CN113471486B - 一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置 - Google Patents

一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，涉及燃料电池技术领域。包括引射器部件、机械泵部件、气液分离部件和弹簧阀部件。气液分离部件的第一循环气出口和第二循环气出口分别与引射器部件的循环气入口和机械泵部件的循环气入口连接；引射器部件出口与机械泵部件出口连接后，再与燃料电池堆入口连接；第一循环气出口处设置有用于对引射器部件和机械泵部件的工作状态进行无级切换控制的弹簧阀部件；控制单元用于根据燃料电池堆的工作区间以及安装在引射器部件出口处的第一压力传感器反馈的压力值控制机械泵部件。本申请能够使燃料电池堆在较宽的功率变化范围内可以稳定运行。

Description

一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置。
背景技术
氢燃料电池可直接将氢气的化学能转化为电能而无需燃烧，其具有高效率和功率密度，零排放，静音运行的优点，是一种非常具有前景的新能源发电动力装置。氢燃料电池将阳极侧的氢气和阴极侧的氧气发生化学反应，产生电能和水，为保证燃料电池高效率运行，阳极侧的供氢量大于反应掉的氢气量，因此需要建立阳极氢气循环***来将未消耗的氢气再次循环利用，以提高氢气的利用率。
在氢燃料电池汽车的氢气循环***中，通常使用机械泵或引射器作为氢气循环的装置。在实际的应用中，燃料电池汽车的功率经常改变，这要求氢循环装置能够在较宽的功率范围内可以提供稳定的循环能力。机械泵是使用电能驱动做功的装置，其可以通过调节电机转速满足不同电堆功况下的氢循环需求，但是机械泵的成本较高、可靠性较差。相比于机械泵，引射器不会消耗电能，同时结构简单、可靠性高、成本低，但是其很难适应宽功率范围。
因此，现有的文献将引射器和机械泵联合使用，既结合了引射器和机械泵各自的优点，也使得整个***的功耗减小，***效率提升。但是无论是串联方案还是并联方案，都是使用机械切换阀对引射器和机械泵的工作状态进行切换，因此***的控制变得更为复杂，同时由于引射器部件和机械泵部件的工作方式及性能有着明显不同，二者在瞬时切换时引起***循环性能出现波动，对电堆性能和寿命产生影响。
发明内容
本申请提供一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，将引射器部件、机械泵部件和水分离器部件结合起来，并利用弹簧阀部件实现了对引射器部件和机械泵部件工作状态的无级控制，最大程度的减少了机械功率消耗，使得燃料电池堆在较宽的功率变化范围的可以稳定经济运行。
为达到上述目的，本申请提供了一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，包括引射器部件、机械泵部件、弹簧阀部件、气液分离部件、第一压力传感器和控制单元，其中：
所述气液分离部件的循环气入口用于将燃料电池堆的出口排出的气体引入至气液分离部件中；所述气液分离部件的第一循环气出口和第二循环气出口分别与引射器部件的循环气入口和机械泵部件的循环气入口连接；所述引射器部件的出口与机械泵部件的出口连接后，再与燃料电池堆的入口连接；所述第一循环气出口处设置有用于对引射器部件和机械泵部件的工作状态进行无级切换控制的弹簧阀部件；
所述第一压力传感器用于测量所述引射器部件的出口处的压力值；
所述控制单元被配置为：根据燃料电池堆的工作区间以及第一压力传感器反馈的压力值控制机械泵部件，使所述引射器部件的出口处的压力值等于燃料电池堆入口所需的压力值。
进一步地是，所述弹簧阀部件能够根据泵送的循环气流量的变化自动控制开度。
进一步地是，所述引射器部件的高压氢气入口处设置有用于供给高压氢气的喷氢阀。
所述工作区间根据引射器部件的引射性能被划分为高功率区间、中功率区间和低功率区间；
