CN114361522B - 一种燃料电池氢气循环***及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池氢气循环***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池氢气循环***及控制方法，包括供氢管路和氢再循环管路，供氢管路包括依次连接的储氢容器、减压阀、比例阀、稳压器、喷射器和氢气加湿器，氢气加湿器出口与燃料电池的氢入口连接，减压阀和比例阀之间的管路上设有分流阀，分流阀第一出口与比例阀入口连通，第二出口与涡轮机的进氢通路入口连通，涡轮机的进氢通路出口与比例阀和稳压器之间的管路连通；氢再循环管路包括与燃料电池的氢出口连接的冷凝器，冷凝器出口与涡轮机的回氢通路入口连通，涡轮机的回氢通路出口与喷射器和氢气加湿器之间的管路连通。其能够利用高压氢气的势能带动氢气再循环，供给燃料电池工作所需要的氢气量，实现燃料电池氢气循环和过氢比的控制。

Description

一种燃料电池氢气循环***及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及燃料电池氢气循环***及控制方法。
背景技术
受环境污染问题和能源紧缺问题的影响，新能源汽车一直是行业内的重点发展方向。其中，氢氧燃料电池汽车具有能量密度高、续航里程长、加氢时间短等优点，是汽车的理想能源方式。燃料电池正常工作时需要多个辅助***的协调工作，包括氢气供给***、空气供给***、水热管理***和功率控制***，以提供合适的氢气、空气、冷却水流量等，保证燃料电池的最佳工作状态。其中，氢气供给***需要提供充足而湿度合适的反应气体，否则会造成燃料电池的“饥饿”现象，不仅会导致输出功率下降，还对燃料电池的寿命造成影响。
氢气循环被应用到燃料电池氢气供给***，通过阳极氢气再循环的方式，不仅在保证阳极过氢比的情况下减小“饥饿”现象的出现，还可以对进堆氢气进行自加湿。目前广泛应用的两种氢气循环器件分别是氢气循环泵和引射器。对于氢气循环泵来说，阳极在引入氢气循环泵后，通过控制循环泵的转速，可以实现过氢比的精确控制，但是循环泵不仅会消耗额外的功率，其工作寿命还受限于循环泵的品质，从而影响整个***的寿命。对于引射器来说，引射器通过高压氢气通过其内部结构，形成负压区，从而卷吸回流氢气，实现氢气循环。但是由于引射器的内部结构固定，导致其卷吸氢气的能力不受控，不能实现过氢比的控制，特别是当燃料电池在低功率区工作时，其引射比会急剧下降至零，这也限制了引射器的使用范围。
另一方面，氢气在燃料电池汽车上的储存方式一般是通过高压氢气瓶储存，其压力高达 70MPa，而燃料电池的进氢压力往往在3Bar以内，这之间的巨大压差变化需要多级减压阀的减压作用，这也浪费了高压氢气的部分内能。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池氢气循环***及控制方法，其能够利用高压氢气的势能带动氢气再循环，供给燃料电池工作所需要的氢气量，实现燃料电池氢气循环和过氢比的控制。
本发明所述的燃料电池氢气循环***，包括供氢管路和氢再循环管路，所述供氢管路包括依次连接的储氢容器、减压阀、比例阀、稳压器、喷射器和氢气加湿器，所述氢气加湿器出口与燃料电池的氢入口连接，所述减压阀和比例阀之间的管路上设有分流阀，所述分流阀入口与减压阀出口连通，分流阀第一出口与比例阀入口连通，分流阀第二出口与涡轮机的进氢通路入口连通，所述涡轮机的进氢通路出口与比例阀和稳压器之间的管路连通；所述氢再循环管路包括与燃料电池的氢出口连接的冷凝器，所述冷凝器出口与涡轮机的回氢通路入口连通，所述涡轮机的回氢通路出口与喷射器和氢气加湿器之间的管路连通；所述涡轮机包括设于进氢通路内的主动轮和设于回氢通路内的从动轮，所述主动轮和从动轮传动连接，高压氢气进入涡轮机进氢通路驱动主动轮转动，带动与主动轮传动连接且位于回氢通路中的从动轮转动，由从动轮驱动燃料电池的氢出口排出的氢气重新输送至供氢管路中。
