CN115377456A - 一种燃料电池氢气循环系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池氢气循环系统及其控制方法，系统包括电堆、供氢单元、氢气比例阀、引射器旁通阀、引射器、气水分离器、功率检测模块、温度检测模块和控制器，燃料电池系统运行过程中，每隔限定时间段，功率检测模块检测电堆的发电功率和温度检测模块检测供氢单元的供氢温度；当电堆功率大于功率阈值且供氢温度小于温度阈值时，控制器开启引射器旁通阀；当电堆功率小于等于功率阈值，或供氢温度大于等于温度阈值时，控制器关闭引射器旁通阀。本发明通过对引射器外设引射器旁通阀，控制引射器旁通阀的开关，从而防止高功率下在电堆氢气入口产生积水。

Description

一种燃料电池氢气循环系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，特别涉及一种燃料电池氢气循环系统及其控制方法。
背景技术
氢燃料，是一种清洁、无污染的可再生能源，正在被越来越多的领域使用。氢燃料电池可以将氢气转化为电能和热能，氢燃料电池在工作时，不仅发电效率高，而且具有噪音小、无污染等优点。
燃料电池电堆是由多片单电池叠加而成，在燃料电池电堆内部分成阳极和阴极，阳极通入氢气，阴极通入空气。燃料电池系统运行发电过程中，氢气经过引射器进入电堆阳极，反应后的气水混合物从电堆排出，经气水分离器将液态水分离，然后剩余的尾气再循环进入引射器，与氢气混合后再次进入电堆阳极。当燃料电池系统高功率发电时，再循环流量大，如果在低温环境下，则供氢温度低，低温的氢气与饱和湿度的尾气混合后将产生冷凝形成大的水滴，大水滴沿管壁进入阳极后容易堵塞阳极的单电池氢气入口（尤其是位于电堆端部的单电池），造成单电池供氢不足而电压下降，从而影响燃料电池系统的正常发电。
目前有燃料电池系统通过预热器提高供给氢气温度，试图减少冷凝水量，但预热器体积较大，且增加了系统复杂度，在低功率工况下，高供给氢气温度甚至会造成电堆的过度干燥，影响电堆的寿命。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池氢气循环系统及其控制方法，通过对引射器外设引射器旁通阀，控制引射器旁通阀的开启与关闭，从而防止高功率下在电堆氢气入口产生积水。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池氢气循环系统，包括电堆、供氢单元、氢气比例阀、引射器和气水分离器，电堆包括氢气入口和氢气出口，所述燃料电池氢气循环系统还包括引射器旁通阀、功率检测模块、温度检测模块和控制器；
所述供氢单元、氢气比例阀、引射器和电堆的氢气入口依次连接；所述引射器旁通阀连接氢气比例阀和电堆的氢气入口；所述电堆的氢气出口气水分离器，所述气水分离器连接引射器；所述控制器连接功率检测模块、温度检测模块、氢气比例阀和引射器旁通阀，所述功率检测模块连接电堆，所述温度检测模块连接供氢单元；
功率检测模块用于检测电堆的发电功率；
温度检测模块用于检测供氢单元的供氢温度；
控制器用于控制引射器旁通阀的开关，具体方式为：燃料电池系统运行过程中，每隔限定时间段，功率检测模块检测电堆的发电功率和温度检测模块检测供氢单元的供氢温度；当电堆功率大于功率阈值且供氢温度小于温度阈值时，控制器开启引射器旁通阀；当电堆功率小于等于功率阈值，或供氢温度大于等于温度阈值时，控制器关闭引射器旁通阀。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环系统，其特征在于，还包括阳极入口管路和旁通出口管路，所述引射器通过阳极入口管路连接电堆的氢气入口，所述引射器旁通阀通过旁通出口管路连接阳极入口管路，所述旁通出口管路垂直连接阳极入口管路，且旁通出口管路末端为渐缩喷嘴形状。
本发明另一目的是提供一种燃料电池氢气循环系统的控制方法，其运行于燃料电池氢气循环系统，包括以下步骤：
燃料电池系统运行过程中，每隔限定时间段，检测电堆的发电功率和供氢单元的供氢温度；当电堆功率大于功率阈值且供氢温度小于温度阈值时，开启引射器旁通阀；当电堆功率小于等于功率阈值，或供氢温度大于等于温度阈值时，关闭引射器旁通阀。
进一步的，所述开启引射器旁通阀，具体方式为：
在设定时间段内，控制器控制引射器旁通阀以规定频率进行打开与闭合，而具体的规定频率通过标定来确定；或者，在规定时间段内，控制器控制引射器旁通阀维持打开。
进一步的，所述设定时间段等于规定时间段。
进一步的，所述燃料电池氢气循环系统还包括阳极入口管路和旁通出口管路，所述引射器通过阳极入口管路连接电堆的氢气入口，所述引射器旁通阀通过旁通出口管路连接阳极入口管路，所述旁通出口管路垂直连接阳极入口管路，且旁通出口管路末端为渐缩喷嘴形状；
