CN114497632A - 变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统及控制方法，包括：高压氢瓶、双喷嘴引射器、燃料电池电堆、蓄电池和模式控制单元；高压氢瓶经过减压阀后分为两路，其中一路与双喷嘴引射器的第一喷嘴连接，另一路经过电磁阀与双喷嘴引射器的第二喷嘴连接；双喷嘴引射器的出口与燃料电池电堆的阳极入口连接；燃料电池电堆与驱动装置和蓄电池分别连接，蓄电池与驱动装置连接；所述模式控制单元能够根据监测到的驱动装置和蓄电池的运行状态，调整燃料电池电堆的工作模式。本发明根据双喷嘴引射器自身性能特性，将燃料电池电堆划分为两种工作模式，使双喷嘴引射器根据系统的运行状态选择合适的工作模式，提高燃料电池运行效率。

Description

变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统及控制方法

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

质子交换膜燃料电池作为一种高效的能量转换装置，可以将氢气的化学能直接转化为电能，因其具有启动时间短、无排放污染、运行噪声低和转化效率高等优点，被广泛应用于汽车、船舶、航天器等运载工具。

现有质子交换膜燃料电池的阳极供氢系统大概分为三类：一是“死端”模式，氢气直接供给电堆，根据电池功率调节氢气供应流量；二是“循环”模式，氢气过量供给确保反应所需氢气流量，利用氢气循环泵或者引射器，将未反应的氢气循环再利用，提高燃料利用效率；三是“流通”模式，氢气过量供给确保氢气流量充足，过量氢气直接排放，燃料利用率较低。由于“循环”模式具有较高的燃料利用效率而被广泛的应用在现有质子交换膜燃料电池系统中，引射式循环系统又因其可靠性高、环境适用性好和无能源消耗而被广泛关注。

汽车等交通工具在运行过程中都面临加速、怠速、巡航等多工况交替变换的情况，需要频繁改变燃料电池的输出功率，导致燃料电池使用寿命降低，同时固定结构的引射器无法在变工况下保持较高的性能，致使引射循环燃料电池系统在汽车等动态运行场景中难以推广应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统及控制方法，通过改变系统的工作模式以适应运行工况的功率需求，解决引射循环燃料电池系统在动态运行下的应用难题。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，包括：高压氢瓶、双喷嘴引射器、燃料电池电堆、蓄电池和模式控制单元；所述高压氢瓶经过减压阀后分为两路，其中一路与双喷嘴引射器的第一喷嘴连接，另一路经过电磁阀与双喷嘴引射器的第二喷嘴连接；所述双喷嘴引射器的出口与燃料电池电堆的阳极入口连接；

所述燃料电池电堆与驱动装置和蓄电池分别连接，蓄电池与驱动装置连接；所述模式控制单元能够根据监测到的驱动装置和蓄电池的运行状态，调整燃料电池电堆的工作模式。

作为可选的实施方式，所述燃料电池的阳极出口经汽水分离器分为两路，其中一路经过排气阀直通大气，另一路连接至所述双喷嘴引射器的二次流入口端。

作为可选的实施方式，燃料电池电堆的阳极连接电路控制器，然后分成两路，其中一路连接经DC/AC转换器连接驱动装置，另一路连接蓄电池；两路合并后，连接至燃料电池电堆的阴极。

作为可选的实施方式，所述模式控制单元与电路控制器和DC/AC转换器分别连接。

作为可选的实施方式，还包括：分别与模式控制单元通信连接的蓄电池SOC监测器和驱动装置状态监测器；所述蓄电池SOC监测器与蓄电池连接，所述驱动装置状态监测器与驱动装置连接。

作为可选的实施方式，驱动装置无功率输出时，燃料电池电堆工作在低功率模式；模式控制单元控制燃料电池电堆输出为蓄电池充电；所述低功率模式为仅双喷嘴引射器的第一喷嘴单独工作。

作为可选的实施方式，驱动装置有功率输出时，判断蓄电池SOC值是否大于下警戒值；

若是，控制燃料电池电堆工作在低功率模式，并判断驱动装置需求功率是否大于燃料电池电堆的输出功率；若大于，控制燃料电池电堆和蓄电池同时为驱动装置供电；若不大于，控制燃料电池电堆输出功率优先为驱动装置供电，剩余电能为蓄电池充电；

