CN112563539B - 一种集成流量测量功能的燃料电池引射器及流量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种集成流量测量功能的燃料电池引射器及流量测量方法，所述引射器包括射流入口、引流入口、喷嘴、混合室、扩压室、引射器出口，所述扩压室与所述混合室连通，并且所述扩压室在流体流动方向上前端的截面积小于后端的截面积；所述扩压室的前端和后端设置有测压点，测压点之间设置有压差传感器。本发明将引射器扩压和文丘里测压有效集成，同时实现引射器压力恢复功能和流量测量功能。进一步，本发明还提出具体的实施方法及流量的推算过程。上述引射器实现了流量的在线测量方式，将流量的信息转换为瞬态采集的压力信号，精度高，瞬态效果好，可利用信号实时监测和控制。

Description

一种集成流量测量功能的燃料电池引射器及流量测量方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种集成流量测量功能的燃料电池引射器及流量测量方法。
背景技术
为提高燃料电池系统性能、提高氢气利用率，燃料电池系统中均采用氢回流系统，即燃料电池氢气过量供给电堆，剩余未消耗氢气与反应生成物等混合排出电堆，出堆回流混合物经由驱动装置（例如氢循环泵或引射器）驱动回流，与新鲜供给氢气混合后，重新进入电堆。
引射器作为氢回流驱动装置，其工作原理为：压缩氢气在喷嘴处产生高速射流，形成局部低压区，受压差驱动引流流体流向该低压区，并与射流流体混合，经扩压室气流流速降低，压力恢复，由此实现引射器驱动引流流体从低压到高压流动。引射器较传统的氢循环泵，无运动部件、不需消耗外界能量、结构简单、体积小、成本低，在燃料电池领域应用广泛。
在氢气回流系统中，新鲜氢气与未消耗氢气总流量与电堆理论氢气消耗量的比值为电堆电化学反应的氢气计量比，是保证电堆运行的关键参数，因此准确测量未消耗氢气的回流流量是保证氢气计量比的关键。
当前，燃料电池氢供给系统流量计存在以下难点：1、受多相影响敏感，常用的质量流量计测量时会产生偏差，难以满足精度要求；2、燃料电池系统结构紧凑，常见的质量流量计体积较大，安装空间受限；3、对于燃料电池在车辆上的应用，常见的质量流量计难以满足车用可靠性要求，不容易实现在线计量。
总之，当前燃料电池氢供给系统的在线流量测量没有可靠的实施方案。
发明内容
针对上述燃料电池氢供给系统流量测量的需求及难点，本发明提出了一种集成流量测量功能的燃料电池引射器及流量测量方法，其主要原理将引射器扩压和文丘里测压有效集成，同时实现引射器压力恢复功能和流量测量功能。进一步，本发明还提出具体的实施方法及流量的推算过程。
首先，本发明提供了一种集成流量测量功能的燃料电池引射器，该引射器包括射流入口、引流入口、喷嘴、混合室、扩压室、引射器出口；所述射流入口与燃料电池的氢气供给管路连接，所述引流入口与氢气回流管路连接；所述喷嘴与所述射流入口连通，用于将射流入口输入的氢气喷射到所述混合室中；所述混合室与所述引流入口连通，用于将喷嘴喷入的氢气和引流入口引入的回流流体充分混合；所述扩压室与所述混合室连通，并且所述扩压室在流体流动方向上前端的截面积小于后端的截面积；所述扩压室的前端和后端设置有测压点，测压点之间设置有压差传感器；所述扩压室的后端连接有引射器出口。
具体的，所述引射器中的射流入口的数量不作具体的限制，并且每个射流入口都配置有一个对应的喷嘴，因此所述引射器可以包括多个射流入口及相应的多个喷嘴，所述多个喷嘴分别与多个射流入口连通，并被配置为独立的将各个射流入口输入的氢气喷射到所述混合室中。
优选的，所述射流入口具体有两个，具体为主射流入口和环路射流入口，相应的喷嘴即主喷嘴及环路喷嘴，所述主喷嘴与主射流入口连通，所述环路喷嘴环绕设置在主喷嘴周围，并且与环路射流入口连通。