开启引射器旁通阀时，旁通出口管路的氢气垂直射向阳极入口管路的气液混合流。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过对引射器外设引射器旁通阀，在电堆功率大于功率阈值且供氢温度小于温度阈值时，控制引射器旁通阀的开关闭，从而防止高功率下在电堆氢气入口产生积水；本发明通过设置旁通出口管路14垂直连接阳极入口管路13，且旁通出口管路14的末端为渐缩喷嘴形状，从旁通出口管路14出来的氢气可以垂直高速射向阳极入口管路13的气液混合流（气体夹带冷凝水滴），从而搅碎气流夹带的大的冷凝水滴，使得冷凝水滴以小颗粒的雾状形态均匀分布在混合气体中。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池氢气循环系统的结构示意图。
图2为本发明旁通出口管路末端的结构示意图。
图3为本发明一种燃料电池氢气循环系统的控制方法步骤流程图。
图4为实施例2中引射器旁通阀以规定频率打开与闭合的状态显示图。
图5为实施例2中引射器旁通阀在规定时间段内打开的状态示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示 本实施例公开一种燃料电池氢气循环系统，包括电堆1、供氢单元2、氢气比例阀3、引射器旁通阀4、引射器5、气水分离器6、功率检测模块7、温度检测模块8和控制器9，电堆1包括氢气入口和氢气出口；供氢单元2、氢气比例阀3、引射器5和电堆1的氢气入口依次连接；引射器旁通阀4连接氢气比例阀3和电堆1的氢气入口，即引射器旁通阀4和引射器5为并联结构；电堆1的氢气出口气水分离器6，气水分离器6连接引射器5；控制器9连接功率检测模块7、温度检测模块8、氢气比例阀3和引射器旁通阀4，功率检测模块7连接电堆1，温度检测模块8连接供氢单元2。
所述燃料电池氢气循环系统还包括供氢管路10、引射器入口管路11、旁通入口管路12、阳极入口管路13、旁通出口管路14、阳极出口管路15和再循环管路16，供氢单元2通过供氢管路10连接氢气比例阀3，氢气比例阀3通过引射器入口管路11连接引射器5，氢气比例阀3通过旁通入口管路12连接引射器旁通阀4，引射器5通过阳极入口管路13连接电堆1的氢气入口，引射器旁通阀4通过旁通出口管路14连接阳极入口管路13，优选的，旁通出口管路14垂直连接阳极入口管路13，且旁通出口管路14的末端为渐缩喷嘴形状，如图2所示，旁通出口管路14的高压氢气通过渐缩喷嘴后，压力势能转化为动能，从而能以高速射流状态（可以超音速）喷出。
功率检测模块7用于检测电堆1的发电功率。
温度检测模块8用于检测供氢单元2的供氢温度。
控制器9用于控制引射器旁通阀4的开关，具体方式为：燃料电池系统运行过程中，每隔限定时间段，功率检测模块7检测电堆1的发电功率和温度检测模块8检测供氢单元2的供氢温度；当电堆1功率大于功率阈值且供氢温度小于温度阈值时，控制器9开启引射器旁通阀4；当电堆功率小于等于功率阈值，或供氢温度大于等于温度阈值时，控制器9关闭引射器旁通阀4。
实施例2
本实施例是在实施例1燃料电池氢气循环系统的基础上公开一种燃料电池氢气循环系统的控制方法，如图3所示，步骤包括：
燃料电池系统运行过程中，引射器旁通阀4初始状态为关闭，供氢单元2供应高速流量的氢气进入氢气比例阀3，氢气比例阀3控制氢气流量，并将氢气输入至引射器5，引射器5通过阳极入口管路13将氢气输入电堆1，从电堆1出来的气液混合流（气体夹带冷凝水滴，可能还会带有一定的氮气）进入气水分离器6，气水分离器6对气液混合流进行气液分离，并将分离的气体输入引射器5进行循环利用，而分离的高温的含饱和水蒸气的气体与引射器5喷出的低温氢气混合后，会产生冷凝水滴，即重新形成了气液混合流，会有大冷凝水滴在引射器5的内部聚合，并进入阳极入口管路13；
每隔限定时间段，功率检测模块7检测电堆1的发电功率和温度检测模块8用于检测供氢单元2的供氢温度；当电堆1功率大于功率阈值且供氢温度小于温度阈值时，控制器9开启引射器旁通阀4；当电堆功率小于等于功率阈值，或供氢温度大于等于温度阈值时，控制器9关闭引射器旁通阀4。其中，开启引射器旁通阀4时，由于旁通出口管路14垂直连接阳极入口管路13，从旁通出口管路14末端渐缩喷嘴喷出的氢气垂直射向阳极入口管路13的气液混合流。
上述中，当电堆1功率大于功率阈值且供氢温度小于温度阈值时，控制器9开启引射器旁通阀4，其中，开启引射器旁通阀4具体方式为：如图4所示，在设定时间段内，控制器9控制引射器旁通阀4以规定频率进行打开与闭合，而具体的规定频率通过标定来确定；或者，如图5所示，在规定时间段内，控制器9控制引射器旁通阀4一直打开。优选的，设定时间段等于规定时间段。