否则，控制燃料电池电堆工作在额定功率模式，控制燃料电池电堆输出功率优先为驱动装置供电，剩余电能为蓄电池充电；

其中，所述低功率模式为仅双喷嘴引射器的第一喷嘴单独工作，所述额定功率模式为双喷嘴引射器的第一喷嘴和第二喷嘴同时工作。

作为可选的实施方式，蓄电池SOC值经过充电大于设定的上警戒值时，燃料电池电堆切换至低功率模式。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于上述的变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统的控制方法，包括：

驱动装置无功率输出时，控制燃料电池电堆工作在低功率模式；模式控制单元控制燃料电池电堆输出为蓄电池充电；

驱动装置有功率输出时，判断蓄电池SOC值是否大于下警戒值；若是，控制燃料电池电堆工作在低功率模式，并判断驱动装置需求功率是否大于燃料电池电堆的输出功率；若大于，控制燃料电池电堆和蓄电池同时为驱动装置供电；若不大于，控制燃料电池电堆输出功率优先为驱动装置供电，剩余电能为蓄电池充电；否则，控制燃料电池电堆工作在额定功率模式，控制燃料电池电堆输出功率优先为驱动装置供电，剩余电能为蓄电池充电；

其中，所述低功率模式为仅双喷嘴引射器的第一喷嘴单独工作；所述额定功率模式为双喷嘴引射器的第一喷嘴和第二喷嘴同时工作。

蓄电池SOC值经过充电大于设定的上警戒值时，燃料电池电堆切换至低功率模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明根据双喷嘴引射器自身性能特性，将燃料电池电堆划分为两种工作模式，使双喷嘴引射器根据系统的运行状态选择合适的工作模式，提高燃料电池运行效率。

(2)本发明根据驱动装置的不同运行工况，将燃料电池与蓄电池相结合，使系统可以适应驱动装置运行状态的频繁变化，并减少燃料电池运行工况变化，维持高效稳定运行状态，提高燃料电池使用寿命。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统结构示意图；

图2为本发明实施例中变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统控制方法流程图；

其中，1.高压氢瓶，2.减压阀，3.电磁阀，4.双喷嘴引射器，5.燃料电池电堆，6.汽水分离器，7.排气阀，8.模式控制单元，9.DC/AC转换器，10.电路控制器，11.蓄电池SOC监测器，12.蓄电池，13.电机状态监测器，14.驱动电机，15.排水阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，结合图1，具体包括：高压氢瓶1、双喷嘴引射器4、燃料电池电堆5、蓄电池12和模式控制单元8；其中，高压氢瓶1经过减压阀2后分为两路，其中一路与双喷嘴引射器4的第一喷嘴连接，另一路经过电磁阀3与双喷嘴引射器4的第二喷嘴连接；双喷嘴引射器4的出口与燃料电池电堆5的阳极入口连接；燃料电池电堆5的阳极出口混合气体夹带着反应产生的水，经汽水分离器6除去多余水分，然后被引射回双喷嘴引射器4循环利用。当阳极出口混合气体杂质较多时，排气阀7开启，直接将杂质气体排出。排水阀15是用来排出汽水分离器6分离出来的水，分离水量到达汽水分离器6的最大容量打开排水。

本实施例中，燃料电池电堆5可以工作在低功率模式或者额定功率模式；

当燃料电池工作在低功率模式时，来自高压气瓶的氢气，经过减压阀2膨胀减压后，直接进入双喷嘴引射器4的第一喷嘴，引射燃料电池电堆5阳极未反应的氢气，并与其混合后进入燃料电池电堆5的阳极；具体地，燃料电池供应氢气供应一般为过量供应，在燃料电池中未反应的氢气等混合气体，被引射器引射循环回燃料电池，再次利用。

当燃料电池工作在额定功率模式时，电磁阀3开启，来自高压气瓶的氢气，经过减压阀2膨胀减压后，同时进入双喷嘴引射器4的第一喷嘴和第二喷嘴，引射燃料电池电堆5阳极未反应的氢气，并与其混合后进入燃料电池电堆5的阳极。

本实施例中，燃料电池电堆5的阳极连接电路控制器10，然后分为两路：一路经DC/AC转换器9连接驱动装置；一路连接蓄电池12。两路合并后，回到燃料电池电堆5的阴极。

