一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统及控制方法与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统及控制方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是一种能够通过将燃料气中富含的化学能转换为电能的发电装置，由于其工作温度低，转换效率高以及产物绿色清洁等优点而被广泛应用于车用及发电领域。

2、通常，阳极燃料气的氢气源一般来自电解水制氢的高压绿氢，而其副产物高压纯氧一般会直接排入大气，造成巨大的资源浪费；此外，燃料电池的阴极和阳极一般会采用空压机和氢循环泵对氢氧进行输运。这种方式不仅使得系统整体能耗升高，降低发电效率，在高海拔地区系统的性能还会受到空气中氧含量的不稳定性造成明显的波动。

3、而考虑到发电系统对效率的要求，建立一个气源利用率高、能耗低、效率高的综合供能系统迫在眉睫。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统及控制方法，通过单级或多级引射器的方式，替代原有高能耗的空压机和氢循环泵，可对前端的高压纯氧和高压纯氢进行高效利用。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，包括：

4、氧气路输送子系统，被配置为输入高压纯氧至第一引射器，并引入外来空气在第一引射器出口处进行混合，混合气体中氧含量的比例根据前端压力变化进行实时调控，且混合气体将被输送至燃料电池系统阴极；

5、氢气路输送子系统，被配置为输入高压纯氢至第二引射器，并与燃料电池系统阳极未参与反应的氢气在第二引射器出口混合，混合后的氢气计量比根据前端压力变化进行实时调控，且混合气体将被输送至燃料电池系统阳极。

6、进一步地，所述氧气路输送子系统包括第一电磁关断阀、第一调压阀、第一压力传感器、第二电磁关断阀、第一比例阀、第二比例阀、空气过滤器、第一温压传感器、第一湿度传感器、第一引射器、第二湿度传感器和第二温压传感器，其中：

7、所述第一电磁关断阀、第一调压阀、第一压力传感器、第二电磁关断阀、第一比例阀和第一引射器依次连接，所述第一电磁关断阀的进气端输入高压纯氧，所述第二比例阀与第一比例阀并联连接，所述第一引射器的输出端连接燃料电池系统的阴极进气端，所述第二湿度传感器和第二温压传感器设置于第一引射器和燃料电池系统之间的管路上；

8、所述空气过滤器的进气端输入空气，且排气端连接第一引射器的空气输入端，所述第一温压传感器和第一湿度传感器设置于空气过滤器的进气端管路上。

9、进一步地，对于氧气路输送子系统，当燃料电池系统运行功率小于第一预设功率w1时，开启第二电磁关断阀和第一比例阀，采用单级引射；当燃料电池系统运行功率大于第一预设功率w1时，同时开启第二电磁关断阀、第一比例阀和第二比例阀，采用多级引射。

10、进一步地，高压纯氧通过引射器输运的方式需要引入外来空气，外来空气通过空气过滤器与高压纯氧在第一引射器出口处混合，混合气体中氧含量的比例根据第一压力传感器、第一湿度传感器、第一温压传感器、第二湿度传感器和第二温压传感器所得到的参数进行计算，并通过调节第一调压阀控制混合气体中氧含量的比例。

11、进一步地，所述氧气路输送子系统还包括缓冲罐，所述缓冲罐设置于高压纯氧出口处。

12、进一步地，所述氢气路输送子系统包括第三温压传感器、第三湿度传感器、第三比例阀、第四湿度传感器、第四温压传感器、汽水分离器、排水阀、第二引射器、第四比例阀、第二压力传感器、第三电磁关断阀、第四电磁关断阀和第二调压阀，其中：

13、第四电磁关断阀、第二调压阀、第二压力传感器、第三电磁关断阀、第三比例阀和第二引射器依次连接，所述第四电磁关断阀的进气端输入高压纯氢，所述第四比例阀与第三比例阀并联连接，所述第二引射器的输出端连接燃料电池系统的阳极进气端，所述第三温压传感器和第三湿度传感器设置于第二引射器与燃料电池系统之间的管路上；

14、所述第四湿度传感器和第四温压传感器设置于汽水分离器与第二引射器之间的管路上，所述汽水分离器的输入端连接燃料电池系统的阳极排气端，且排气端连接第二引射器的氢气输入端，排水端连接排水阀。

15、进一步地，对于氢气路输送子系统，当燃料电池系统运行功率小于第二预设功率w2时，开启第三电磁关断阀和第三比例阀，采用单级引射；当燃料电池系统运行功率大于第二预设功率w2时，开启第三电磁关断阀、第三比例阀和第四比例阀，采用多级引射。

16、进一步地，高压纯氢通过引射器输运的方式，将会使燃料电池系统阳极未参与反应的氢气进行循环，混合后的氢气计量比根据第三温压传感器、第三湿度传感器、第四湿度传感器和第四温压传感器所得到的参数进行计算，并通过调节第二调压阀控制燃料电池系统阳极化学计量比。

17、进一步地，所述氢气路输送子系统还包括缓冲罐，所述缓冲罐设置于高压纯氢出口处。

18、一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电控制方法，包括：

19、通过第一引射器输入高压纯氧，并引入外来空气在第一引射器出口处进行混合，混合气体中氧含量的比例根据前端压力变化进行实时调控，且混合气体将被输送至燃料电池系统阴极；

