一种用于燃料电池氢气供应及循环的系统的制作方法

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池氢气供应及循环的系统。

背景技术：

燃料电池技术是一种新能源行业，在未来车行业应用中具有较好前景。

在燃料电池系统子系统氢气系统中，通常采用的比例阀和循环泵提供和循环氢气。这存在一定的弊端。比例阀控制氢气流量的方式是通过pid控制，根据压降来匹配流量和占空比，这使得氢气流量的供应无法达到精准，同时控制响应时间较长。

但是，循环泵在循环氢气的过程中，存在一定的功耗。当系统的功率越大，循环的氢气量也增大时，循环泵的转速也会跟着增大，此时，循环泵的整体功耗就会加大，进而增大了整个系统的功耗，同时增加了整个系统管路的连接，系统体积较大。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种持续稳定，简单易控的氢气供应及循环的系统。

为了实现本实用新型之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种用于燃料电池氢气供应及循环的系统，所述系统包括燃料电池，在所述燃料电池的氢气入口处依次连接氢气源、减压阀、喷射器、引射器以及进氢电磁阀，所述引射器设有进料口、排料口、循环口a以及循环口b连接，所述进料口与喷射器连接，所述排料口与进氢电磁阀连接，在所述燃料电池的氢气出口处连接有三通阀，所述三通阀的一个出口通过排氢管路连接尾气处理单元，所述三通阀的另一个出口连接水汽分离器，所述水汽分离器的底部连接排氢管路，所述水汽分离器的顶部分别与循环口a以及循环口b，且在水汽分离器与循环口b的连接管路上设有循环电磁阀。本申请采用喷射器来控制氢气的喷射量，根据加载电流需求和电流变化率计算所需氢气流量，从而使用喷射器提供所需氢气量，这改变了传统使用的调节比例阀占空比控制流量，使控制时间缩短，响应快，可适应大小功率任意快速转变。同时，由于供应氢气计量比大于1(计量比＝(喷射器喷射量+水汽分离器循环氢气量)/喷射器喷射量)，剩余的氢气从电堆出口经水汽分离器后通过引射器引射回燃料电池。引射氢气回燃料电池分为两路，当低功率段时，使用循环口a循环，当高功率段时，同时采用循环口a和循环口b共同运转。喷射器和引射器的结合，降低了系统的整体功耗、提高了氢气的回收利用率、缩小了系统体积、提高了氢气供应量的可控性、缩短了控制时间、节约了系统成本、减少了系统管路长度，提高了整体气密性。

在第一方面的一种实施方式中，所述三通阀的一个出口通过排氢管路连接尾气处理单元，且在所述排氢管路上设有排氢电磁阀；所述水汽分离器的底部和排氢管路之间设有排水电磁阀。

在第一方面的一种实施方式中，所述燃料电池的氢气入口处和氢气出口处均设有温度传感器和压力传感器。此处的温度传感器和压力传感器用于监控燃料电池氢气入口处及氢气出口处的温度和压力，避免进入燃料电池的氢气压力过大、温度失调，提高燃料电池发电性能；同时便于策略的调控和改变。

在第一方面的一种实施方式中，所述燃料电池的氢气入口处和氢气出口处之间设有泄压支路，且在所述泄压支路上设置泄压阀。一般来说，当燃料电池氢气出口处的压力1.7bar时，开启泄压阀进行泄压。

在第一方面的一种实施方式中，所述系统设有吹扫单元，所述吹扫单元包括氮气源，所述氮气源与氢气源并列设置，且氮气源与减压阀连接，且在连接管路上设置单向阀。

上述系统进行的用于燃料电池氢气供应及循环的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)控制喷射器的喷射氢气量和进口压力，得到该喷射器进口压力与出口流量的关系l-p，然后将所述喷射器安装在系统内；即根据氢气流量需求值控制喷射器喷射氢气，可以精准控制压力和流量。这种控制方式避免了根据比例阀后端压强反馈情况来进行pid控制；

(2)启动燃料电池，调节喷射器的喷射量，实时监控喷射器的进口压力p1，实时监控燃料电池的输出电流i1；

(3)根据l-p，利用喷射器进口压力p1得到喷射器的出口流量l1；

(4)根据燃料电池的输出电流i1，实时计算所述燃料电池的功率w＝u*i1*n，其中，u为燃料电池中每一片单电池的输出电压，n为燃料电池中单片电池的数量；

(5)当燃料电池的功率为小功率时，关闭循环电磁阀，使得水汽分离器仅与循环口a连通，当燃料电池的功率为大功率时，打开循环电磁阀，使得水汽分离器同时与循环口a和循环口b连通；