作为可选的实施方式，驱动装置主要用于驱动交通工具运行，可以是汽车等交通工具的驱动电机14，也可以是其他形式的功率负载。

电路控制器10指的是在进行工作模式切换的时候，需要对整个电路连接方式进行切换，比如在驱动装置不工作的时候，需要将电路切换成直接给蓄电池12充电的电路连接方式，在驱动装置工作，燃料电池和蓄电池12同时工作时，需要将电路连接切换成燃料电池和蓄电池12同时给驱动装置供电的电路连接方式，以此类推，主要实现电路连接方式的改变，以达到不同的工作功能。本实施例中电路控制器10的具体结构是本领域技术人员根据现有技术能够获知的。

本实施例中，驱动装置为驱动电机14，驱动电机14与电机状态监测器13连接，用于检测驱动电机14的工作状态；蓄电池12与蓄电池12SOC监测器11连接，用于检测蓄电池12的SOC值。

模式控制单元8分别连接电路控制器10、DC/AC转换器9、蓄电池12SOC监测器11和电机状态监测器13，根据接收到的驱动电机14工作状态和蓄电池12SOC值，及时调整燃料电池的工作模式。

结合图2，本实施例变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统的控制方法具体包括如下过程：

(1)首先调整燃料电池电堆5运行在低功率模式；

(2)通过电机状态监测器13实时监测驱动电机14状态，通过蓄电池12SOC监测器11实时监测蓄电池SOC值，模式控制单元8获取监测信号，及时调整燃料电池电堆5的运行模式：

①当驱动电机14无功率输出时，即短暂停车、等红灯等短时间停车，驱动电机14不需要电能输入，此时系统处于工况一(蓄电运行模式)；通过电路控制器10调整电路，使得燃料电池电堆5对蓄电池12进行充电，并时刻监测蓄电池12的SOC值，蓄电池12的SOC值到达100％时停止充电。

②当驱动电机14有功率输出时，即定速行驶或者加速行驶过程，通过SOC监测器实时获取蓄电池12的SOC值，并传输给模式控制单元8；

当蓄电池12的SOC值大于设定的下警戒值时，此时系统处于工况二(混合运行模式)；比较燃料电池低功率模式输出功率是否大于驱动电机14的需求功率：

若大于，电路控制器10调整电路，使得燃料电池电堆5输出优先满足驱动电机14的需求功率，剩余电能对蓄电池12进行充电；并对蓄电池12的SOC值进行实时监测，当其SOC值到达100％时停止对蓄电池12充电。

若不大于，电路控制器10调整电路，使得燃料电池电堆5和蓄电池12同时给驱动电机14供电，并对蓄电池12的SOC值进行实时监测；

当蓄电池12的SOC值小于设定的下警戒值时，此时系统处于工况三(额定运行模式)；电磁阀3打开，控制燃料电池电堆5运行在额定功率模式；电路控制器10调整电路，使得燃料电池电堆5的输出功率优先满足驱动电机14的需求功率，剩余电能给蓄电池12充电，并实时监测蓄电池12的SOC值，当其大于设定的上警戒值时，模式控制单元8将系统切换到工况二(混合运行模式)。

上述过程中，燃料电池电堆5工作在低功率模式，指的是电磁阀3关闭，仅双喷嘴引射器4的第一喷嘴单独工作；此时氢气供应量较小，燃料电池电堆5恒定输出较小功率。燃料电池电堆5工作在额定功率模式，指的是电磁阀3开启，双喷嘴引射器4的第一喷嘴和第二喷嘴同时工作；此时氢气供应量为燃料电池额定工况需求流量，燃料电池恒定输出额定功率。

本实施例中，蓄电池12的上警戒值和下警戒值的设定根据所使用的电池的特性来确定，通常情况下，上警戒值和下警戒值为蓄电池12SOC值的警戒值，具体数值需要根据使用的蓄电池12大小和类型具体考虑，本实施例选取为80％和20％。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统的控制方法，该方法基于实施例一中的变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，所述控制方法具体包括：

驱动电机14无功率输出时，控制燃料电池电堆5工作在低功率模式；模式控制单元8控制燃料电池电堆5输出为蓄电池12充电；

驱动电机14有功率输出时，判断蓄电池SOC值是否大于下警戒值；若是，控制燃料电池电堆5工作在低功率模式，并判断驱动电机14需求功率是否大于燃料电池电堆5的输出功率；若大于，控制燃料电池电堆5和蓄电池12同时为驱动电机14供电；若不大于，控制燃料电池电堆5输出功率优先为驱动电机14供电，剩余电能为蓄电池12充电；否则，控制燃料电池电堆5工作在额定功率模式，控制燃料电池电堆5输出功率优先为驱动电机14供电，剩余电能为蓄电池12充电；