由于射流入口输入的氢气经过喷嘴后流速增加，压力降低形成低压区，因此氢气回流管路中的回流流体将从从引流入口引入，在混合室中与喷嘴喷出的氢气充分混合形成入堆流体，并进入扩压区。所述“入堆流体”具体是指出堆氢气经过汽水分离后的气体部分与射流入口进入的新鲜氢气所形成的混合气体。
具体的，所述扩压室通常设置为渐扩管的形式，渐扩管角度为7-15°，所述扩压室前端内径与后端内径的比值β满足以下条件：0.75≥β≥0.4。显然的，扩压室也可以设置为其他形式，只要能够将混合室输出的混合流体的压力增大到预设压力即可。
本发明还提供了一种燃料电池系统，包括氢源、减压阀、氢喷、系统控制器、引射器、压差传感器、电堆、气液分离器、入堆压力传感器、入堆温度传感器，其中所述引射器即本发明所提供的集成流量测量功能的燃料电池引射器，所述氢喷通过燃料电池的氢气供给管路向所述引射器的射流入口供应氢气，所述气液分离器通过燃料电池的氢气回流管路向所述引射器的引流入口供应回流流体，所述引射器的出口所连接的入堆管路上设置有所述入堆压力传感器和入堆温度传感器。
所述燃料电池系统的系统控制器被配置接收监控数据并基于监控数据调整燃料电池系统的运行参数。具体的，所述监控数据包括所述引射器的压差传感器采集的压差值∆P，当然也包括其他传感器采集到的监控数据；所述燃料电池系统的运行参数包括氢喷的占空比，也可以包括燃料电池常规的运行参数。
具体的，所述系统控制器能够根据下文详述的流量测量方法得出入堆混合流体总流量Q以及其中的氢气流量Q1，并基于Q1和理论氢气消耗量Q0的比值得出氢气入堆计量比S，并基于这些重要指标调整燃料电池系统的运行参数，从而调整燃料电池系统的工作状态。其中，理论氢气消耗量Q0可以按照本领域所熟知的方法通过理论计算得出。
本发明还提供了一种燃料电池流量测量方法，该方法首先依赖于本发明提供的一种集成流量测量功能的燃料电池引射器才能得以实现。具体的，该方法包括以下步骤：
S1.组分确认：将入堆流体视为含有氢气、水蒸气和氮气的单相气体流体，氢气、水蒸气和氮气各自的摩尔组分分别记为m1, m2, m3，根据燃料电池的工况参数和传感器测量结果计算得出m1, m2, m3；所述燃料电池的工况参数包括电压、输出功率；所述传感器设置在入堆管路上，能够采集入堆流体的组分信息；
S2.密度确认：通过混合流体密度公式（1）确定入堆流体的密度ρ，
ρ=f(P,T,μ, m1, m2, m3) （1）
其中P为入堆压力，T为入堆温度，μ为粘度；
S3.流量测量：根据流体连续方程与伯努利方程得出的公式（2）确定入堆流体的总流量Q:
∆P=f(Q,ρ, m1, m2, m3) （2）
其中，∆P为所述燃料电池引射器中压差传感器测得的压差。
进一步的，所述入堆流体中的氢气流量Q1可以通过根据氢气摩尔组分占比计算得到：
Q1 =f(Q, m1，m2，m3) （3）
具体的，公式(3)可以如本领域技术人员所熟知的，表现为Q1=Q*2m1/(2m1+18m2+28m3)。
进一步的，所述氢气入堆计量比S通过以下式（4）计算得到：
S=Q1/Q0 （4）
其中Q0为电堆理论氢气消耗量。
进一步的，由于根据燃料电池的工况参数和传感器测量结果直接计算得出m1, m2,m3可能与实际情况存在一定的误差，本发明还提供了一种燃料电池流量测量方法，包括以下步骤：
S1.组分确认：将入堆流体视为含有氢气、水蒸气和氮气的单相气体流体，氢气、水蒸气和氮气各自的摩尔组分分别记为m1, m2, m3，根据燃料电池的工况参数计算出得出m2+m3的最小值（m2+m3）min和最大值（m2+m3）max，从而得出氢气、水蒸气和氮气在m2+m3取最小值时的摩尔组分m1min, m2min, m3min，在m2+m3取最大值时的摩尔组分m1max, m2max, m3max，以及两组摩尔组分的均值m1’,m2’,m3’；所述燃料电池的工况参数包括电压、输出功率；