进一步，所述稳压器上连接有用于采集稳压器压力信号的第一压力传感器，稳压器出口侧连接有第一流量传感器；所述氢气加湿器入口侧连接有第二压力传感器和第二流量传感器。
进一步，所述涡轮机的进氢通路出口侧连接有第一单向阀，所述涡轮机的回氢通路出口侧连接有第二单向阀。
进一步，所述冷凝器上集成连接有吹扫阀，用于排出冷凝器中的液态水及一部分回流的气体。
一种燃料电池氢气循环控制方法，采用上述燃料电池氢气循环***进行供气，所述控制方法包括如下步骤：
S1，按照燃料电池的工作状态得到燃料电池堆过氢比理想值r0和进氢压力理想值P0；
S2，采集进入喷射器和燃料电池的氢入口的氢气质量流量，计算得到燃料电池堆过氢比实际值r，根据过氢比实际值r与过氢比理想值r0的差值Δr调节分流阀；
S3，采集进入燃料电池的氢入口的进氢压力实际值P1，根据进氢压力实际值P1与进氢压力理想值P0的差值ΔPm调节喷射器的控制信号。
进一步，采集稳压器压力实际值P2并与稳压器压力设定值P3进行比较，以稳压器压力实际值P2并与稳压器压力设定值P3的差值ΔPn对S3中喷射器的控制信号进行修正。
进一步，根据稳压器压力实际值P2与稳压器压力设定值P3的差值ΔPn调节比例阀开度。
进一步，若过氢比实际值r＞过氢比理想值r0，则控制分流阀阀芯顺时针转动，减小进入涡轮机的进氢通路的氢气流量；若过氢比实际值r＜过氢比理想值r0，则控制分流阀阀芯逆时针转动，增大进入涡轮机的进氢通路的氢气流量；若过氢比实际值r＝过氢比理想值r0，则控制分流阀阀芯保持不动。
进一步，若进氢压力实际值P1＞进氢压力理想值P0，则减小喷射器喷嘴打开的面积；若进氢压力实际值P1＜进氢压力理想值P0，则增大喷射器喷嘴打开的面积；若进氢压力实际值P1＝进氢压力理想值P0，则保持喷射器喷嘴打开面积不变。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
1、本发明通过涡轮机实现供氢管路和氢再循环管路的能量传递，高压氢气进入涡轮机进氢通路驱动主动轮旋转，一方面实现了高压氢气的降压，另一方面主动轮的转动将带动与主动轮传动连接且位于回氢通路中的从动轮转动，从而驱动氢再循环管路内的氢气向供氢管路回流，即利用涡轮机进氢通路的氢气降压过程中释放的能量，来带动氢气在燃料电池阳极的再循环，不仅实现了高压氢气的降压，更是解决了传统的氢气循环泵需要额外消耗能量和传统引射器引射比不可控的缺点。
2、本发明提出的燃料电池氢气循环***及其压力和过氢比的控制方法，不仅能精确控制燃料电池的进氢压力，也能精确控制氢气计量比，防止了燃料电池因为缺气而引起的“饥饿”现象，在降低燃料电池寄生功率的同时也延长了堆的使用寿命。
附图说明
图1是本发明所述燃料电池氢气循环***的结构示意图；
图2是本发明所述涡轮机的结构示意图。
图中，1—减压阀，2—分流阀，3—涡轮机，31—主动轮，32—从动轮，4—比例阀，5—稳压器，6—第一压力传感器，7—第一流量传感器，8—喷射器，9—第二压力传感器，10—第二流量传感器，11—氢气加湿器，12—燃料电池，13—储氢容器，14—第一单向阀，15—冷凝器，16—吹扫阀，17—第二单向阀；
