CN116666706A - 一种精确控制燃料电池氢气计量比的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确控制燃料电池氢气计量比的方法及系统，其中方法包括以下步骤：数据监测：获取燃料电池氢循环系统中涡旋泵入口与引射器出口的压力、温度和湿度；参数计算：根据获取的温度分别得到对应的饱和蒸气压，并根据湿度和相对湿度公式分别计算出水蒸气的分压值，再根据获取的压力减去水蒸气的分压分别计算出对应的氢气分压，从而计算出氢气计量比；参数调整：将计算出的氢气计量比与设定值进行比较，若低于设定值，则提高涡旋泵转速使氢气循环量增加，直至达到设定值；若高于设定值，则降低涡旋泵转速直至达到设定值。本发明通过监测数据算出氢气计量比，通过调节涡旋泵转速灵活控制氢气循环量，保证系统能够安全稳定高效地运行。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种精确控制燃料电池氢气计量比的方法及系统。
背景技术
氢燃料电池是一种把氢气所具有的化学能直接转化电能的发电装置，因其具有能量转换效率高、产物水清洁无污染等优点，发展和应用前景广阔，在交通运输和能源领域愈发被重视。
在实际运用中需要将未参与反应的过量氢气加以循环利用，以提高氢气利用率及提升电堆排水性提升系统的经济性、稳定性性和发电效率。目前针对大功率燃料电池系统，常用的循环零部件为氢气循环泵和引射器，二者各有千秋。循环泵可进行主动控制，按工况要求精确控制氢气计量比，其中氢气计量比的定义为引射器出口氢气量/(引射器出口氢气流量-循环泵出口氢气流量)。但循环泵噪音较大，使用寿命有限，且存在寄生功耗，严重影响系统的输出功率和功率密度。引射器最大优势在于无寄生功耗，由于没有复杂的运动件，结构上更加简单可靠，且不存在漏油风险，并且它的体积比较小，成本也比较低，但引射能力往往存在一个最佳区间段。燃料电池在低负载运行时需求氢气流量较小，引射器引射性能较差，甚至不能发挥出引射能力，因而单引射器难以满足全工况范围的使用需求，引射器只能在较高负载时工作。此外引射器无法进行主动控制，单用引射器难以主动调节氢气计量比，易出现计量比过大或过小，从而造成气体浪费或无法保证系统正常反应耗氢需求。
因此，有必要兼顾引射器与循环泵各自的优势，设计出一套兼容引射器与循环泵的氢循环系统，实现电控单元对系统的主动控制，增加监测单元，保证控制的精确性和及时性。
目前业内常用的设计方案为罗茨式氢气循环泵(即罗茨泵)与引射器并联，该方案需要探索罗茨式氢气循环泵与引射器各自适用工况，以确定循环回路流量分配方案，还需要在引射器与循环泵各自支路增加单向阀或截止阀，防止气体倒流，设计方案的成本较高，占用空间大，不利于产品集成和批量化运用。单向阀和截止阀的引入还会对引射器的引射能力造成影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种精确控制燃料电池氢气计量比的方法及系统，通过所采集的数据推算出涡旋泵(即涡旋式氢气循环泵)入口和引射器出口氢气浓度，从而算出氢气计量比，通过调节涡旋泵转速灵活控制氢气循环量到所需值，保证燃料电池系统能够安全稳定高效地运行。
本发明采用的技术方案如下：
一种精确控制燃料电池氢气计量比的方法，包括以下步骤：
S1.数据监测：获取燃料电池氢循环系统中涡旋泵入口与引射器出口的压力、温度和湿度；
S2.参数计算：根据涡旋泵入口与引射器出口的温度分别得到对应的饱和蒸气压，并根据湿度和相对湿度公式分别计算出水蒸气的分压值，再根据涡旋泵入口与引射器出口的压力减去水蒸气的分压分别计算出对应的氢气分压，从而计算出氢气计量比；