S2.密度确认：将m1min, m2min, m3min、m1max, m2max, m3max，以及m1’,m2’,m3’分别代入混合流体密度公式（1）确定入堆流体的密度ρ，得到ρmin，ρmax，ρ’：
ρ=f(P,T,μ, m1, m2, m3) （1）
其中P为入堆压力，T为入堆温度，μ为粘度；
S3.流量测量：根据流体连续方程与伯努利方程得出的公式（2），通过m1min, m2min,m3min，ρmin、m1max, m2max, m3max，ρmax、以及m1’,m2’,m3’,ρ’确定入堆流体的总流量Q，得到Qmin,Qmax以及Q’:
∆P=f(Q,ρ, m1, m2, m3) （2）
其中，∆P为所述燃料电池引射器中压差传感器测得的压差。
S4.氢气流量测量：将m1min, Qmin、m1max, Qmax、以及m1’, Q’分别代入公式（3），根据氢气摩尔组分占比确定入堆流体中的氢气流量Q1min，Q1max以及Q1’：
Q1 =f(Q, m1，m2，m3) （3）
具体的，公式(3)可以如本领域技术人员所熟知的，表现为Q1=Q*2m1/(2m1+18m2+28m3)。
进一步的，所述氢气入堆计量比Smin，Smax，S’通过以下式（4）计算得到：
S=Q1/Q0 （4）
其中Q0为电堆理论氢气消耗量。
由于某一工况下的m2+m3的数值难以准确的测量或推算，因此本发明提供的上述方法以某一工况下m2+m3的最小值、最大值作为衡量基准，最终得出了当m2+m3取最小值、最大值时的氢气流量Q1min，Q1max，同时得出了m1, m2, m3取均值时的Q1’，使得到的流量测量结果更加准确。
本发明还提供其他的集成流量测量功能的引射器结构，其中引射器结构可以为多喷嘴或可变喷嘴等结构，在这些引射器结构中在扩压室前端和扩压室后端设置测压点，两个测压点之间设置压差传感器，采集实时压差值∆P，即可实现引射器压力恢复功能和流量测量功能。
本发明的测量原理为文丘里测压原理，具体为：当流体流经管道内渐扩管，流速降低、静压升高，通过静压差，利用伯努利方程和流动连续性方程，通过静压差可求出流量。因此，本发明的扩压室优选设计为内渐扩管，渐扩管角度7-15°, 渐扩管进出、口管径比值β优选满足条件0.75≥β≥0.4。
本发明首次将引射器扩压和文丘里测压进行了有效集成，在实现引射器压力恢复功能的同时实现了流量测量的功能。本发明装置在测量时受到的干扰小，由于引射器扩压和文丘里测压有效集成为一体，不会对系统产生干扰；装置结构实施简单，布置紧凑，在现有结构上仅增加压差传感器。
本申请的燃料电池系统实现了流量的在线测量方式，将流量的信息转换为瞬态采集的压力信号，精度高，瞬态效果好，可利用信号实时监测和控制，根据计算结果对燃料电池的氢气供应情况进行及时、适当地调整，提高氢气的利用率以及燃料电池的能量转化效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例1的集成流量测量功能引射器流体域-剖面图；
图2为采用本发明实施例1的集成流量测量功能引射器的燃料电池系统架构图；
图3为本发明实施例1中不同压差下的总流量测量范围；
图4为本发明实施例2的集成流量测量功能内孔外环引射器流体域-剖面图；