20、通过第二引射器输入高压纯氢，并使燃料电池系统阳极未参与反应的氢气进行循环，混合后的氢气计量比根据前端压力变化进行实时调控，且混合后的气体将被输送至燃料电池系统阴极。

21、本发明的有益效果在于：

22、1、本发明通过单级或多级引射器的方式，替代原有高能耗的空压机和氢循环泵，对前端的高压纯氧和高压纯氢进行高效利用。其中，当高压纯氧通过引射器时，会引射入外来空气并在引射器出口处进行混合。该混合气体中氧含量的比例将根据前端压力的变化得到实时的调控，大大提高系统发电的稳定性。此外，高压纯氢通过引射的方式也可以实现阳极路氢气的循环利用，提高氢气的利用率。而被替代的空压机和氢循环泵在使用时产生的几十千瓦乃至更高的功率损失将转换成相应的发电功率，使得该联合发电系统的发电效率得到大幅度的提升。

23、2、本发明不仅利用引射的方式对高压纯氢和高压氧实现了高效的利用，还替换了原有的空压机和氢循环泵，使得过高的能耗损失均转换为了更大的发电功率，在一定程度上也降低了系统整体成本。此外，通过压力的调节使得进入燃料电池系统中的空气氧浓度得到了实时的调控，大大拓展了该联合发电系统的应用领域，如为高海拔地区提供绿色供能系统。

技术特征：

1.一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，其特征在于，所述氧气路输送子系统包括第一电磁关断阀(2)、第一调压阀(3)、第一压力传感器(4)、第二电磁关断阀(5)、第一比例阀(6)、第二比例阀(7)、空气过滤器(8)、第一温压传感器(9)、第一湿度传感器(10)、第一引射器(11)、第二湿度传感器(12)和第二温压传感器(13)，其中：

3.根据权利要求2所述的一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，其特征在于，对于氧气路输送子系统，当燃料电池系统(25)运行功率小于第一预设功率w1时，开启第二电磁关断阀(5)和第一比例阀(6)，采用单级引射；当燃料电池系统(25)运行功率大于第一预设功率w1时，同时开启第二电磁关断阀(5)、第一比例阀(6)和第二比例阀(7)，采用多级引射。

4.根据权利要求2所述的一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，其特征在于，高压纯氧(1)通过引射器输运的方式需要引入外来空气，外来空气通过空气过滤器(8)与高压纯氧(1)在第一引射器(11)出口处混合，混合气体中氧含量的比例根据第一压力传感器(4)、第一湿度传感器(10)、第一温压传感器(9)、第二湿度传感器(12)和第二温压传感器(13)所得到的参数进行计算，并通过调节第一调压阀(3)控制混合气体中氧含量的比例。

5.根据权利要求2所述的一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，其特征在于，所述氧气路输送子系统还包括缓冲罐，所述缓冲罐设置于高压纯氧出口处。

6.根据权利要求1所述的一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，其特征在于，所述氢气路输送子系统包括第三温压传感器(14)、第三湿度传感器(15)、第三比例阀(16)、第四湿度传感器(17)、第四温压传感器(18)、汽水分离器(19)、排水阀(20)、第二引射器(21)、第四比例阀(22)、第二压力传感器(23)、第三电磁关断阀(24)、第四电磁关断阀(27)和第二调压阀(28)，其中：

7.根据权利要求6所述的一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，其特征在于，对于氢气路输送子系统，当燃料电池系统(25)运行功率小于第二预设功率w2时，开启第三电磁关断阀(24)和第三比例阀(16)，采用单级引射；当燃料电池系统(25)运行功率大于第二预设功率w2时，开启第三电磁关断阀(24)、第三比例阀(16)和第四比例阀(22)，采用多级引射。

8.根据权利要求6所述的一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，其特征在于，高压纯氢(26)通过引射器输运的方式，将会使燃料电池系统(25)阳极未参与反应的氢气进行循环，混合后的氢气计量比根据第三温压传感器(14)、第三湿度传感器(15)、第四湿度传感器(17)和第四温压传感器(18)所得到的参数进行计算，并通过调节第二调压阀(28)控制燃料电池系统(25)阳极化学计量比。

9.根据权利要求6所述的一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统，其特征在于，所述氢气路输送子系统还包括缓冲罐，所述缓冲罐设置于高压纯氢出口处。

10.一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电控制方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于高压氢氧的氢燃料电池联合发电系统及控制方法，其中系统包括：氧气路输送子系统，被配置为通过第一引射器输送高压纯氧至燃料电池系统阴极，并引入外来空气在第一引射器出口处进行混合，混合气体中氧含量的比例根据前端压力变化进行实时调控；氢气路输送子系统，被配置为通过第二引射器输送高压纯氢至燃料电池系统阳极，并使燃料电池系统阳极未参与反应的氢气进行循环，混合后的氢气计量比根据前端压力变化进行实时调控。本发明不仅利用引射的方式对高压纯氢和高压氧实现了高效的利用，还替换了原有的空压机和氢循环泵，使得过高的能耗损失均转换为了更大的发电功率，在一定程度上也降低了系统整体成本。

技术研发人员：刘煜,吴思达,孔红兵,朱鼎,谢光有
受保护的技术使用者：东方电气（成都）氢能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/10