(6)当燃料电池的功率达到额定功率时，并保持功率不再变化时，保持喷射器的喷射量恒定。

在本申请中，通过控制压力来调节流量，压力和流量是成正比的，因此需事先将喷射器的压力和流量对应数值测出来。在实际测试中找到需要的流量对应的压力值是多少，从而控制住压力。

当燃料电池氢气进气量不同时，燃料电池的输出电流不同，具体计算公式如下：

氢气流量＝(6.96*i1*n)*计量比/1000；

计量比＝(喷射器喷射量+水汽分离器循环氢气量)/喷射器喷射量，计量比一般取值为1.2～1.6，根据实际情况进行调节；

其中6.96通过如下方式计算得到：

(1)根据法拉第定律，1mol物质含有的电荷量为96500c；

(2)根据库仑定律，1安培＝1库仑每秒；

(3)产生1安培电流需要1/96500mol氢气，气体摩尔体积为22400ml/mol；

(4)因此需要的氢气流量为1/96500*22400/2*60＝6.96l/min

通过上述公式通过电流计算出来的流量。

同时燃料电池的功率为w＝u*i1*n，因此就有了功率，电流和流量对应关系，加上喷射器压力和流量的关系，找到对应点，就有了功率和电流、压力的关系，因此可通过压力传感器的压力值来稳住不同功率所需要的压力，即只要达到目标功率的压力值就能得到这个功率的燃料电池。

在第二方面的一种实施方式中，所述大功率和小功率的分界点为50kw。由于引射器每个循环口的进气量存在一定上限，而氢气流量越大，燃料电池的输出功率越大，因此，当燃料电池的功率达到一定数值后，一个循环口已经无法通过足够量的氢气，因此开启第二个循环口。经实际测定，该分界点为50kw左右。

在第二方面的一种实施方式中，当所述燃料电池出现水淹现象时，对燃料电池进行排水操作，并降低喷射器的氢气喷射量，再逐渐恢复喷射器的喷射量。

在第二方面的一种实施方式中，所述燃料电池的氢气入口处和氢气出口处之间设有泄压支路，且在所述泄压支路上设置泄压阀；当燃料电池的氢气入口处和氢气出口处的压力过大时，打开泄压阀进行泄压，保护燃料电池电堆不会收到高负荷压力冲击而损坏。

在第二方面的一种实施方式中，所述系统设有吹扫单元，所述吹扫单元包括氮气源，所述氮气源与氢气源并列设置，且氮气源与减压阀连接，且在连接管路上设置单向阀；当燃料电池工作结束后，关闭氢气源，打开单向阀和氮气源，利用氮气吹扫所述系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

氢喷和引射器的结合，降低了系统的整体功耗、提高了氢气的回收利用率、缩小了系统体积、提高了氢气供应量的可控性、缩短了控制时间、节约了系统成本、减少了系统管路长度，提高了整体气密性。

附图说明

图1为本申请系统的结构示意图。

在附图中，1为氢气瓶，2为氢气瓶减压阀，3为减压阀，4为第三压力传感器，5为喷射器，6为引射器，7为进氢电磁阀，8为第一温度传感器，9为第一压力传感器，10为泄压阀，11为燃料电池，12为第二压力传感器，13为第二温度传感器，14为排水电磁阀，15为排氢电磁阀，16为水汽分离器，17为循环电磁阀，18为循环口a，19为循环口b，20为氮气瓶，21为氮气瓶减压阀，22为单向阀。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本实用新型的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本实用新型的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型专利提供的一种燃料电池供应氢气及循环氢气的系统。其中，减压器、喷射器、引射器、进氢电磁阀都在燃料电池进气端，水汽分离器、氢气进口不锈钢管道、氢气出口不锈钢管道、进氢电磁阀都在燃料电池出口端，并再与进氢管路相连，水汽分离器出口分别与引射器的循环口和相连，同时尾排与泄压阀、排水电磁阀与排氢管路相连。

当系统处于低功率段时，计算所得的氢气量，从而调节喷射器的流量和喷射器后端的氢气出口压力，经过引射器进入电堆。而后剩余的氢气经过水汽分离器，采用引射器将其通过循环口引射会电堆，继续反应，生成的水由水汽分离器的电磁阀释放。当系统处于大功率段时，及时调整喷射器的供应氢气量，同时通过引射器进入燃料电池堆，剩余氢气则通过水汽分离器，分别返回到引射器循环口和循环口处，两个循环口重新将流量汇流，再次送入电堆。