图5为采用本发明实施例2的集成流量测量功能的内孔外环引射器的燃料电池系统架构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，集成流量测量功能引射器5包括：射流入口51，引流入口52，喷嘴53，混合室54，扩压室前端测压点55，扩压室56，扩压室后端测压点57，引射器出口58。新鲜氢气经引射器射流入口51、喷嘴53后流速增加，静压降低形成低压区，从而将出堆回流混合物从引流入口52引入，与新鲜氢气在混合室54充分混合，经扩压室56流速降低，静压恢复,从引射器出口58流出，供给进入电堆，实现由引流流体从低压到高压的流动。其中回流混合物为经气液分离器分离液态水后的气态混合物。
所述引射器5的扩压室前端和扩压室后端分别设置扩压室前端测压点55和扩压室后端测压点57作为压力测点，在两个测压点之间布置压差传感器6，在线采集瞬态压差信号，记做∆P。
采用集成流量测量功能引射器5的燃料电池系统架构如图2所示，所述燃料电池系统包括：氢瓶1、减压阀2、氢喷3、系统控制器4、引射器5、压差传感器6，电堆7、空气入口8、空气出口9、气液分离器10、尾排阀11、入堆压力传感器13、入堆温度传感器14。压差传感器6采集实时压差信号并传输至系统控制器4进行转换处理，输出系统实际入堆氢气流量Q1、计量比S等信息，并判断对系统零部件发出指令，例如：调节氢喷3的占空比等。实现流量的在线测量方式，将流量的信息转换为瞬态采集的压力信号，精度高，瞬态效果好，可利用信号实时监测和控制。
在本实施例中，通过采集到的工况参数可以得出入堆流体中氮气、水蒸气组分占比范围为16~22%，相应的m1min, m2min, m3min、m1max, m2max, m3max，以及m1’,m2’,m3’则分别为[84%，12%，4%]、[78%，12%，10%]，以及[81%，12%，7%]。
将以上三组m1, m2, m3代入公式（1）~（4）计算，最终得到不同压差下的总流量测量范围，如图3所示。其中总流量Q的下限和上限Qmin, Qmax分别如图中的虚线所示，二者之间的区域即总流量的测量范围。假设实际流量为图3中的实线，则测量误差不超过10%。
实施例2
如图4所示，集成流量测量功能引射器5具体为一种内孔外环引射器，包括：主射流入口511，环路射流入口512，引流入口52，主喷嘴531，环路喷嘴532，混合室54，扩压室前端测压点55，扩压室56，扩压室后端测压点57，引射器出口58。所述内孔外环引射器将来自氢瓶1的新鲜氢气分为两路，一路经主射流入口511，一路经环路射流入口512流经内孔外环喷嘴后，流速增加，静压降低，共同形成低压区卷吸引流流体，经过混合室54充分混合，在扩压室56流速降低，恢复压力，供给电堆，实现引流流体从低压到高压的流动。
所述内孔外环引射器的扩压室前端和扩压室后端分别设置扩压室前端测压点55和扩压室后端测压点57作为压力测点，在两个测压点之间布置压差传感器6，实时采集压差值，记做∆P。
采用集成流量测量功能内孔外环引射器的燃料电池系统架构如图5所示，所述燃料电池系统包括：氢瓶1、减压阀2、氢喷3、环路氢喷12、系统控制器4、引射器5、压差传感器6，电堆7、空气入口8、空气出口9、气液分离器10、尾排阀11、入堆压力传感器、入堆温度传感器。压差传感器6采集实时压差信号并传输至系统控制器4进行转换处理，输出系统实际入堆氢气流量Q1、计量比S等信息，并判断对系统零部件发出指令，例如：调节氢喷3的占空比等。实现流量的在线测量方式，将流量的信息转换为瞬态采集的压力信号，精度高，瞬态效果好，可利用信号实时监测和控制。
应用示例不限于上述列举示例，包括其他多喷嘴、可变喷嘴等引射器结构，只要在引射器结构中加入压差传感器，将压差传感器的两个测压点分别设置在扩压室前端和扩压室后端，通过采集实时压差值∆P，即可以解决本申请的技术问题，达到相应的有益效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (4)

1.一种燃料电池流量测量方法,其特征在于,包括如下步骤：
