CN114759228A - 一种宽功率谱单级引射氢循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽功率谱单级引射氢循环系统，主要包括高压供气装置、单级喷射引射装置、控制模块和电堆阀组四个模块组成。通过高压供气装置将高压氢气减压通向单级引射装置，其中单级喷射引射装置由氢喷射器组、喷射器组入口压力变送器、喷射器组出口压力变送器、引射器组成，控制模块通过采集压力变送器及电堆运行参数，根据功率载荷计算出电堆所需氢气流量，通过控制模块的控制方法选择性的调整氢喷射器组的脉冲宽度及频率，以保证燃料电池系统能够在低功率、额定功率等宽功率载荷工况点有效的运行。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种宽功率谱单级引射氢循环系统。
背景技术
随着国民经济的持续增长以及对环境保护的要求越来越高，汽车尾气作为全球温室效应的一个主要因素之一，新能源汽车能大大降低汽车尾气的碳排放量，同时也在能源转型中发挥着重要作用。在燃料电池系统中，供氢系统目前主要分为阳极闭端和氢气循环两种方式，其中氢气循环又可分为氢泵循环、引射器循环。引射器因其具有加工难度低、耗能低等优点，目前被广泛采用。传统引射器虽然能在大功率大流量工况下的引射效果较好，但是在小功率小流量工况下的引射效果差，无法满足氢气循环的需求。
现有申请公布号为CN 108400354A“一种用于燃料电池系统的可变喉口引射器”的专利中，通过根据电堆功率和电堆所需的氢气量改变喉口的横截面积来自动控制引射器的工作性能，从而在电堆小功率工况下满足使用，然而该种引射器加工精度难以保证且引射器性能控制精度较低。
现有申请公布号为JP2011245171A“一种用于燃料电池系统的氢燃料供应控制装置及其控制方法”的专利中，介绍了一种向燃料电池电堆供应氢气，同时能够使氢气在循环的装置，包括喷射泵和比例控制阀的组合，另外该装置可以根据输出功率所需要的流量控制比例电磁阀，实现基于速率的氢气在循环系统的流量控制。
现有申请公布号为CN 106784930A“燃料电池汽车动力系统的双喷氢引射器装置”的专利中，通过并联的双喷引射器装置能够满足小功率和大功率工况下的氢循环供气，但在单级引射使用时满足不了宽功率谱工况。
因此，拓宽单级氢引射器循环系统的使用工况是氢引射器循环系统的难点。
发明内容
针对上述产生的问题，本发明的目的在于提供一种宽功率谱单级引射氢循环系统，使其在燃料电池系统中的低功率至额定功率变化范围内引射器能有足够的引射比，并维持所需要的过量氢气系数。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种宽功率谱单级引射氢循环系统，包括高压供气装置、单级喷射引射装置、控制模块和电堆阀组，所述单级喷射引射装置设有高压入口、引射入口和引射出口，所述电堆阀组设有阳极入口和阳极出口，高压氢气通过所述高压供氢装置减压后流入到所述单级喷射引射装置的高压入口，从单级喷射引射装置的引射出口流入到所述电堆阀组的阳极入口，再从所述电堆阀组的阳极出口流出至所述单级喷射引射装置的引射入口，使得单级引射氢循环系统形成一个回路。
优选的，上述高压供气装置由高压氢气瓶组、瓶口阀组、压力调节阀组成，高压氢气从所述高压氢气瓶组通过所述瓶口阀组流出，再通过压力调节阀将高压氢气减压至燃料电池系统需要的压力范围，为单级喷射引射装置提供氢气源。
优选的，上述单级喷射引射装置由氢喷射器组、喷射器组入口压力变送器、喷射器组出口压力变送器以及引射器高度集成，所述氢喷射器组由1-10个氢喷射器并联组成，各个喷射器的流量-压力特性曲线可以全部相同、全不相同或者部分相同，通过PWM脉冲宽度调制控制所述单级喷射引射装置中所述氢喷射器组中氢喷射器的开启数量、开启频率以及占空比，所述氢喷射器组中各个氢喷射器的PWM脉冲宽度调制控制的占空比可以全不相同、全部相同或部分相同。
优选的，上述电堆阀组由电堆、电堆阳极入口压力变送器、电堆阳极出口压力变送器、水汽分离器、排氢阀、排水阀、阳极入口、阳极出口组成，所述电堆阳极入口压力变送器位于所述电堆的阳极入口与所述电堆之间，所述电堆阳极出口压力变送器、排水阀、排氢阀以及水汽分离器均位于所述电堆的阳极出口与所述电堆之间。
优选的，上述控制模块根据电堆功率、电堆阳极入口压力变送器和电堆阳极出口压力变送器的信号，计算得出电堆所需要的供气量，通过引射器的性能Map图计算得到上述单级喷射引射装置引射出口需要流出的氢气量和从所述单级喷射引射装置氢喷射器组流入所述引射器的氢气量。