S3.参数调整：将计算出的氢气计量比与设定值进行比较，若低于设定值，则提高涡旋泵转速使氢气循环量增加，直至达到设定值；若高于设定值，则降低涡旋泵转速使氢气循环量减少，直至达到设定值。
进一步地，步骤S1中，涡旋泵入口与引射器出口分别通过监测单元来监测气体管路的压力、温度和湿度。
进一步地，所述监测单元包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器，或包括温压一体传感器和温湿一体传感器。
进一步地，若引射器引射能力强，则停用涡旋泵，单用引射器实现对应工况设定的氢气计量比和压升，并根据实际氢气计量比的情况判断是否开启排气阀：若氢气计量比仍然大于设定值，则开启排气阀排出过量的气体；若引射器引射能力弱，则开启涡旋泵，通过涡旋泵和引射器共同作用实现对应工况设定的氢气计量比和压升。
进一步地，在开机吹扫和低载工况时，循环回路存在倒流风险，即气体通过引射器引射口流向涡旋泵再流入电堆，则开启涡旋泵并维持设定转速。
进一步地，当燃料电池氢循环系统需要加载运行时，则启动涡旋泵或提高涡旋泵转速，使氢气计量比满足加载后工况点的需求；加载完成后，根据引射器工作情况关闭涡旋泵或调节涡旋泵转速。
进一步地，当燃料电池氢循环系统需要降载运行时，若降载前涡旋泵未工作，降载时氢气计量比未增加，则暂不开启涡旋泵，待氢气计量比不足再开启涡旋泵；若降载前涡旋泵处于工作状态，则降载时降低涡旋泵转速，调节氢气计量比至需求值。
一种精确控制燃料电池氢气计量比的系统，所述系统包括引射器、涡旋泵、电堆、第一监测单元和第二监测单元，其中引射器入口接入氢气，引射器出口通过第一监测单元连接电堆阳极入口，电堆阳极出口通过第二监测单元连接涡旋泵入口，涡旋泵出口连接引射器入口。
进一步地，所述第一监测单元和第二监测单元均包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器，或均包括温压一体传感器和温湿一体传感器。
进一步地，所述系统还包括气水分离器、排水阀和排气阀，气水分离器入口连接电堆阳极出口，气水分离器出口连接第一监测单元，排水阀和排气阀分别连接气水分离器。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明根据监测数据推算得到氢气计量比并作为实际值，当实际值低于设定值时，提高涡旋泵转速以提高循环量直至达到设定值；当实际值高于设定值时，降低涡旋泵转速直至达到设定值。该方法弥补了单用引射器时无法主动控制的缺陷，始终保证氢循环系统的循环比在设定范围，在保证氢气顺利被循环利用的同时，还保障了系统的平稳运行，节约了运行成本，延长了系统使用寿命。
(2)本发明通过引射器与涡旋泵实现气体循环的需求，根据监测单元所采集的数据实时调节循环系统中的电控类部件，从而精准地控制氢气计量比，可节约氢气能耗，减小系统寄生功耗，提高系统输出的功率。
(3)本发明通过监测循环回路与主路湿度、温度与压力，推算出氢气计量比，将计量比实际值与设定值对比，实时调整运行参数，实现了循环系统的精确控制，避免了氢气量过大或过小对系统运行的影响，节省了系统运行的成本，提高了系统实用性、可操作性和可靠性。
(4)本发明用涡旋泵代替罗茨泵，并与引射器串联，既弥补了引射器在燃料电池低载工况下可能存在的引射能力不足的问题，又避免了高载工况下罗茨泵噪音大，寄生功耗大，降低燃料电池系统输出功率的问题。同时，由于未工作时，流体流经涡旋泵的流阻较小，远小于罗茨泵，用涡旋泵代替罗茨泵，可减小流阻对引射器性能的影响。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种精确控制燃料电池氢气计量比的方法流程图。
图2是本发明实施例2的一种精确控制燃料电池氢气计量比的系统原理图。
