CN112864429B - 燃料电池的燃料控制系统及行驶设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了燃料电池的燃料控制系统及行驶设备，属于燃料电池堆的技术领域。包括：用于提供化学能的燃料电池反应堆；用于存储燃料、并通过燃料通道向所述燃料电池反应堆提供燃料的燃料存储装置；被设置为根据所述燃料反应堆的输出状态调节向所述反应堆输入的所述燃料的输入质量流量的控制装置。本发明通过步进电机就可以控制活塞在氢气流量控制阀内部的位置，达到控制阀门开度的目的，达到精确控制氢气质量流量的目的。

Description

燃料电池的燃料控制系统及行驶设备
技术领域
本发明属于燃料电池堆的技术领域，特别是涉及燃料电池的燃料控制系统及行驶设备。
背景技术
在现有的技术中，高压氢气存储罐的阀门是一种紧凑型的阀门。其结合开关电磁阀，温度传感器和TPRD的高压泄压阀，以达到对于氢气管道的开断控制，过流保护和安全泄放等目的。
现有的阀门使用中存在一定的弊端。其在高压存储罐内只使用温度传感器，无法确定在高压氢气存储罐中的气压状态，无法实现计算高压氢气存储罐中的氢气含量的功能。而开关电磁阀只控制高压存储氢气存储罐与氢气输送管道的开断，无法实现对于氢气质量流量的精准控制，影响到了氢燃料电池堆的工作效率。
发明内容
本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，设计一款高压氢气存储罐质量流量控制阀门，其将根据氢燃料电池堆的功率输出的情况，来控制高压氢气存储罐的氢气质量流量输出，以达到合理控制氢气质量流量和提高氢气利用率的目的。
本发明采用以下技术方案来实现：燃料电池的燃料控制系统，包括：
燃料电池反应堆，用于提供化学能；
燃料存储装置，用于存储燃料，并通过燃料通道向所述燃料电池反应堆提供燃料；
还包括：
控制装置，所述控制装置被设置为根据所述燃料电池反应堆的输出状态控制向所述反应堆输入的所述燃料的输入质量流量。
在进一步的实施例中，还包括执行装置，包括：
本体，所述本体内形成燃料通道；
及移动单元和驱动单元，所述驱动单元驱动所述移动单元移动以改变所述燃料通道的过流面积；
所述移动单元至少包括沿所述燃料通道径向方向的位移分量，所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述移动单元的径向位移。
在进一步的实施例中，所述燃料通道包括：进气通道和输出通道，所述进气通道和输出通道分别位于所述移动单元的两侧，所述移动单元具有使所述进气通道和所述输出通道连通的第一移动方向，以及使所述进气通道和所述输出通道隔断的第二移动方向；
所述移动单元沿第一方向移动时先打开所述输出通道；
所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述进气通道的过流面积。
在进一步的实施例中，所述驱动单元为步进电机；
所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述步进电机的脉冲输入信号。
在进一步的实施例中，所述移动单元为活塞。
在进一步的实施例中，所述输出状态为燃料电池反应堆的输出功率。
在进一步的实施例中，所述执行装置还包括导流部，与所述本体连接，所述导流部延伸进入所述燃料存储装置，所述导流部包括导流通道，所述导流通道与所述燃料通道连通，且所述导流通道的横截面积大于所述进气通道的横截面积。
在进一步的实施例中，所述执行装置还包括设于所述导流部上的压力传感器和温度传感器。
在进一步的实施例中，所述导流部与燃料存储装置螺纹连接。