优选的，上述控制模块根据单级喷射引射装置中的喷射器组入口压力变送器、喷射器组出口压力变送器信号来控制所述单级喷射引射装置中氢喷射器组中喷射器的开启数量、开启频率和占空比，确保所述喷射器组入口压力变送器的压力满足使用要求，从而精确控制所述氢喷射器组流入所述引射器的氢气流量。
优选的，上述控制模块的控制策略为检测单级引射氢循环系统中电堆功率、电堆阳极入口压力变送器、电堆阳极出口压力变送器的信号，推算出系统在该功率下所述电堆需要的氢气量Qr，首先打开所述氢喷射器组中喷射器的数量为n个，通过PWM脉冲宽度调制控制各个喷射器的占空比和频率来调整所述喷射器组入口压力变送器的压力，根据所述喷射器组入口压力变送器和所述喷射器组出口压力变送器推算出此时从所述氢喷射器组流出的氢气量Q，再匹配所述引射器的引射比Map图可推算出此时流入所述电堆阳极入口的氢气量Qn，若流入所述电堆阳极入口的氢气量Qn小于系统在该功率下所述电堆需要的氢气量Qr，则开启所述氢喷射器组中喷射器的数量为n=n+1个，直至流入所述电堆阳极入口的氢气量Qn大于系统在该功率下所述电堆需要的氢气量Qr，若所述电堆的过量系数小于该功率下所述电堆的过量系数下限值时，则开启所述氢喷射器组中喷射器的数量为n=n+1个，若所述电堆的过量系数大于该功率下所述电堆的过量系数上限值时，则开启所述氢喷射器组中喷射器的数量为n=n-1个，循环往复以上过程直至所述电堆的过量系数介于该功率下所述电堆的过量系数下限值和过量系数上限值之间。
优选的，上述单级喷射引射装置的一种变形模式为由喷射器组入口压力变送器、氢喷射器组、喷射器组出口压力变送器、比例调节阀和引射器组成，上述控制模块根据电堆功率以及电堆阳极出口的氢气过剩量来调节上述单级喷射引射装置中的氢喷射器组与引射器之间的比例调节阀，确保在某一瞬态工作状态时所述电堆阳极入口压力和流量始终满足要求，当所述电堆阳极入口压力或流量不稳定时，所述比例调节阀将从所述氢喷射器组流出的氢气部分或者全部直接通到所述电堆阳极入口处，少数或者没有气体从所述引射器射流口流入。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，使得本发明的其它特征、目的和优点变得更明显。本发明的示意性实施例附图及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例的一种宽功率谱单级引射氢循环系统原理结构示意图；
图2是本发明实施例给出的单级喷射引射装置中引射器的引射比Map示意图；
图3是本发明实施例的一种宽功率谱单级引射氢循环系统控制策略示意图；
图4是本发明实施例的一种宽功率谱单级引射氢循环系统变形示意图；
附图标号含义：1高压氢气瓶组；2瓶口阀组；3压力调节阀；4喷射器组入口压力变送器；5氢喷射器组；6喷射器组出口压力变送器；7比例调节阀；8引射器；9控制模块；10电堆阳极入口压力变送器；11电堆；12排氢阀；13排水阀；14水汽分离器；15电堆阳极出口压力变送器；16高压入口；17引射入口；18引射出口；19阳极出口；20阳极入口；21电堆阀组；22高压供气装置；23单级喷射引射装置。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种宽功率谱单级引射氢循环系统，使其在燃料电池系统中的低功率至额定功率变化范围内引射器能有足够的引射比，并维持所需要的过量氢气系数。
为了更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，本发明所用的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1-3为本发明的一种具体实施例。
一种宽功率谱单级引射氢循环系统，包括高压供气装置22、单级喷射引射装置23、控制模块9和电堆阀组21，所述单级喷射引射装置23设有高压入口16、引射入口17和引射出口18，所述电堆阀组21设有阳极入口20和阳极出口19，高压氢气通过所述高压供氢装置22减压后流入到所述单级喷射引射装置23的高压入口16，从单级喷射引射装置23的引射出口18流入到所述电堆阀组21的阳极入口20，再从所述电堆阀组21的阳极出口19流出至所述单级喷射引射装置23的引射入口17，使得单级引射氢循环系统形成一个回路。
优选的，上述高压供气装置22由高压氢气瓶组1、瓶口阀组2、压力调节阀3组成，高压氢气从所述高压氢气瓶组1通过所述瓶口阀组2流出，再通过压力调节阀3将高压氢气减压至燃料电池系统需要的压力范围，为单级喷射引射装置23提供氢气源。