附图标记：1-电堆，2-气水分离器，3-排水阀，4-排气阀，5-涡旋泵，6-引射器，7-温度传感器，8-压力传感器，9-湿度传感器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1
本实施例提供了一种精确控制燃料电池氢气计量比的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1.数据监测：获取燃料电池氢循环系统中涡旋泵(即涡旋式氢气循环泵)入口与引射器出口的压力、温度和湿度；
S2.参数计算：根据涡旋泵入口与引射器出口的温度分别得到对应的饱和蒸气压，并根据湿度和相对湿度公式分别计算出水蒸气的分压值，再根据涡旋泵入口与引射器出口的压力减去水蒸气的分压分别计算出对应的氢气分压，从而计算出氢气计量比，其中氢气计量比的定义为引射器出口氢气量/(引射器出口氢气流量-涡旋泵出口氢气流量)；
S3.参数调整：将计算出的氢气计量比与设定值进行比较，若低于设定值，则提高涡旋泵转速使氢气循环量增加，直至达到设定值；若高于设定值，则降低涡旋泵转速使氢气循环量减少，直至达到设定值。此方法弥补了单用引射器时无法主动控制的缺陷，始终保证燃料电池氢循环系统的氢气计量比在设定范围，在保证氢气顺利被循环利用的同时，还保障了系统的平稳运行。
优选地，涡旋泵入口与引射器出口分别通过监测单元来监测气体管路的压力、温度和湿度。更为优选地，该监测单元可采用压力传感器、温度传感器和湿度传感器，亦可采用温压一体传感器、温湿一体传感器或其他监测设备。
优选地，本实施例还提供了引射器与涡旋泵联合控制氢气循环的方法：若引射器引射能力强，则停用涡旋泵，单用引射器实现对应工况设定的氢气计量比和压升，并根据实际氢气计量比的情况判断是否开启排气阀：若氢气计量比仍然大于设定值，则开启排气阀排出过量的气体；若引射器引射能力弱(例如低载工况情形)，则可开启涡旋泵，通过涡旋泵和引射器共同作用实现对应工况设定的氢气计量比和压升。
优选地，本实施例还提供了燃料电池氢循环系统防倒流的控制方法：在开机吹扫和低载工况时，因气体流量较小，涡旋式循环回路流阻较小，可能小于电堆流阻，循环回路存在倒流的可能性，此时为保障系统长期稳定运行和精确控制氢气计量比方法的顺利实施，需要开启涡旋泵并维持设定转速，防止倒流的发生。
优选地，本实施例还提供了燃料电池氢循环系统快速变载的控制方法：
(1)当燃料电池氢循环系统需要加载运行时，则启动涡旋泵或提高涡旋泵转速，使氢气计量比满足加载后工况点的需求；加载完成后，根据引射器工作情况关闭涡旋泵或调节涡旋泵转速。
(2)当燃料电池氢循环系统需要降载运行时，若降载前涡旋泵未工作，降载时氢气计量比未增加，则暂不开启涡旋泵，待氢气计量比不足再开启涡旋泵；若降载前涡旋泵处于工作状态，则降载时降低涡旋泵转速，调节氢气计量比至需求值。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上：
本实施例提供了一种精确控制燃料电池氢气计量比的系统，如图2所示，该系统包括引射器、涡旋泵、电堆、第一监测单元和第二监测单元，其中引射器入口接入氢气，引射器出口通过第一监测单元连接电堆阳极入口，电堆阳极出口通过第二监测单元连接涡旋泵入口，涡旋泵出口连接引射器入口。
优选地，第一监测单元和第二监测单元均可采用压力传感器、温度传感器和湿度传感器，亦可采用温压一体传感器、温湿一体传感器或其他监测设备。
优选地，该系统还包括气水分离器、排水阀和排气阀，气水分离器入口连接电堆阳极出口，气水分离器出口连接第一监测单元，排水阀和排气阀分别连接气水分离器。