一种行驶设备，包括：
车身、底盘、轮胎及动力机构；
燃料电池反应堆，用于提供化学能；
燃料存储装置，用于存储燃料，并通过燃料通道向所述燃料电池反应堆提供燃料；
控制装置，所述控制装置被设置为根据行驶设备的行驶状态控制向所述反应堆输入的所述燃料的输入质量流量。
在进一步的实施例中，所述控制装置为控制器。
在进一步的实施例中，行驶状态指所述行驶设备的加速和/或减速。
在进一步的实施例中，还包括执行装置，包括：
本体，所述本体内形成燃料通道；
及移动单元和驱动单元，所述驱动单元驱动所述移动单元移动以改变所述燃料通道的过流面积；
所述移动单元至少包括沿所述燃料通道径向方向的位移分量，所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述移动单元的径向位移。
在进一步的实施例中，所述燃料通道包括：进气通道和输出通道，所述进气通道和输出通道分别位于所述移动单元的两侧，所述移动单元具有使所述进气通道和所述输出通道连通的第一移动方向，以及使所述进气通道和所述输出通道隔断的第二移动方向；
所述移动单元沿第一方向移动时先打开所述输出通道；
所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述进气通道的过流面积。
在进一步的实施例中，所述执行装置还包括导流部，与所述本体连接，所述导流部延伸进入所述燃料存储装置，所述导流部包括导流通道，所述导流通道与所述燃料通道连通，且所述导流通道的横截面积大于所述进气通道的横截面积。
本发明的有益效果：通过温度和压力的测量，计算气体通量更加准确，同时通过步进电机控制活塞在氢气流量控制阀内部的位置，达到控制阀门开度的目的，比电磁阀的控制精确度更高。
附图说明
图1为本发明的高压氢气存储罐的质量流量控制系统的结构示意图。
图2为本发明的高压氢气存储罐的质量流量控制系统剖视图。
图3为本发明的高压氢气存储罐的质量流量控制系统仰视图。
图4为高压氢气存储罐的质量流量控制系统的控制流程图。
图5为本发明的活塞在阀体内部的结构示意图。
图1至图5中的各标注为：导流部A、阀体B、阀体进气通道1、弹簧2、导杆3、步进电机4、阀体外壳5、活塞6、氢气输出孔7、安全阀8、外接氢气充气孔9、压力传感器10、温度传感器11、氢气导流管12、外螺纹13。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
经研究发现：因为对于高压氢气存储罐中的氢气质量流量不控制，在燃料电池堆做低功率输出时，高压氢气存储罐给氢燃料电池堆供应过量的氢气，使氢气的利用率降低。同时未反应的氢气将会堆积在氢气回流系统的管道中，造成了安全隐患。不仅降低了氢燃料电池堆的转化效率，还影响了氢燃料车的续航里程。
为了解决以上技术问题，研发出了一种高压氢气存储罐质量流量控制阀门，其将根据氢燃料电池堆的功率输出的情况，来控制高压氢气存储罐的氢气质量流量输出，以达到合理控制氢气质量流量和提高氢气利用率的目的。
燃料电池的燃料控制系统，包括：燃料电池反应堆、燃料存储装置和控制装置。其中，所述燃料电池反应堆用于提供化学能，所述燃料存储装置用于存储燃料，并通过燃料通道向所述燃料电池反应堆提供燃料。所述控制装置被设置为根据所述燃料电池反应堆的输出状态控制向所述反应堆输入的所述燃料的输入质量流量。在本实施例中，所述输出状态为燃料电池反应堆的输出功率。
燃料电池的燃料控制系统，还包括：执行装置，所述执行装置包括：本体，所述本体的内部形成燃料通道。所述执行装置还包括移动单元和驱动单元，所述驱动单元驱动所述移动单元移动以改变所述燃料通道的过流面积。在本实施例中，所述驱动单元为步进电机，所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述步进电机的脉冲输入信号。所述移动单元为活塞。