a—进氢通路入口，b—进氢通路出口，c—回氢通路入口，d—回氢通路出口，e—氢入口， f—氢出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
参见图1，所示的燃料电池氢气循环***，包括供氢管路和氢再循环管路。所述供氢管路包括依次连接的储氢容器13、减压阀1、比例阀4、稳压器5、喷射器8和氢气加湿器11，所述氢气加湿器11出口与燃料电池的氢入口e连接，所述减压阀1和比例阀4之间的管路上设有分流阀2，所述分流阀2入口与减压阀1出口连通，分流阀2第一出口与比例阀4入口连通，分流阀2第二出口与涡轮机3的进氢通路入口a连通，所述涡轮机3的进氢通路出口 b与比例阀4和稳压器5之间的管路连通。所述氢再循环管路包括与燃料电池的氢出口f连接的冷凝器15，所述冷凝器15出口与涡轮机3的回氢通路入口c连通，所述涡轮机3的回氢通路出口d与喷射器8和氢气加湿器11之间的管路连通。参见图2，所述涡轮机3包括设于进氢通路内的主动轮31和设于回氢通路内的从动轮32，所述主动轮31和从动轮32通过轴传动连接，高压氢气进入涡轮机3进氢通路驱动主动轮31转动，一方面实现了高压氢气的降压，另一方面主动轮31的转动将带动与主动轮31传动连接且位于回氢通路中的从动轮32转动，从而驱动氢再循环管路内的氢气向供氢管路回流，即利用涡轮机进氢通路的氢气降压过程中释放的能量，来带动氢气在燃料电池阳极的再循环，不仅实现了高压氢气的降压，更是解决了传统的氢气循环泵需要额外消耗能量和传统引射器引射比不可控的缺点。
所述涡轮机3通过储氢容器13中的高压氢气提供动力，将燃料电池2的氢出口f排出的氢气回流至燃料电池12的氢入口e，充当循环泵的作用，无额外寄生功率。且与传统的燃油车涡轮增压***不同，由于燃料电池氢气供给有流量小、压差大的特点，所以本发明中的燃料电池氢气循环涡轮机有尺寸小的特点。
为了监测燃料电池氢气循环***中各个工作阶段的流量和压力，在所述稳压器5上连接有用于采集稳压器压力信号的第一压力传感器6，稳压器5出口侧连接有第一流量传感器7。所述氢气加湿器11入口侧连接有第二压力传感器9和第二流量传感器10，用于获取经喷射器8喷出的喷射氢气和经涡轮机3回氢通路驱动的回流氢气混合后的压力和流量。
所述涡轮机3的进氢通路出口b侧连接有第一单向阀14，防止涡轮机3进氢通路逆转。由于燃料电池进堆氢气压力高于回氢压力，在所述涡轮机3的回氢通路出口d侧连接有第二单向阀17，防止供氢管路内氢气逆流入涡轮机3回氢通路，导致涡轮机逆转。
所述冷凝器15上集成连接有吹扫阀16，能够受控排除出冷凝器15中的液态水及其一部分回流的气体到外界环境。
所述的分流阀2为球阀结构，阀芯的转动受控于控制器，能够线性的控制分别进入比例阀4和涡轮机3进氢通路的流量比例。
一种燃料电池氢气循环控制方法，采用上述燃料电池氢气循环***进行供气，所述控制方法包括如下步骤：
S1，检测燃料电池的输出功率，按照燃料电池的工作状态得到燃料电池堆过氢比理想值r0和进氢压力理想值P0。
S2，通过第一流量传感器7和第二流量传感器10分别采集进入喷射器8的氢气质量流量 Q3和进入燃料电池12的氢入口e的氢气质量流量Q4，按照计算得到燃料电池堆过氢比实际值r，根据过氢比实际值r与过氢比理想值r0的差值Δr调节分流阀，Δr＝r-r0。若过氢比实际值r＞过氢比理想值r0，则控制分流阀2阀芯顺时针转动，减小进入涡轮机3的进氢通路的氢气流量；若过氢比实际值r＜过氢比理想值r0，则控制分流阀2阀芯逆时针转动，增大进入涡轮机3的进氢通路的氢气流量；若过氢比实际值r＝过氢比理想值r0，则控制分流阀3 阀芯保持不动。