当引射器部件的引射性能完全满足燃料电池堆需求时，燃料电池堆处于高功率区间；当引射器部件的引射性能不能满足燃料电池堆需求时，燃料电池堆处于中功率区间；当引射器部件的引射性能降低至完全失效时，燃料电池堆处于低功率区间。
进一步地是，所述控制单元被配置为：判断当前燃料电池堆的工作区间，若燃料电池堆工作在中功率区间或低功率区间，则根据第一压力传感器反馈的压力值对机械泵部件的启闭和转速进行控制，使引射器部件的出口处压力值等于燃料电池堆的入口所需的压力值。
进一步地是，燃料电池堆处于高功率区间时，机械泵部件处于关闭状态，引射器部件单独工作泵送循环气体；
燃料电池堆处于中功率区间时，机械泵部件和引射器部件同时工作泵送循环气体；
燃料电池堆处于低功率区间时，机械泵部件单独工作泵送循环气体。
进一步地是，所述气液分离部件、机械泵部件位于所述引射器部件的同一侧。
进一步地是，还包括第二压力传感器和第三压力传感器，所述第二压力传感器和第三压力传感器分别用于测量引射器部件的高压氢气入口和气液分离部件的循环气入口处的压力。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：联合使用引射器部件和机械泵部件，并通过弹簧阀部件进行无级切换，同时结合水分离功能，使得本申请的装置稳定可靠；本申请的氢气循环装置能够根据引射器部件和机械泵部件的工作状态，分为三级工作，包括仅使用引射器部件的高功率区间，引射器部件和机械泵部件联合的中功率区间，以及仅使用机械泵部件的低功率区间。通过监测引射器部件的出口压力值对机械泵部件启闭和转速进行控制，三个区间的切换根据弹簧阀部件的特性自动切换，而不需要使用机械开关阀进行电动控制切换，解决了切换时产生的性能波动问题，***控制更加简单。整个装置可以覆盖更宽的电堆功率区间，工作状态切换时不产生性能波动，提升燃料电池***的性能和寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一体式氢循环装置的结构示意图；
图2为燃料电池供氢***的结构示意图；
图3为高功率区间下氢循环装置工作过程示意图；
图4为中功率区间下氢循环装置工作过程示意图；
图5为低功率区间下氢循环装置工作过程示意图；
图6为氢气循环装置的控制原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1：参照图1，本申请实施例提供了一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，主要包括引射器部件1、气液分离部件3、机械泵部件2、第一压力传感器602、第二压力传感器601、第三压力传感器603和控制单元，气液分离部件3、机械泵部件2位于引射器部件1的同一侧。
引射器部件1的高压氢气入口702处设置有用于供给高压氢气的喷氢阀5。
气液分离部件3的循环气入口706用于将燃料电池堆的出口142排出的气体引入至气液分离部件3中；气液分离部件3的第一循环气出口和第二循环气出口分别与引射器部件的循环气入口703和机械泵部件的循环气入口704连接；引射器部件的出口707与机械泵部件的出口705连接后，再与燃料电池堆的入口141连接。第一循环气出口处设置有用于根据引射器部件1泵送的循环气流量的变化自动控制开度的弹簧阀部件4。
第一压力传感器602、第二压力传感器601和第三压力传感器603分别用于测量引射器部件的出口707处、引射器部件的高压氢气入口702处和气液分离部件循环气入口706处的压力值。
控制单元被配置为：根据燃料电池堆14的工作区间以及第一压力传感器602反馈的压力值控制机械泵部件2，使引射器部件的出口707处的压力值等于燃料电池堆入口141处所需的压力值，即机械泵部件2泵送的循环气流量、引射器部件1输送的高压氢气流量以及泵送的高压氢气流量的总和等于燃料电池堆14的需求流量。
燃料电池堆14的工作区间是根据引射器部件的引射性能被划分为高功率区间、中功率区间和低功率区间；其中，在高功率区间下利用引射器部件自动泵送循环气体；在中功率区间下利用机械泵部件和引射器部件同时泵送循环气体；在低功率区间下利用机械泵泵送循环气体。