在进一步的实施例中，所述移动单元包括沿所述燃料通道径向方向的位移分量，所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述移动单元的径向位移。
在进一步的实施例中，所述燃料通道包括：进气通道和输出通道，所述进气通道和输出通道分别位于所述移动单元的两侧，所述移动单元具有使所述进气通道和所述输出通道连通的第一移动方向，以及使所述进气通道和所述输出通道隔断的第二移动方向；即从本体的一端沿长度方向朝另一端延伸预定距离，形成一端开放的燃料通道。在本体的不同位置，例如上下两侧或者左右两侧，开设通孔，通孔从本体的外壁延伸至内侧，与燃料通道连通，分别形成进气通道和所述输出通。通过燃料通道、进气通道和所述输出通形成气流通道的基本部分，通过控制气流通道的通断，即可实现充气过程的控制。
所述移动单元沿第一方向移动时先打开所述输出通道；
所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述进气通道的过流面积。
具体而言，活塞安装于燃料通道内，其形状能够与燃料通道适配，达到相对密封的效果，同时能够变形或移位，从而实现堵塞和断开气流通道，或者实现打开气流通道，实现工程上所需要的导通和断开反应速度，以及密封性能。换句话说，阀门可移动或可变形地设置，从而能够实现封堵和断开气流通道。步进电机安装在工作腔的一端，例如本体的开放端，步进电机通过导杆与活塞连接，通过步进电机带动活塞移位或者变形，从而实现封堵或者打开气流通道。
在进一步的实施例中，所述执行装置还包括：导流部，与所述本体连接，所述导流部延伸进入所述燃料存储装置，所述导流部包括导流通道，所述导流通道与所述燃料通道连通，且所述导流通道的横截面积大于所述进气通道的横截面积。
所述执行装置包括：压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器安装在所述导流部上。从而对氢气存储装置中的物理参数进行测量，为准确控制氢气的流量提供必要的数据支撑。所述导流部与燃料存储装置螺纹连接。
在进一步的实施例中，为了准确测量气体的流速，通过结构的设计和改造，使气体能够按照相对固定的流速通过通道，从而基于通气时间、通气面积和气体密度等相对容易控制或测量的参数来获取相对准确的气体质量。在此，提供一种结构设计方式，即从导流部进气端至本体的进气通道内，至少有部分区域的横截面设置为收缩段和扩张段，形成拉法尔喷管。具体地，可以将导流部与进气通道连接处预定长度的内径大于进气通道的内径，形成拉法尔喷管的收缩段，进气通道作为拉法尔喷管的喉部。
通过上述设计，在拉法尔喷管的喉部，即上述实施例中进气通道的地方，形成相对恒定的流速，例如形成声速流体。从而可以相对准确计算气体的流量。基于速度和截面积，可以获得气体的体积，再结合气体的密度，即可以得知气体的质量。上述参数便于调控和测量，因此在工程上也更加容易实现。
为了提高安全性，本体上设置有与出气孔连通的副孔，副孔内设置有安全阀。如果在某种工况下，压力过大，通过安全阀进行处理。
在进一步的实施例中，本体上设置有与进气通道连通的充气孔，充气孔连接有充气阀。在该实施例中，氢气存储装置，例如存储罐可以无需和阀门脱离，通过充气孔进行充气。在没有设置充气孔的实施例中，需要通过将阀门与氢气存储装置分离，然后进行充气，然后再密封连接，相对本实施例过程繁琐一些。
具体地，导流管外周的至少部分区域设置有螺纹。通过螺接的方式与氢气存储装置连接，还可以在密封连接处设置密封垫等装置。