优选的，上述单级喷射引射装置23由氢喷射器组5、喷射器组入口压力变送器4、喷射器组出口压力变送器6以及引射器8高度集成，所述氢喷射器组5由1-10个氢喷射器并联组成，各个喷射器的流量-压力特性曲线可以全部相同、全不相同或者部分相同，通过PWM脉冲宽度调制控制所述单级喷射引射装置23中所述氢喷射器组5中氢喷射器的开启数量、开启频率以及占空比，所述氢喷射器组中5各个氢喷射器的PWM脉冲宽度调制控制的占空比可以全不相同、全部相同或部分相同。
优选的，上述电堆阀组21由电堆11、电堆阳极入口压力变送器10、电堆阳极出口压力变送器15、水汽分离器14、排氢阀12、排水阀13、阳极入口20、阳极出口19组成，所述电堆阳极入口压力变送器10位于所述电堆11的阳极入口20与所述电堆11之间，所述电堆阳极出口压力变送器15、排水阀13、排氢阀12以及水汽分离器14均位于所述电堆11的阳极出口19与所述电堆11之间。
优选的，上述控制模9块根据电堆功率、电堆阳极入口压力变送器10和电堆阳极出口压力变送器15的信号，计算得出电堆11所需要的供气量，通过引射器8的性能Map图计算得到上述单级喷射引射装置23引射出口18需要流出的氢气量和从所述单级喷射引射装置23氢喷射器组5流入所述引射器8的氢气量。
优选的，上述控制模块9根据单级喷射引射装置23中的喷射器组入口压力变送器4、喷射器组出口压力变送器6信号来控制所述单级喷射引射装置23中氢喷射器组5中喷射器的开启数量、开启频率和占空比，确保所述喷射器组入口压力变送器4的压力满足使用要求，从而精确控制所述氢喷射器组5流入所述引射器8的氢气流量。
优选的，上述控制模块9的控制策略为检测单级引射氢循环系统中电堆功率、电堆阳极入口压力变送器10、电堆阳极出口压力变送器的信号15，推算出系统在该功率下所述电堆11需要的氢气量Qr，首先打开所述氢喷射器组5中喷射器的数量为n个，通过PWM脉冲宽度调制控制各个喷射器的占空比和频率来调整所述喷射器组入口压力变送器4的压力，根据所述喷射器组入口压力变送器4和所述喷射器组出口压力变送器6推算出此时从所述氢喷射器组5流出的氢气量Q，再匹配所述引射器8的引射比Map图可推算出此时流入所述电堆11阳极入口20的氢气量Qn，若流入所述电堆11阳极入口20的氢气量Qn小于系统在该功率下所述电堆11需要的氢气量Qr，则开启所述氢喷射器组5中喷射器的数量为n=n+1个，直至流入所述电堆11阳极入口20的氢气量Qn大于系统在该功率下所述电堆11需要的氢气量Qr，若所述电堆11的过量系数小于该功率下所述电堆11的过量系数下限值时，则开启所述氢喷射器组5中喷射器的数量为n=n+1个，若所述电堆11的过量系数大于该功率下所述电堆11的过量系数上限值时，则开启所述氢喷射器组5中喷射器的数量为n=n-1个，循环往复以上过程直至所述电堆11的过量系数介于该功率下所述电堆11的过量系数下限值和过量系数上限值之间。
优选的，上述单级喷射引射装置23的一种变形模式如图4所述，由喷射器组入口压力变送器4、氢喷射器组5、喷射器组出口压力变送器6、比例调节阀7和引射器8组成，上述控制模块9根据电堆功率以及电堆11阳极出口19的氢气过剩量来调节上述单级喷射引射装置23中的氢喷射器组5与引射器8之间的比例调节阀7，确保在某一瞬态工作状态时所述电堆11阳极入口20压力和流量始终满足要求，当所述电堆11阳极入口20压力或流量不稳定时，所述比例调节阀7将从所述氢喷射器组5流出的氢气部分或者全部直接通到所述电堆11阳极入口20处，少数或者没有气体从所述引射器8射流口流入。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种宽功率谱单级引射氢循环系统，其特征在于，包括高压供气装置、单级喷射引射装置、控制模块和电堆阀组，所述单级喷射引射装置设有高压入口、引射入口和引射出口，所述电堆阀组设有阳极入口和阳极出口，高压氢气通过所述高压供氢装置减压后流入到所述单级喷射引射装置的高压入口，从单级喷射引射装置的引射出口流入到所述电堆阀组的阳极入口，再从所述电堆阀组的阳极出口流出至所述单级喷射引射装置的引射入口，使得单级引射氢循环系统形成一个回路。
2.根据权利要求1所述的一种宽功率谱单级引射氢循环系统，其特征在于，上述高压供气装置由高压氢气瓶组、瓶口阀组、压力调节阀组成，高压氢气从所述高压氢气瓶组通过所述瓶口阀组流出，再通过压力调节阀将高压氢气减压至燃料电池系统需要的压力范围，为单级喷射引射装置提供氢气源。
