以满足不同流量下引射器维持最大引射能力的进口压力需求；所述控制器在氢燃料电池电堆功率超过一定阈值后采用固定频率，通过改变电磁阀（比例调节阀）的占空比来调节压力和流量。在低于阈值时（低功率，低流量工况）减小频率，通过变频控制能更灵活的调节低流量下的引射器入口压力；使用多个并行的PWM喷射器、并在它们的集中控制中引入工作相差，使得各个PWM喷射器可以喷射压力峰谷互补，以减少喷射氢气的脉动压力变化，使得供气平稳；控制器根据PEMFC系统功率输出决定的喷射器的供氢流量、控制PEMFC氢燃料电池电堆入口处阴极和阳极的压力平衡（氢气和空气/氧气）、确定集成的喷射器和引射器系统中喷射器有效工作条件以及根据阳极出口流体的压力决定每一时刻喷射器的出口处氢气流的压力和流量（包括开关）；
以上氢气集成压力/流量调节装置和引射器子系统的多种设计方案和和相应的实时控制的方法由根据经实验验证的、供氢气系统的流体动力学模型导出。将控制逻辑写入上述控制器，实现PEMFC供氢气系统的实时自适应、智能控制。
基于此，本申请基于上述系统提供了一种氢气调节控制方法，包括：
基于车辆和船舶的工作特性和动力系统模型确定PEMFC氢燃料电池电堆输出的功率需求;
基于所述功率需求确定的氢气减压调节控制系统的设计;
获取基于动力系统模型确定氢燃料电池电堆在不同输出的功率下对应的最佳氢气供应流量和压力；
获取基于计算流体模型的仿真结果确定如权利要求1至8中任一项所述的引射器在不同流量/压力下的关键参数；所述关键参数至少包括：卷吸率；
基于氢燃料电池电堆在不同输出的功率下对应的最佳氢气供应流量和压力、引射器在不同流量/压力下的关键参数以及实际功率需求确定控制参数；
根据控制参数对所述集成氢气压力/流量调节装置和引射器的一体结构的氢气压力/流量以及氢气卷吸进行控制。
控制器的控制思路举例如下：
PEMFC系统不同运行工况下，其输出功率P在最大值Pmax和最小值Pmin之 间变化。不同功率下对应的所需氢气流量Q不同，这些流量对应的PEMFC系统 输出功率P如图7中虚线所示，其中P1到P4分别代表功率逐渐降低，虚线表 示该功率下所需要的流量。通过控制氢气流量/压力调节装置(或喷射器)电磁 阀开启的占空比，喷射器的控制系统可在其出口压力为5到9.5bar的范围内调 节该流量。为了使引射器保持足够大的的卷吸能力，即引射器喷管喉部马赫数 为1，引射器的入口压力要需要根据流量变化而改变。图7中圆点代表该流量下 引射器喷管达到临界状态时所需的压力(喉部马赫数为1)。本发明引入的、集 成一体的氢气流量/压力调节装置(或喷射器)和引射器的设计和与其相配的喷 射器流量/压力控制方法，可以保证在氢气流量或PEMFC输出功率大范围变化 下、氢气引射器能有效地处于吸氢回流地最佳工作状态。
具体到前面并联的两个压力/流量调节装置-引射器和流量调节装置和旁通流道组合系统的例子，如图6所示，PEMFC系统氢气集成减压引射自适应系统将包括喷射器（即压力/流量调节装置）与引射器形成的氢气路和一个由喷射器形成的旁通流道，两路在氢燃料电池电堆氢气入口处汇合。旁通流道在流量过大的情况下开启。喷射器（即压力/流量调节装置）与引射器形成的氢气路和一个由喷射器形成的旁通流道由所述系统中的控制器同时控制，所述控制器可根据氢燃料电池电堆压力对阳极氢气进气量进行判断。如果压力低于额定值，怀疑氢燃料电池电堆入口氢气不足，或因卷吸率不足导致，因此开启旁通流道或增大喷射器（即压力/流量调节装置）与引射器形成的氢气路的流量。
具体地，以双喷射器/引射器系统为例，即以两个压力/流量调节装置-引射器组为例，其控制策略如图8所示。
经过优化控制氢气的流量和压力后，同样尺寸的引射器在相同的氢燃料电池电堆工作功率（即相同氢气流量）下可提高卷吸能力，满足较大的功率范围内变化时所需要的卷吸量。如果同时采用第二套喷射引射系统（如图4所展示的两个压力/流量调节装置-引射器组），用较大流量的喷射器（压力/流量调节装置A）和较大尺寸的引射器A形成大流量的压力/流量调节装置-引射器组，并使用较小流量的喷射器（压力/流量调节装置B）和较大尺寸的引射器B形成小流量的压力/流量调节装置-引射器组可以覆盖大功率燃料电池在大部分功率范围内的卷吸要求。如图9所示，传统的一个喷射器和引射器组合不能在PEMFC系统低输出功率和随之升高的阳极过量氢气系数（系统要求）的情况下保障合理的卷吸系数，仅能满足图9中从P1到P2功率范围内的过量氢气系数要求。用本发明引入的最优设计和控制方法可以显著改进供氢系统的中引射器的卷吸系数，以保障氢气燃料充足和具有适当的的纯度、湿度和温度，在图9中可以把工作范围扩大到从P1到P3功率范围。当供氢系统能够在必要时转切入第二套含有较小流量范围的喷射器和较小尺寸的引射器的喷射引射系统时，其高卷吸系数覆盖低输出功率的能力进一步加强，可以覆盖到P4功率。这样PEMFC系统能在更宽的输出功率变化范围内有效工作。
本申请还提供了一种控制设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以上所述方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种速度模型确定方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