蓄电池SOC值经过充电大于设定的上警戒值时，燃料电池电堆5切换至低功率模式。

上述控制方法的具体实现过程已经在实施例一中进行了详细的说明，此处不再详述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，其特征在于，包括：高压氢瓶、双喷嘴引射器、燃料电池电堆、蓄电池和模式控制单元；所述高压氢瓶经过减压阀后分为两路，其中一路与双喷嘴引射器的第一喷嘴连接，另一路经过电磁阀与双喷嘴引射器的第二喷嘴连接；所述双喷嘴引射器的出口与燃料电池电堆的阳极入口连接；

所述燃料电池电堆与驱动装置和蓄电池分别连接，蓄电池与驱动装置连接；所述模式控制单元能够根据监测到的驱动装置和蓄电池的运行状态，调整燃料电池电堆的工作模式。

2.如权利要求1所述的一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池的阳极出口经汽水分离器分为两路，其中一路经过排气阀直通大气，另一路连接至所述双喷嘴引射器的二次流入口端。

3.如权利要求1所述的一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，其特征在于，燃料电池电堆的阳极连接电路控制器，然后分成两路，其中一路连接经DC/AC转换器连接驱动装置，另一路连接蓄电池；两路合并后，连接至燃料电池电堆的阴极。

4.如权利要求3所述的一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，其特征在于，所述模式控制单元与电路控制器和DC/AC转换器分别连接。

5.如权利要求1所述的一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，其特征在于，还包括：分别与模式控制单元通信连接的蓄电池SOC监测器和驱动装置状态监测器；所述蓄电池SOC监测器与蓄电池连接，所述驱动装置状态监测器与驱动装置连接。

6.如权利要求1所述的一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，其特征在于，驱动装置无功率输出时，燃料电池电堆工作在低功率模式；模式控制单元控制燃料电池电堆输出为蓄电池充电；所述低功率模式为仅双喷嘴引射器的第一喷嘴单独工作。

7.如权利要求1所述的一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，其特征在于，驱动装置有功率输出时，判断蓄电池SOC值是否大于下警戒值；

若是，控制燃料电池电堆工作在低功率模式，并判断驱动装置需求功率是否大于燃料电池电堆的输出功率；若大于，控制燃料电池电堆和蓄电池同时为驱动装置供电；若不大于，控制燃料电池电堆输出功率优先为驱动装置供电，剩余电能为蓄电池充电；

否则，控制燃料电池电堆工作在额定功率模式，控制燃料电池电堆输出功率优先为驱动装置供电，剩余电能为蓄电池充电；

其中，所述低功率模式为仅双喷嘴引射器的第一喷嘴单独工作，所述额定功率模式为双喷嘴引射器的第一喷嘴和第二喷嘴同时工作。

8.如权利要求7所述的一种变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统，其特征在于，蓄电池SOC值经过充电大于设定的上警戒值时，燃料电池电堆切换至低功率模式。

9.一种基于权利要求1所述的变工况双喷嘴引射循环燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括：

驱动装置无功率输出时，控制燃料电池电堆工作在低功率模式；模式控制单元控制燃料电池电堆输出为蓄电池充电；

驱动装置有功率输出时，判断蓄电池SOC值是否大于下警戒值；若是，控制燃料电池电堆工作在低功率模式，并判断驱动装置需求功率是否大于燃料电池电堆的输出功率；若大于，控制燃料电池电堆和蓄电池同时为驱动装置供电；若不大于，控制燃料电池电堆输出功率优先为驱动装置供电，剩余电能为蓄电池充电；否则，控制燃料电池电堆工作在额定功率模式，控制燃料电池电堆输出功率优先为驱动装置供电，剩余电能为蓄电池充电；

其中，所述低功率模式为仅双喷嘴引射器的第一喷嘴单独工作；所述额定功率模式为双喷嘴引射器的第一喷嘴和第二喷嘴同时工作。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，蓄电池SOC值经过充电大于设定的上警戒值时，燃料电池电堆切换至低功率模式。

Images