上述中，当引射器旁通阀4处于开启状态时，从氢气比例阀3出来的氢气，一部分氢气通过旁通入口管路12进入引射器旁通阀4，另一部分氢气通过引射器入口管路11进入引射器5，从而导致通过引射器5的氢气流量减少，而引射器5喷氢流量减小后，就会导致从再循环管路16引射进来引射器5的氢气流量也会降低，电堆1阳极再循环流量减小，就可以使得再循环尾气与氢气混合后的冷凝水量减小；另外，由于旁通出口管路14垂直连接阳极入口管路13，从旁通出口管路14末端渐缩喷嘴喷出的氢气可以垂直高速射向阳极入口管路13的气液混合流（气体夹带冷凝水滴），从而搅碎气流夹带的大的冷凝水滴，使得冷凝水滴以小颗粒的雾状形态均匀分布在混合气体中；在以上综合作用下，降低了电堆1的单电池氢气入口积水的可能性，从而保证电堆1的正常稳定运行。
本实施例的目的是通过降低燃料电池氢气循环系统再循环氢气流量从而减少进入电堆阳极的冷凝水量，同时在阳极入口管路13抑制大水滴的形成，从而防止高功率下在电堆单电池氢气入口产生积水。
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，可以理解的是，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等效的变化、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 (6)

1.一种燃料电池氢气循环系统，包括电堆、供氢单元、氢气比例阀、引射器和气水分离器，电堆包括氢气入口和氢气出口，其特征在于，所述燃料电池氢气循环系统还包括引射器旁通阀、功率检测模块、温度检测模块和控制器；
所述供氢单元、氢气比例阀、引射器和电堆的氢气入口依次连接；所述引射器旁通阀连接氢气比例阀和电堆的氢气入口；所述电堆的氢气出口气水分离器，所述气水分离器连接引射器；所述控制器连接功率检测模块、温度检测模块、氢气比例阀和引射器旁通阀，所述功率检测模块连接电堆，所述温度检测模块连接供氢单元；
功率检测模块用于检测电堆的发电功率；
温度检测模块用于检测供氢单元的供氢温度；
控制器用于控制引射器旁通阀的开关，具体方式为：燃料电池系统运行过程中，每隔限定时间段，功率检测模块检测电堆的发电功率和温度检测模块检测供氢单元的供氢温度；当电堆功率大于功率阈值且供氢温度小于温度阈值时，控制器开启引射器旁通阀；当电堆功率小于等于功率阈值，或供氢温度大于等于温度阈值时，控制器关闭引射器旁通阀。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环系统，其特征在于，还包括阳极入口管路和旁通出口管路，所述引射器通过阳极入口管路连接电堆的氢气入口，所述引射器旁通阀通过旁通出口管路连接阳极入口管路，所述旁通出口管路垂直连接阳极入口管路，且旁通出口管路末端为渐缩喷嘴形状。
3.一种燃料电池氢气循环系统的控制方法，其运行于权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，包括以下步骤：
燃料电池系统运行过程中，每隔限定时间段，检测电堆的发电功率和供氢单元的供氢温度；当电堆功率大于功率阈值且供氢温度小于温度阈值时，开启引射器旁通阀；当电堆功率小于等于功率阈值，或供氢温度大于等于温度阈值时，关闭引射器旁通阀。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池氢气循环系统的控制方法，其特征在于，所述开启引射器旁通阀，具体方式为：
在设定时间段内，控制器控制引射器旁通阀以规定频率进行打开与闭合，而具体的规定频率通过标定来确定；或者，在规定时间段内，控制器控制引射器旁通阀维持打开。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池氢气循环系统的控制方法，其特征在于，所述设定时间段等于规定时间段。
6.根据权利要求3所述的一种燃料电池氢气循环系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池氢气循环系统还包括阳极入口管路和旁通出口管路，所述引射器通过阳极入口管路连接电堆的氢气入口，所述引射器旁通阀通过旁通出口管路连接阳极入口管路，所述旁通出口管路垂直连接阳极入口管路，且旁通出口管路末端为渐缩喷嘴形状；
开启引射器旁通阀时，旁通出口管路的氢气垂直射向阳极入口管路的气液混合流。
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