使用上述任一项实施例的控制系统，一种行驶设备，包括：车身、底盘、轮胎及动力机构；和燃料电池反应堆，用于提供化学能；燃料存储装置，用于存储燃料，并通过燃料通道向所述燃料电池反应堆提供燃料；控制装置，所述控制装置被设置为根据行驶设备的行驶状态控制向所述反应堆输入的所述燃料的输入质量流量。其中，所述控制装置为控制器。行驶设备的行驶状态指所述行驶设备的加速和/或减速。
在进一步的实施例中，一种行驶设备还包括执行装置，所述执行装置包括：本体，所述本体内形成燃料通道；及移动单元和驱动单元，所述驱动单元驱动所述移动单元移动以改变所述燃料通道的过流面积；所述移动单元至少包括沿所述燃料通道径向方向的位移分量，所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述移动单元的径向位移。
其中，所述燃料通道包括：进气通道和输出通道，所述进气通道和输出通道分别位于所述移动单元的两侧，所述移动单元具有使所述进气通道和所述输出通道连通的第一移动方向，以及使所述进气通道和所述输出通道隔断的第二移动方向；所述移动单元沿第一方向移动时先打开所述输出通道；所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述进气通道的过流面积。
所述执行装置还包括导流部，与所述本体连接，所述导流部延伸进入所述燃料存储装置，所述导流部包括导流通道，所述导流通道与所述燃料通道连通，且所述导流通道的横截面积大于所述进气通道的横截面积。
在其他实施例中，提供一个工程案例。氢气存储罐的质量流量控制系统包括：氢气存储罐、设置在氢燃料供给系统内部的压强控制器、带充氢气设备、以及安装在氢气存储罐上的阀门。阀门为氢气质量流量控制阀，主要用于根据氢燃料车行驶的功率需求，控制氢气存储罐向氢燃料电池系统供应氢气的质量流量。
具体的，阀门包括：导流部A，与导流部A相通的阀体B，其中导流部A同时用于与氢气存储罐连接，并延伸至氢气存储罐的内部，为了能够更好的了解到氢气存储罐内部的氢气的状态，故在位于氢气存储罐内的导流部A处设置有检测装置，检测装置包括：包括安装在导流部A末端处的温度传感器11和压力传感器10；温度传感器11用于检测氢气存储罐内部的温度T，压力传感器10用于检测氢气存储罐内部的压力P；则，根据公式：ρ＝P/T确定氢气存储罐中的氢气的密度。此外，导流部A的外表面设置有外螺纹13，通过外螺纹13与氢气存储罐实现固定连接。
阀体B上设置有外接氢气充气孔9和氢气输出孔7，阀体B的内部设置活塞6，和传动连接于活塞6的控制装置；控制装置用于调节活塞6在阀体B内部的位置，达到控制阀门开度的目的；其中，外接氢气充气孔9与待充氢气设备相连通；氢气输出孔7通过管道与压强控制器相连。实现充氢气的功能。
氢气存储罐、导流部A和阀体B之间通过氢气导流管12和阀体进气孔1实现相互连通；其中，氢气导流管12沿长度方向设置在导流部A内，阀体进气孔1开设在阀体B上，氢气导流管12与阀体进气孔1相通。
其中，控制装置用于控制活塞6所在的位置，且是通过对氢气的量需求来决定的，因此控制装置需要能够便于调节和计算，故使用步进电机4取代现有技术的开关电磁阀。以达到能够精确计算出阀门内部活塞6所在的位置。
具体的，控制装置包括：安装在阀体外壳5内的步进电机4，传动连接于步进电机4的输出轴上的导杆3以及设置在导杆3上的外螺纹13；活塞6的内部设置有内螺纹，通过内、外螺纹13实现活塞6与导杆3之间的传动连接。
为了增加活塞6在移动过程中的灵活性，以降低摩擦力带来的阻力。故导杆3的外围包裹有弹簧2；当活塞6与步进电机4之间的距离为最长时，弹簧2在长度方向上将暴露在活塞6外的导杆3完全覆盖。