S1.组分确认：将入堆流体视为含有氢气、水蒸气和氮气的单相气体流体,氢气、水蒸气和氮气各自的摩尔组分分别记为m1, m2, m3,根据燃料电池的工况参数和传感器测量结果计算得出m1, m2, m3；所述燃料电池的工况参数包括电压、输出功率；
S2.密度确认：通过混合流体密度公式 （1） 确定入堆流体的密度ρ，
ρ=f(P,T,μ,m1, m2, m3) （1）
其中P为入堆压力,T为入堆温度,μ为粘度；
S3.流量测量：根据流体连续方程与伯努利方程得出的公式 （2） 确定入堆流体的总流量Q:
∆P=f(Q, ρ, m1, m2, m3) （2）
其中，∆P为所述燃料电池引射器中压差传感器测得的压差；
上述燃料电池流量测量方法通过集成流量测量功能的燃料电池引射器来实现，所述引射器包括射流入口、引流入口、喷嘴、混合室、扩压室、引射器出口；所述射流入口与燃料电池的氢气供给管路连接，所述引流入口与氢气回流管路连接；所述喷嘴与所述射流入口连通，用于将射流入口输入的氢气喷射到所述混合室中；所述混合室与所述引流入口连通，用于将喷嘴喷入的氢气和引流入口引入的回流流体充分混合；所述扩压室与所述混合室连通，并且所述扩压室在流体流动方向上前端的截面积小于后端的截面积；所述扩压室的前端和后端设置有测压点，测压点之间设置有压差传感器；所述扩压室的后端连接有引射器出口。
2.如权利要求1所述的燃料电池流量测量方法，其特征在于,所述方法通过以下步骤进一步确定了入堆流体中的氢气流量Q1：
S4.氢气流量测量：根据氢气摩尔组分占比确定入堆流体中的氢气流量Q1：
Q1=f(Q, m1, m2, m3) （3） 。
3.一种燃料电池流量测量方法,其特征在于,所述方法基于权利要求1-2任一项所述的集成流量测量功能的燃料电池引射器实现,包括如下步骤：
S1 .组分确认：将入堆流体视为含有氢气、水蒸气和氮气的单相气体流体,氢气、水蒸气和氮气各自的摩尔组分分别记为m1, m2, m3，根据燃料电池的工况参数和传感器测量结果计算出得出m2+m3的最小值（m2+m3）min和最大值（m2+m3）max，从而得出氢气、水蒸气和氮气在m2+m3取最小值时的摩尔组分m1min, m2min, m3min，在m2+m3取最大值时的摩尔组分m1max, m2max,m3max，以及两组摩尔组分的均值m1’,m2’,m3’；所述燃料电池的工况参数包括电压、输出功率；
S2 .密度确认：将m1min, m2min, m3min、m1max, m2max, m3max，以及m1’,m2’,m3’分别代入混合流体密度公式（1）确定入堆流体的密度ρ，得到ρmin，ρmax，ρ’：
ρ=f(P,T,μ, m1, m2, m3) （1）
其中P为入堆压力,T为入堆温度,μ为粘度；
S3.流量测量：根据流体连续方程与伯努利方程得出的公式（2），通过m1min, m2min,m3min，ρmin、m1max, m2max, m3max，ρmax、以及m1’,m2’,m3’,ρ’确定入堆流体的总流量Q，得到Qmin,Qmax以及Q’:
∆P=f(Q, ρ, m1, m2, m3) （2）
其中,∆P为所述燃料电池引射器中压差传感器测得的压差。
4.如权利要求3所述的燃料电池流量测量方法,其特征在于,所述方法通过以下步骤进一步确定了入堆流体中的氢气流量Q1：
S4.氢气流量测量：将m1min, Qmin、m1max，Qmax、以及m1’, Q’分别代入公式（3），根据氢气摩尔组分占比确定入堆流体中的氢气流量Q1min，Q1max以及Q1’：
Q1 =f(Q, m1, m2, m3) （3） 。
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