优选地，该系统还包括控制单元，用于收集第一监测单元和第二监测单元所采集的数据并作出计算和判断，适时地向电控部件(涡旋泵和排气阀等)发出指令。控制单元的信号输入端连接第一监测单元和第二监测单元，且信号输出端连接并控制涡旋泵和排气阀等电控部件。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
Claims (10)
1.一种精确控制燃料电池氢气计量比的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.数据监测：获取燃料电池氢循环系统中涡旋泵入口与引射器出口的压力、温度和湿度；
S2.参数计算：根据涡旋泵入口与引射器出口的温度分别得到对应的饱和蒸气压，并根据湿度和相对湿度公式分别计算出水蒸气的分压值，再根据涡旋泵入口与引射器出口的压力减去水蒸气的分压分别计算出对应的氢气分压，从而计算出氢气计量比；
S3.参数调整：将计算出的氢气计量比与设定值进行比较，若低于设定值，则提高涡旋泵转速使氢气循环量增加，直至达到设定值；若高于设定值，则降低涡旋泵转速使氢气循环量减少，直至达到设定值。
2.根据权利要求1所述的精确控制燃料电池氢气计量比的方法，其特征在于，步骤S1中，涡旋泵入口与引射器出口分别通过监测单元来监测气体管路的压力、温度和湿度。
3.根据权利要求2所述的精确控制燃料电池氢气计量比的方法，其特征在于，所述监测单元包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器，或包括温压一体传感器和温湿一体传感器。
4.根据权利要求1所述的精确控制燃料电池氢气计量比的方法，其特征在于，若引射器引射能力强，则停用涡旋泵，单用引射器实现对应工况设定的氢气计量比和压升，并根据实际氢气计量比的情况判断是否开启排气阀：若氢气计量比仍然大于设定值，则开启排气阀排出过量的气体；若引射器引射能力弱，则开启涡旋泵，通过涡旋泵和引射器共同作用实现对应工况设定的氢气计量比和压升。
5.根据权利要求1所述的精确控制燃料电池氢气计量比的方法，其特征在于，在开机吹扫和低载工况时，循环回路存在倒流风险，即气体通过引射器引射口流向涡旋泵再流入电堆，则开启涡旋泵并维持设定转速。
6.根据权利要求1所述的精确控制燃料电池氢气计量比的方法，其特征在于，当燃料电池氢循环系统需要加载运行时，则启动涡旋泵或提高涡旋泵转速，使氢气计量比满足加载后工况点的需求；加载完成后，根据引射器工作情况关闭涡旋泵或调节涡旋泵转速。
7.根据权利要求1所述的精确控制燃料电池氢气计量比的方法，其特征在于，当燃料电池氢循环系统需要降载运行时，若降载前涡旋泵未工作，降载时氢气计量比未增加，则暂不开启涡旋泵，待氢气计量比不足再开启涡旋泵；若降载前涡旋泵处于工作状态，则降载时降低涡旋泵转速，调节氢气计量比至需求值。
8.一种精确控制燃料电池氢气计量比的系统，应用于权利要求1所述的精确控制燃料电池氢气计量比的方法，其特征在于，所述系统包括引射器、涡旋泵、电堆、第一监测单元和第二监测单元，其中引射器入口接入氢气，引射器出口通过第一监测单元连接电堆阳极入口，电堆阳极出口通过第二监测单元连接涡旋泵入口，涡旋泵出口连接引射器入口。
9.根据权利要求8所述的精确控制燃料电池氢气计量比的系统，其特征在于，所述第一监测单元和第二监测单元均包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器，或均包括温压一体传感器和温湿一体传感器。
10.根据权利要求8所述的精确控制燃料电池氢气计量比的系统，其特征在于，所述系统还包括气水分离器、排水阀和排气阀，气水分离器入口连接电堆阳极出口，气水分离器出口连接第一监测单元，排水阀和排气阀分别连接气水分离器。
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