使用以上氢气存储罐的质量流量控制系统的控制方法，包括以下流程：首先根据车载的需求计算出燃料电池对气的质量流量
Figure GDA0003611019880000071
的需求量；然后根据阀体的内部结构结合步进电机的参数计算出阀体内部的活塞应当处于什么样的位置能够通过阀体在提供氢气时保证被排出的氢气的量与需求量相匹配的。
具体包括以下步骤：
步骤一、车载ECU根据氢燃料车的行驶情况，确定氢燃料车的功率需求P车，
Figure GDA0003611019880000072
其中，f牵为牵引力，
Figure GDA0003611019880000073
为车行驶的速度；
f牵＝m·g·μ1，则
Figure GDA0003611019880000074
其中，m为车的质量，μ1为路面的摩擦系数；
步骤二、根据P车＝P燃·θ1计算出燃料电池功率，其中θ1为机械功率转化系数；
而燃料电池的功率P燃是根据燃料电池的电堆功率P堆转化而来，P燃＝P堆·θ2，θ2为电堆功率转化系数；即
Figure GDA0003611019880000075
步骤三、燃料电池堆ECU根据使用状态提出相应的氢气的质量流量的需求，根据公式： P堆＝U堆·I堆，其中，电堆电压U堆为给定的额定值；
则
Figure GDA0003611019880000076
电堆电流I堆与相应的氢气的质量流量
Figure GDA0003611019880000077
之间满足以下关系：
Figure GDA0003611019880000078
式中，ζ为电堆中单电池的数量，F为法拉第常数，M氢为氢气的摩尔质量；
通过步骤一至三已经能够计算出车载的燃料电池对氢气的质量流量需求为
Figure GDA0003611019880000079
接下来则需要对阀体的控制进行精确的计算。
步骤四、根据质量流量法则
Figure GDA00036110198800000710
其中
Figure GDA00036110198800000711
为质量，ρ为密度，C为气体的速度，s为横截面面积；因为阀门的结构按照拉法尔喷管的形式设计，故在在最小横截面处的速度为声速，即气体速度C按照声速来计算，那么氢气的质量流量则仅仅与最小处横截面有关；通过控制步进电机控制最小处横截面面积s。
因此本发明是通过控制s值的大小，使
Figure GDA00036110198800000712
进而实现通过步进电机的控制使得氢气的输入质量流量满足电池燃料堆的需求。
如图5所示，设定s为最小横截面积，h为活塞移动的位移，步进电机脉冲数n，根据公式：
Figure GDA0003611019880000081
可以计算出h的值，其中，D3为导杆的直径，其中n圈表示转一圈的总脉冲数，
Figure GDA0003611019880000082
α步为步进电机4的步进角；脉冲数直接决定了活塞位移的距离h。
s＝s弓，其中，暴露在活塞外的阀体的横截面，该横截面为弓形s弓，其中s弓＝s扇-sΔ，s扇为该扇形的面积；sΔ为与活塞与扇形重叠部分的三角形的面积。则通过上述转换，需要确定s 值，确定h即可，即通过设置步进电机的参数即可。
为了更好的计算出s值，通过图5给出s值与h值之间的换算关系：
对于进气通道r为固定值。通过活塞移动位移h，可以确定出小三角形的角度α，
Figure GDA0003611019880000083
而扇形的圆心角α圆＝2·α，通过圆心角α圆，可以取得扇形的面积
Figure GDA0003611019880000084
而三角形的面积sΔ为，sΔ＝(r-h)·r·sinα.