控制单元具体的操作步骤为：判断当前燃料电池堆14的工作区间，若燃料电池堆14工作在中功率区间或低功率区间，则根据第一压力传感器反馈的压力值对机械泵部件的启闭和转速进行控制，使引射器部件的出口处压力值等于燃料电池堆的入口所需的压力值。
参见图2，燃料电池供氢***，包括依次连接的高压氢气瓶11、截止安全阀12、减压阀13、氢气循环装置和燃料电池堆14。氢气循环装置的结构和连接关系如图1所示，这里不过多赘述。
高压氢气瓶11储存有高压氢气作为燃料电池堆14的燃料，高压氢气经过截止安全阀12和减压阀13后，通过喷氢阀的入口701供给具有一定压力值的氢气至引射器部件1中，再经引射器部件的出口707进入燃料电池堆14中进行反应。氢气在燃料电池堆14中与阴极侧的氧气发生电化学反应产生电能，没有被消耗的氢气携带有产生的液态水和水蒸气从电堆中排出，产生需要被循环的循环气。
循环气从燃料电池堆的出口142排出进入到气液分离部件3中，经过水分离和增压后，通过引射器部件1或机械泵部件2的泵送与具有一定压力值的氢气混合，然后通过引射器部件的出口707进入燃料电池堆的入口141。
参照图3-6，本申请实施例1的工作过程与控制方式如下：
燃料电池堆14的工作区间有三个，包括高功率区间、中功率区间和低功率区间，因此，氢气循环装置的工作过程可以分为三个状态。
参见图3，此时由于燃料电池堆14氢气消耗量很高，喷氢阀5喷出高压流量的氢气使得引射器部件1具有较高的引射性能，燃料电池堆14工作在高功率区间，引射器部件1的引射能力完全满足氢气循环需求。在引射器部件1的引射作用下，在引射器部件的循环气入口703位置(即弹簧阀部件4的出口位置)产生低压，在弹簧阀部件4阀片的两侧压差作用下，阀片完全打开，循环气只从引射器部件的循环气入口703处通过。此时引射器部件的出口707处的压力满足燃料电池堆入口141的压力值，机械泵部件2处于关闭状态。
参见图4，氢气消耗量降低，引射器部件1的引射能力也随之下降，燃料电池堆14工作在中功率区间，此时引射器部件1的引射能力不能满足燃料电池堆14的需求。当引射器部件1引射能力不足，使得弹簧阀部件4开度下降。此时，第一压力传感器602反馈的压力值小于燃料电池堆的入口141处所需的压力值，控制单元开启机械泵部件2，并根据第一压力传感器602反馈的压力值调节机械泵部件2的转速。利用机械泵部件2泵送一部分循环气流量，使得引射器部件1和机械泵部件2泵送的总流量等于燃料电池堆14的需求流量，即使压力传感器602测得的引射器部件的出口707处的压力值等于燃料电池堆的入口141处所需的压力值。该状态下引射器部件1和机械泵部件2都负担循环作用，并且随着电堆功率的降低，机械泵部件2转速增大，机械泵部件2承担的循环氢份额增大。弹簧阀部件4在该功率区间下通过阀开度大小自动调节通过引射器部件1的循环氢气量，具有自动平衡压力损失与流量的能力，可以使引射器部件1的引射能力与燃料电池堆14的氢循环需求相匹配。
参见图5，引射器部件1失去引射作用，燃料电池堆14工作在低功率区间，引射器部件的循环气入口703处的压力高于机械泵部件的循环气入口704处压力，弹簧阀4在压差作用下关闭，此时引射器部件1不能泵送循环气。所有循环气通过机械泵部件2供给，第一压力传感器602反馈的压力值小于燃料电池堆的入口141处所需的压力值，因此，控制单元开启机械泵部件2，并根据第一压力传感器602反馈的压力值调节机械泵部件2的转速使得其压力值等于燃料电池堆入口141所需的压力值。
综上，根据图3-5表示的氢循环装置的工作过程，设置了两个关键电堆功率值H和L。当电堆功率高于H值，引射器部件的引射性能完全满足燃料电池堆需求，燃料电池堆14的工作在高功率区间时，此时，经过气液分离部件3的循环气通过引射器部件1泵送；当电堆功率低于H值，同时高于L值，引射器部件的引射性能不能满足燃料电池堆需求，装置工作在中功率区间，此时循环气通过引射器部件1和机械泵部件2共同泵送；当电堆功率低于L值，引射器部件的引射性能降低至完全失效，装置工作在低功率区间，此时循环气仅通过机械泵部件2泵送。同时三个工作区间之间的调节仅通过控制机械泵部件2的开启与调节转速大小，而不需要进行机械切换阀之间的电动控制切换，即引射器部件1和机械2泵之间是无级切换控制的，在调节时不存在性能波动问题，可以保持装置的性能稳定。