S3，通过第二压力传感器9采集进入燃料电池12的氢入口e的进氢压力实际值P1，根据进氢压力实际值P1与进氢压力理想值P0的差值ΔPm调节喷射器的控制信号，ΔPm＝P1-P0。若进氢压力实际值P1＞进氢压力理想值P0，则减小喷射器8喷嘴打开的面积；若进氢压力实际值P1＜进氢压力理想值P0，则增大喷射器喷8嘴打开的面积；若进氢压力实际值P1＝进氢压力理想值P0，则保持喷射器喷嘴8打开面积不变。
通过第一压力传感器6采集稳压器压力实际值P2并与稳压器压力设定值P3进行比较，以稳压器压力实际值P2并与稳压器压力设定值P设定的差值ΔPn对S3中喷射器的控制信号进行修正，ΔPn＝P2-P设定。根据稳压器压力实际值P2与稳压器压力设定值P设定的差值ΔPn调节比例阀开度，使得稳压器压力实际值P2维持在稳压器压力设定值P设定。
当所述燃料电池氢气循环***在比例阀4关闭时，经减压阀1降压后的氢气全部由涡轮机3的进氢通路减压后进入喷射器8，此时能得到控制下的涡轮机最大过氢比。根据热力学第一定律，能够得出涡轮机对外输出的轴功等于氢气***内能的减少量加上***损耗，忽略动能的变化，则有：Wt＝η1W1；W1＝Q1ΔH1；其中，Wt表示涡轮机输出的轴功，W1表示高压氢气的内能变化，η1表示涡轮机的工作效率，Q1表示进氢通路的氢气质量流量。ΔH1表示氢气通过涡轮机的比焓变化，其表达式为：
其中表示气体的比热，T1和T1 ′表示进出涡轮机进氢通路氢气的温度。高压氢气从进入涡轮机3驱动主动轮31旋转到离开涡轮，耗时可以认为很短，其热能的变化可忽略不计，近似认为是绝热过程。对于绝热过程，则有：
其中，P3和P4分别表示涡轮机的进氢通路入口和进氢通路出口的压力；V1和V2表示进出涡轮机进氢通路氢气的比体积；k为气体绝热指数。根据理想气体状态方程PV＝NRT则有：
同理，对于涡轮机回氢通路，则有：
其中，W2表示涡轮机回氢通路氢气的内能变化，Q2和T2表示涡轮机回氢通路氢气的质量流量和温度，P5和P6分别表示涡轮机的回氢通路入口和回氢通路出口的压力。根据能量守恒原理，有：
根据能量守恒定律，涡轮机3的过氢比r1的计算公式为：
式中，Q3和Q4分别表示涡轮机的进氢通路和回氢通路的氢气质量流量，T1和T2分别表示涡轮机的进氢通路和回氢通路的温度，P3和P4分别表示涡轮机的进氢通路入口和进氢通路出口的压力，P5和P6分别表示涡轮机的回氢通路入口和回氢通路出口的压力，η1和η2分别表示涡轮机进氢通路和回氢通路的工作效率。
氢气瓶进氢温度最小值min(T1)取273K，回流氢气温度最大值max(T2)取353K。减压阀出口的最低压力值min(P3)取30Bar，稳压器的最大压力值max(P4)取10Bar。回流氢气的压力 P5与进氢压力P6比值的最小值由氢气经过燃料电池电堆后的压降决定，取min(P5/P6)为0.6。涡轮机进氢通路的工作效率η1取最低值0.9，回氢通路的工作效率η2取最低值0.8进行计算。则计算涡轮机3的最小回氢比如下：
固在该燃料电池氢气循环***下的最小引射比为2.5，由于该***中上述计算最小引射比的极限参数不会同时出现，在一般情况下引射比都可以达到4以上，再加上分流阀的分流控制，本发明燃料电池氢气循环***能满足燃料电池从最低功率到最高功率的引射比需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池氢气循环***，包括供氢管路和氢再循环管路，其特征在于：所述供氢管路包括依次连接的储氢容器(13)、减压阀(1)、比例阀(4)、稳压器(5)、喷射器(8)和氢气加湿器(11)，所述氢气加湿器(11)出口与燃料电池(12)的氢入口e连接，所述减压阀(1)和比例阀(4)之间的管路上设有分流阀(2)，所述分流阀(2)入口与减压阀(1)出口连通，分流阀(2)第一出口与比例阀(4)入口连通，分流阀(2)第二出口与涡轮机(3)的进氢通路入口a连通，所述涡轮机(3)的进氢通路出口b与比例阀(4)和稳压器(5)之间的管路连通；