氢气喷射器可以调节氢气流量和氢气入口压力，实现快速响应，稳态供应氢气。

采用引射器，通过两个循环口实现高功率段和低功率段的循环。

当压力超过一定值时，燃料电池电堆的泄压阀自动打开，保护燃料电池电堆不会收到高负荷压力冲击而损坏。

当系统关机时，开启氮气进气阀，进行吹扫。

氢气的提供源头是氢气瓶，气体出来经减压阀进入喷射器，再由喷射器调节，从而提高稳定的氢气和所需的氢气压力。

在电堆出口处装有温度传感器、压力传感器，可实时监测电堆出口处的温度和压力，并根据将数值作为控制系统的一个依据。

实施例

下面将对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种用于燃料电池氢气供应及循环的系统，其结构如图1所示，包括一个燃料电池11，该燃料电池11含有氢气进口和氢气出口，在氢气进口设有进氢管路，在氢气出口设有排氢管路。其中，进氢管路依次包括氢气瓶1、氢气瓶减压阀2、减压阀3、第三压力传感器4、喷射器5、引射器6、进氢电磁阀7、第一温度传感器8和第一压力传感器9。排氢管路依次设有第二压力传感器12和第二温度传感器13，然后分成两路，第一路设有排氢电磁阀15，第二路设有水汽分离器16，水汽分离器16的底部设有排水电磁阀14，并与排氢电磁阀15后的排氢管路汇合；水汽分离器16的顶部分别与引射器6的循环口a18及循环口b19连接，且在与循环口b19连接的管路上设置循环电磁阀17。

在氢气进口和氢气出口之间设有泄压支路，并在泄压支路上设置泄压阀10。该系统还包括一个吹扫单元，该吹扫单元依次包括氮气瓶20、氮气瓶减压阀21和单向阀22，单向阀22的出口与减压阀3的进口连接。

上述系统的工作过程如下：

(1)获取喷射器5进口压力与氢气喷射量之间的关系l-p；

(2)启动燃料电池11，调节喷射器5的喷射量，实时监控喷射器5的进口压力p1，实时监控燃料电池11的输出电流i1；

(3)根据l-p，利用喷射器5进口压力p1得到喷射器5的出口流量l1；

(4)根据燃料电池11的输出电流i1，实时计算所述燃料电池11的功率w＝u*i1*n，其中，u为燃料电池11中每一片单电池的输出电压，在本实施例中，单片电池的电压为0.65v，该电压由单片电池本身结构决定，与氢气量多少无关；n为燃料电池11中单片电池的数量，在本实施例中，单片电池的数量为240片；

(5)当燃料电池11的功率小于50kw时，关闭循环电磁阀17，使得水汽分离器16仅与循环口a18连通，当燃料电池11的功率大于50kw且小于60kw(本实施例燃料电池的额定输出功率为60kw)时，打开循环电磁阀17，使得水汽分离器16同时与循环口a18和循环口b19连通；在此过程中，计量比为1.5；

(6)当燃料电池11的功率达到额定功率时(60kw)，并保持功率不再变化时，保持喷射器5的喷射量恒定；

(7)当所述燃料电池11出现水淹现象时，对燃料电池11进行排水操作，并降低喷射器5的氢气喷射量，再逐渐恢复喷射器5的喷射量。

(8)当燃料电池11的氢气入口处和氢气出口处的压力大于1.7bar，打开泄压阀10进行泄压。

(9)当燃料电池11工作结束后，关闭氢气源，打开单向阀22和氮气源，利用氮气吹扫系统。

通过实际运行，上述系统额定功率60kw时此时电堆功率约为75kw(系统功率＝电堆功率|-零部件消耗的功率)消耗空气流量为802l/min，循环流量为401l/min，此时进气量只需调节为802l/min，因剩下循环的0.5倍的量一直在管路里循环，调节时间约为10min，而现有的氢气进气系统额定功率60kw时此时电堆功率约为73kw(系统功率＝电堆功率|-零部件消耗的功率)，本申请的系统少了循环泵的功耗约2kw。消耗空气流量为781l/min，循环流量为319l/min，此时进气量只需调节为781l/min，因剩下循环的0.5倍的量一直在管路里循环，整个调节时间约为12min。由此可见，本申请的系统及方法能降低了系统的整体功耗，提高了氢气的回收利用率，提高了氢气供应量的可控性，缩短了控制时间，节约了系统成本。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。