根据本申请的另一方面，本申请还提供了一种燃料电池系统，包括以上所述的氢气调节控制系统。
本申请还提供了一种系统设计方法，包括：
基于计算机仿真模型确定氢燃料电池在不同工况下的供氢流量和压力需求，引射器最佳设计尺寸及其卷吸效率的有效范围；
基于如前文所述的氢气调节控制方法，调节和控制如前文所述的一体结构的工作状况，并根据如前文中的设计结构满足燃料电池系统的氢气减压供给循环要求。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种氢气减压调控系统，其特征在于，包括：
集成氢气压力/流量调节装置和引射器的一体结构以及控制器；
所述一体结构的一端连通供氢设备，一端连通氢燃料电池电堆；
其中所述氢气压力/流量调节装置包括电子控制单元和多个并行的脉冲宽度调制控制的喷射器；
所述一体结构中包括至少一个氢气压力/流量调节装置和至少一个引射器；
至少一个所述氢气压力/流量调节装置后连接至少一个所述引射器；
所述控制器与所述一体结构连接，用于根据系统输出功率的需求，对所述一体结构进行调控，以实现对氢燃料电池电堆的供氢的压力/流量和氢气卷吸的调节。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述引射器包括卷吸室、定截面混合段、扩散段，其中，卷吸室具有卷吸口及喷嘴，扩散段具有引射器出口；所述系统还包括：
减压阀，设置于所述一体结构和供氢设备之间；
单向阀，设置于所述一体设备中的引射器的卷吸口与氢燃料电池电堆之间。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述一体结构包括：
一个氢气压力/流量调节装置和一个引射器；
所述引射器设置与所述氢气压力/流量调节装置之后形成串联；
氢气依次经过所述一体结构中的氢气压力/流量调节装置、引射器进入氢燃料电池电堆，并经所述引射器卷吸后回流。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述一体结构包括：
一个氢气压力/流量调节装置和多个引射器；
多个所述引射器并联，并连接在所述氢气压力/流量调节装置之后；
多个所述引射器与所述氢气压力/流量调节装置之间设置第一比例调节阀；
所述第一比例调节阀在所述控制器的控制下控制氢气到每个引射器的比例；
其中，多个所述引射器的尺寸相同或不同。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述一体装置包括：
多个氢气压力/流量调节装置和多个引射器；
多个所述氢气压力/流量调节装置与多个所述引射器一一对应，形成多个氢气压力/流量调节装置-引射器组；
多个氢气压力/流量调节装置-引射器组之间并联。
其中，多个氢气压力/流量调节装置-引射器组的不同或相同；
其中，多个所述引射器的大小相同或不同。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，多个所述引射器中至少部分引射器通过引射器组的方式两两组合；
其中组合方式为：两个引射器的喷嘴套设在一起，并公用卷吸室、定截面混合段和扩散段。
7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述一体装置还包括：旁通流道；
所述旁通流道包括氢气压力/流量调节装置；
所述旁通流道与多个氢气压力/流量调节装置-引射器组之间并联，并各自连通至氢燃料电池电堆；
所述旁通流道用于在控制器判断到氢燃料电池电堆压力低于额定值时，在控制器的控制下开启。
8.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，多个所述引射器的卷吸口经所述单向阀连通至氢燃料电池电堆；
所述单向阀与多个所述引射器之间设置第二比例调节阀，用于在所述控制器的控制下控制各引射器卷吸氢气的比例。
9.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的氢气减压调控系统。
10.一种氢气调节控制方法，其特征在于，应用于控制器，包括：
获取基于动力系统模型确定氢燃料电池电堆在不同输出的功率下对应的最佳氢气供应流量和压力；
获取基于计算流体模型的仿真结果确定如权利要求1至8中任一项所述的引射器在不同流量/压力下的关键参数；所述关键参数至少包括：卷吸率；
基于氢燃料电池电堆在不同输出的功率下对应的最佳氢气供应流量和压力、引射器在不同流量/压力下的关键参数以及实际功率需求确定控制参数；
根据控制参数对所述集成氢气压力/流量调节装置和引射器的一体结构的氢气压力/流量以及氢气卷吸进行控制。
11.一种控制设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求10中所述方法的步骤。
12.一种系统设计方法，其特征在于，包括：
基于计算机仿真模型确定氢燃料电池在不同工况下的供氢流量和压力需求，引射器最佳设计尺寸及其卷吸效率的有效范围；
基于如权利要求10所述的氢气调节控制方法，调节和控制如权利要求1所述的一体结构的工作状况，并根据如权利要求3至8中的设计结构满足燃料电池系统的氢气减压供给循环要求。
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