参见图6，根据燃料电池堆14需求的氢气循环量和引射器部件1可以提供的氢气循环量关系确定功率值H和L的大小。电堆需求线和引射器部件线的交点是高功率H点，当电堆功率高于H时，引射器部件性能线高于电堆需求线，此时引射器部件1性能可以满足燃料电池堆14需求。当电堆功率小于H时，引射器部件性能线低于电堆需求线，此时引射器部件1性能不能满足电堆需求，因此开启机械2泵弥补电堆需求和引射器部件1之间的循环氢气量的差值。引射器部件线与横轴的交点是低功率L点，电堆功率低于L值时引射器部件失去性能，所有循环气通过机械泵部件2供给，这时机械泵部件2承担所有循环氢气，控制机械泵部件2转速使电堆入口压力维持所需值。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，其特征在于，包括引射器部件、机械泵部件、弹簧阀部件、气液分离部件、第一压力传感器和控制单元，其中：所述气液分离部件用于将燃料电池堆的出口排出的气体引入至气液分离部件中；所述气液分离部件的第一循环气出口和第二循环气出口分别与引射器部件的循环气入口和机械泵部件的循环气入口连接；所述引射器部件的出口与燃料电池堆的入口连接，所述机械泵部件的出口连接至所述引射器部件的出口和引射器部件的循环气入口之间；所述第一循环气出口处设置有用于对引射器部件和机械泵部件的工作状态进行无级切换控制的弹簧阀部件；所述第一压力传感器用于测量所述引射器部件的出口处的压力值；所述控制单元被配置为：根据燃料电池堆的工作区间以及第一压力传感器反馈的压力值控制机械泵部件，使所述引射器部件的出口处的压力值等于燃料电池堆入口所需的压力值；还包括第二压力传感器和第三压力传感器，所述第二压力传感器和第三压力传感器分别用于测量引射器部件的高压氢气入口和气液分离部件的循环气入口处的压力；
所述工作区间根据引射器部件的引射性能被划分为高功率区间、中功率区间和低功率区间；燃料电池堆处于高功率区间时，机械泵部件处于关闭状态，引射器部件单独工作泵送循环气体；燃料电池堆处于中功率区间时，机械泵部件和引射器部件同时工作泵送循环气体；燃料电池堆处于低功率区间时，机械泵部件单独工作泵送循环气体。
2.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，其特征在于，所述弹簧阀部件能够根据引射器部件泵送的循环气流量的变化自动控制开度。
3.根据权利要求2所述的一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，其特征在于，所述引射器部件的高压氢气入口处设置有用于供给高压氢气的喷氢阀。
4.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，其特征在于，当引射器部件的引射性能完全满足燃料电池堆需求时，燃料电池堆处于高功率区间；当引射器部件的引射性能不能满足燃料电池堆需求时，燃料电池堆处于中功率区间；当引射器部件的引射性能降低至完全失效时，燃料电池堆处于低功率区间。
5.根据权利要求4所述的一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，其特征在于，所述控制单元被配置为：判断当前燃料电池堆的工作区间，若燃料电池堆工作在中功率区间或低功率区间，则根据第一压力传感器反馈的压力值对机械泵部件的启闭和转速进行控制，使引射器部件的出口处压力值等于燃料电池堆的入口所需的压力值。
6.根据权利要求3所述的一种用于氢燃料电池***的一体式氢循环装置，其特征在于，所述气液分离部件、机械泵部件位于所述引射器部件的同一侧。
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