3.根据权利要求1所述的一种宽功率谱单级引射氢循环系统，其特征在于，上述单级喷射引射装置由氢喷射器组、喷射器组入口压力变送器、喷射器组出口压力变送器以及引射器高度集成，所述氢喷射器组由1-10个氢喷射器并联组成，各个喷射器的流量-压力特性曲线可以全部相同、全不相同或者部分相同，通过PWM脉冲宽度调制控制所述单级喷射引射装置中所述氢喷射器组中氢喷射器的开启数量、开启频率以及占空比，所述氢喷射器组中各个氢喷射器的PWM脉冲宽度调制控制的占空比可以全不相同、全部相同或部分相同。
4.根据权利要求1所述的一种宽功率谱单级引射氢循环系统，其特征在于，上述电堆阀组由电堆、电堆阳极入口压力变送器、电堆阳极出口压力变送器、水汽分离器、排氢阀、排水阀、阳极入口、阳极出口组成，所述电堆阳极入口压力变送器位于所述电堆的阳极入口与所述电堆之间，所述电堆阳极出口压力变送器、排水阀、排氢阀以及水汽分离器均位于所述电堆的阳极出口与所述电堆之间。
5.根据权利要求1、3、4所述的一种宽功率谱单级引射氢循环系统，其特征在于，上述控制模块根据电堆功率、电堆阳极入口压力变送器和电堆阳极出口压力变送器的信号，计算得出电堆所需要的供气量，通过引射器的性能Map图计算得到上述单级喷射引射装置引射出口需要流出的氢气量和从所述单级喷射引射装置氢喷射器组流入所述引射器的氢气量。
6.根据权利要求1、3所述的一种宽功率谱单级引射氢循环系统，其特征在于，上述控制模块根据单级喷射引射装置中的喷射器组入口压力变送器、喷射器组出口压力变送器信号来控制所述单级喷射引射装置中氢喷射器组中喷射器的开启数量、开启频率和占空比，确保所述喷射器组入口压力变送器的压力满足使用要求，从而精确控制所述氢喷射器组流入所述引射器的氢气流量。
7.根据权利要求3-6所述的一种宽功率谱单级引射氢循环系统，其特征在于，上述控制模块的控制策略为检测单级引射氢循环系统中电堆功率、电堆阳极入口压力变送器、电堆阳极出口压力变送器的信号，推算出系统在该功率下所述电堆需要的氢气量Qr，首先打开所述氢喷射器组中喷射器的数量为n个，通过PWM脉冲宽度调制控制各个喷射器的占空比和频率来调整所述喷射器组入口压力变送器的压力，根据所述喷射器组入口压力变送器和所述喷射器组出口压力变送器推算出此时从所述氢喷射器组流出的氢气量Q，再匹配所述引射器的引射比Map图可推算出此时流入所述电堆阳极入口的氢气量Qn，若流入所述电堆阳极入口的氢气量Qn小于系统在该功率下所述电堆需要的氢气量Qr，则开启所述氢喷射器组中喷射器的数量为n=n+1个，直至流入所述电堆阳极入口的氢气量Qn大于系统在该功率下所述电堆需要的氢气量Qr，若所述电堆的过量系数小于该功率下所述电堆的过量系数下限值时，则开启所述氢喷射器组中喷射器的数量为n=n+1个，若所述电堆的过量系数大于该功率下所述电堆的过量系数上限值时，则开启所述氢喷射器组中喷射器的数量为n=n-1个，循环往复以上过程直至所述电堆的过量系数介于该功率下所述电堆的过量系数下限值和过量系数上限值之间。
8.根据权利要求1、3、4所述的一种宽功率谱单级引射氢循环系统，其特征在于，上述单级喷射引射装置的一种变形模式为由喷射器组入口压力变送器、氢喷射器组、喷射器组出口压力变送器、比例调节阀和引射器组成，上述控制模块根据电堆功率以及电堆阳极出口的氢气过剩量来调节上述单级喷射引射装置中的氢喷射器组与引射器之间的比例调节阀，确保在某一瞬态工作状态时所述电堆阳极入口压力和流量始终满足要求，当所述电堆阳极入口压力或流量不稳定时，所述比例调节阀将从所述氢喷射器组流出的氢气部分或者全部直接通到所述电堆阳极入口处，少数或者没有气体从所述引射器射流口流入。
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| CN202110021622.2A Pending CN114759228A (zh) | 2021-01-08 | 2021-01-08 | 一种宽功率谱单级引射氢循环系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115441014A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-12-06 | 中国船舶集团有限公司第七一一研究所 | 燃料电池系统及其控制方法 |
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2021
- 2021-01-08 CN CN202110021622.2A patent/CN114759228A/zh active Pending
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