所述氢再循环管路包括与燃料电池(12)的氢出口f连接的冷凝器(15)，所述冷凝器(15)出口与涡轮机(3)的回氢通路入口c连通，所述涡轮机(3)的回氢通路出口d与喷射器(8)和氢气加湿器(11)之间的管路连通；
所述涡轮机(3)包括设于进氢通路内的主动轮(31)和设于回氢通路内的从动轮(32)，所述主动轮(31)和从动轮(32)传动连接，高压氢气进入涡轮机(3)进氢通路驱动主动轮(31)转动，带动与主动轮(31)传动连接且位于回氢通路中的从动轮(32)转动，由从动轮(32)驱动燃料电池(12)的氢出口f排出的氢气重新输送至供氢管路中；
所述稳压器(5)上连接有用于采集稳压器压力信号的第一压力传感器(6)，稳压器(5)出口侧连接有第一流量传感器(7)；
所述氢气加湿器(11)入口侧连接有第二压力传感器(9)和第二流量传感器(10)；
所述涡轮机(3)的进氢通路出口b侧连接有第一单向阀(14)，所述涡轮机(3)的回氢通路出口d侧连接有第二单向阀(17)；
所述冷凝器(15)上集成连接有吹扫阀(16)，用于排出冷凝器(15)中的液态水及一部分回流的气体。
2.一种燃料电池氢气循环控制方法，其特征在于：采用权利要求1所述燃料电池氢气循环***进行供气，所述控制方法包括如下步骤：
S1，按照燃料电池的工作状态得到燃料电池堆过氢比理想值r0和进氢压力理想值P0；
S2，通过第一流量传感器(7)和第二流量传感器(10)分别采集进入喷射器(8)的氢气质量流量Q3和进入燃料电池(12)的氢入口e的氢气质量流量Q4，按照计算得到燃料电池堆过氢比实际值r，根据过氢比实际值r与过氢比理想值r0的差值Δr调节分流阀，Δr＝r-r0；
S3，通过第二压力传感器(9)采集进入燃料电池(12)的氢入口e的进氢压力实际值P1，根据进氢压力实际值P1与进氢压力理想值P0的差值ΔPm调节喷射器的控制信号，ΔPm＝P1-P0。
3.根据权利要求2所述的燃料电池氢气循环控制方法，其特征在于：采集稳压器压力实际值P2并与稳压器压力设定值P设定进行比较，以稳压器压力实际值P2并与稳压器压力设定值P设定的差值ΔPn对S3中喷射器的控制信号进行修正。
4.根据权利要求3所述的燃料电池氢气循环控制方法，其特征在于：根据稳压器压力实际值P2与稳压器压力设定值P设定的差值ΔPn调节比例阀开度。
5.根据权利要求2所述的燃料电池氢气循环控制方法，其特征在于：若过氢比实际值r＞过氢比理想值r0，则控制分流阀阀芯顺时针转动，减小进入涡轮机的进氢通路的氢气流量；若过氢比实际值r＜过氢比理想值r0，则控制分流阀阀芯逆时针转动，增大进入涡轮机的进氢通路的氢气流量；若过氢比实际值r＝过氢比理想值r0，则控制分流阀阀芯保持不动。
6.根据权利要求2所述的燃料电池氢气循环控制方法，其特征在于：若进氢压力实际值P1＞进氢压力理想值P0，则减小喷射器喷嘴打开的面积；若进氢压力实际值P1＜进氢压力理想值P0，则增大喷射器喷嘴打开的面积；若进氢压力实际值P1＝进氢压力理想值P0，则保持喷射器喷嘴打开面积不变。
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