暴露在活塞外的阀体的横截面s,s＝s弓＝s扇-sΔ。
当活塞移动位移h大于进气通道r的时候，依然可以通过公式确定小三角形角度α1，和扇形的圆心角α圆1＝2·α1。通过圆心角α圆1，可以取得扇形的面积
Figure GDA0003611019880000085
而三角形的面积sΔ1为，sΔ1＝(r-h)·r·sinα.而所对应的弓形面积为s弓1＝s扇1-sΔ1。暴露在活塞外的阀体的横截面s，s＝s圆-s弓1。
根据上述公式计算出s值，即可推导出h的值，便可以直接判断处脉冲数值。
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物限定。

Claims (15)

1.燃料电池的燃料控制系统，包括：
燃料电池反应堆，用于提供化学能；
燃料存储装置，用于存储燃料，并通过燃料通道向所述燃料电池反应堆提供燃料；
其特征在于，还包括：
控制装置，所述控制装置被设置为根据所述燃料电池反应堆的输出状态控制向所述反应堆输入的所述燃料的输入质量流量；
执行装置，所述执行装置包括：
本体，所述本体内形成燃料通道；
及移动单元，所述移动单元至少包括沿所述燃料通道径向方向的位移分量，所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述移动单元的径向位移。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的燃料控制系统，其特征在于，
所述执行装置还包括：
驱动单元，所述驱动单元驱动所述移动单元移动以改变所述燃料通道的过流面积。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的燃料控制系统，其特征在于，
所述燃料通道包括：进气通道和输出通道，所述进气通道和输出通道分别位于所述移动单元的两侧，所述移动单元具有使所述进气通道和所述输出通道连通的第一移动方向，以及使所述进气通道和所述输出通道隔断的第二移动方向；
所述移动单元沿第一方向移动时先打开所述输出通道；
所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述进气通道的过流面积。
4.根据权利要求2所述的燃料电池的燃料控制系统，其特征在于，
所述驱动单元为步进电机；
所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述步进电机的脉冲输入信号。
5.根据权利要求2所述的燃料电池的燃料控制系统，其特征在于，所述移动单元为活塞。
6.根据权利要求1所述的燃料电池的燃料控制系统，其特征在于，所述输出状态为燃料电池反应堆的输出功率。
7.根据权利要求2所述的燃料电池的燃料控制系统，其特征在于，所述执行装置还包括导流部，与所述本体连接，所述导流部延伸进入所述燃料存储装置，所述导流部包括导流通道，所述导流通道与所述燃料通道连通，且所述导流通道的横截面积大于进气通道的横截面积。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的燃料控制系统，其特征在于，所述执行装置还包括设于所述导流部上的压力传感器和温度传感器。
9.根据权利要求7所述的燃料电池的燃料控制系统，其特征在于，所述导流部与燃料存储装置螺纹连接。
10.一种行驶设备，包括：
车身、底盘、轮胎及动力机构；
燃料电池反应堆，用于提供化学能；
燃料存储装置，用于存储燃料，并通过燃料通道向所述燃料电池反应堆提供燃料；
控制装置，所述控制装置被设置为根据所述燃料电池反应堆的输出状态控制向所述反应堆输入的所述燃料的输入质量流量；
还包括执行装置，所述执行装置包括：
本体，所述本体内形成燃料通道；
及移动单元，所述移动单元至少包括沿所述燃料通道径向方向的位移分量，所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述移动单元的径向位移。
11.根据权利要求10所述的一种行驶设备，其特征在于，
所述控制装置为控制器。
12.根据权利要求10所述的一种行驶设备，其特征在于，
行驶状态指所述行驶设备的加速和/或减速。
13.根据权利要求10所述的一种行驶设备，其特征在于，执行装置还包括：
驱动单元，所述驱动单元驱动所述移动单元移动以改变所述燃料通道的过流面积。
14.根据权利要求13所述的一种行驶设备，其特征在于，所述燃料通道包括：进气通道和输出通道，所述进气通道和输出通道分别位于所述移动单元的两侧，所述移动单元具有使所述进气通道和所述输出通道连通的第一移动方向，以及使所述进气通道和所述输出通道隔断的第二移动方向；
所述移动单元沿第一方向移动时先打开所述输出通道；
所述控制装置被设置为根据所述输入质量流量控制所述进气通道的过流面积。
15.根据权利要求13所述的一种行驶设备，其特征在于，所述执行装置还包括导流部，与所述本体连接，所述导流部延伸进入所述燃料存储装置，所述导流部包括导流通道，所述导流通道与所述燃料通道连通，且所述导流通道的横截面积大于进气通道的横截面积。
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